DE9015849U1 - Ferritkern - Google Patents

Description

Ferritkern

Die vorliegende Erfindung betrifft Ferritkerne zur Verwendung in Transformatoren und DrosseLspuLen und insbesondere dünne Ferritkerne in EE- und EI-Konfigurationen.

Ferritkerne werden häufig in Transformatoren und Drosselspulen verwendet/ die als Spannungsversorgungen für unterschiedliche elektronische Gerätschaft dienen. Die Kerne, die auf Schaltplatten in den unterschiedlichen elektronischen Gerätschaften angebracht sind, umfassen im allgemeinen EE-Typen mit einem Paar E-förmiger Kernhälften, die bezüglich ihrer Schenkel in Anstoßberührung angeordnet sind, und den EI-Typ, dessen E- und I-förmige Kernhälften in Anschlagberührung miteinander angeordnet sind. Im Rahmen der in jüngster Zeit zunehmenden Miniaturisierung elektronischer Gerätschaft ist es notwendig, die Montagehöhe der Kerne zu reduzieren bzw. so klein wie möglich zu gestalten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ferritkern der in Rede stehenden Art zu schaffen, der bezüglich seiner Montagehöhe zugunsten kleinstmögl icher Maße reduziert ist, wobei dieser Kern insbesondere zum Einsatz in Transformatoren und Drosselspulen bestimmt ist. Außerdem soll ein Ferritkern geschaffen werden, der eine hohe Wartungseffizienz gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe in Übereinstimmung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

NachfoLgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden; in dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Kernhälfte des erfindungsgemäßen Ferritkerns;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Kern-Trägergrundkörpers sowie zweier Kernhälften;

Fig. 3 eine Seitenansicht des Kern-Trägergrundkörpers von Fig. 2 mit einer in einen Säulenabschnitt des Grundkörpers eingesetzten gekrümmten oder verzogenen Kernhälfte, und

Fig. 4 eine Seitenansicht des Kern-Trägergrundkörpers von Fig. 2, in dessen Säulenabschnitt eine unverzogene, ebene Kernhälfte eingesetzt ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Kernhälfte 10 ist eine E-förmige Kernhälfte mit einem in Längsrichtung verlaufenden Zentralschenkel 11, einem Paar in Längsrichtung verlaufenden Außenschenkeln 12 und einem querverlaufenden Rückgrat 13, das mit dem zentralen und den äußeren Schenkeln 11 und 12 verbunden ist. Die Angaben "in Längsrichtung" und "quer" bzw. "in Querrichtung" beziehen sich auf die Längsachse eines Säulenabschnitts 2 des Kern-Trägergrundkörpers 1, in welchen Kernhälften eingesetzt sind, und der nachfolgend anhand von Fig. 2 näher beschrieben wird.

Der erfindungsgemäße Ferritkern kann entweder in einer EE-Konfiguration hergestellt sein, wobei ein Paar E-förmiger Kernhälften mit ihren Schenkeln im Anschlag zusammengepaßt

sind oder eine EI-Konfiguration, wobei eine E-förmige KernhäLfte mit einer I-förmigen Kernhälfte zusammengepaßt sind. Da die Erfindung die Abmessungen eines zusammengesetzten Kerns festlegt, braucht der Kern nicht auf die EE- oder EI-Konfiguration beschränkt zu sein, soweit die Abmessungserfordernisse der Erfindung erfüllt sind.

Erfindungsgemäß erfüllt der Kern gleichzeitig die durch die Gleichungen (i), (ii) und (iii) festgelegten Erfordernisse oder die Erfordernisse, die festgelegt sind durch die Gleichungen (ii), (iii), (iv) und (v), und vorzugsweise sämtliche durch die Gleichungen (i) bis (v) festgelegten Erfordern!sse:

(i)	2,3 <	c/b <	; 6,0
(ii)	0,4 <	d/c <	; 0,7
	0,4 <	e/c <	: 0,7 '
(iii)	8,0 <	a/g &iacgr;	&Xgr; 30
(iv)	2,5 <	(1 +	2e)/(b + 2g
(V)	0^2 <	b/(b	+ 2g) < 0,8

wobei a die Querabmessung oder Breite des Kerns,

b die Höhe des Kerns,

c die Querabmessung oder Breite des Zentra I schenke Is,

d die Querabmessung oder Breite jedes Außenschenkels,

e die Längsabmessung des Rückgrats,

g der Abstand zwischen dem Zentra I schenke I und den

den Außenschenkeln und

I die Längsabmessung oder die Länge des Zentralschenkels ist.

Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung auf Hochleistungs-Ferritkerne anwenden, wobei diese Hoch Leistungs-

Ferritkerne vorzugsweise das folgende zusätzliche Erfordernis der Gleichung (vi) erfüllen:

(vi) cxb ^ 50 mm²

Der Ausdruck c/b im Erfordernis (i) gibt die Flachheit des ZentraI schenke I s an. Je größer dieser Wert ist, umso flacher ist der ZentraI schenke I. Der erfindungsgemäße Ferritkern mit einem c/b-Wert innerhalb des vorstehend angegebenen Bereichs weist einen ZentraI schenke I auf, der flacher ist als herkömmliche Kerne zur seitlichen Montage. Dies erlaubt es, den Kern dünn auszubilden, ohne die Querschnittsfläche des Zentralschenkels zu vermindern.

Aufgrund der erhöhten Flachheit des Zentra I schenke I s ist die Proportion der Oberfläche des Zentralschenkels relativ zu seiner Querschnittsfläche groß genug, um Wärmeableitungen zu verbessern, wodurch der Temperaturanstieg in dem Kern herabgesetzt ist. Deshalb ist der Kern besonders gut geeignet für Hochleistungskerne, welche die Gleichung (vi) erfüllen.

Aufgrund der erfindungsgemäß erreichbaren Unterdrückung des Temperaturanstiegs, erfährt der erfindungsgemäße Kern einen geringeren Temperaturanstieg als herkömmliche Hochleistungskerne, vorausgesetzt, daß die minimale Querschnittsfläche und das effektive Volumen gleich sind, wodurch sich der erfindungsgemäße kern durch eine höhere effektive Sättigungsmagnetflußdichte auszeichnet, was eine höhere Leistung eines Transformators zur Folge hat, der mit diesem Kern ausgerüstet ist.

Diese Vorzüge gehen verloren bei einem c/b-Wert unterhalb des genannten Bereichs. Kerne mit einem c/b-Wert außerhalb bzw.

oberhalb dieses Bereichs sind zu flach und zu anfällig für ein Verziehen oder für ein Krümmen während Wärmebehandlungen bei der Kernherstellung.

Die Befriedigung der Gleichung (ii) ermöglicht dem Kern eine gleichmäßige Magnetflußdichte, die eine partielle magnetische Sättigung verhindert. Unter der Voraussetzung, daß das Erfordernis der Gleichung (ii) erfüllt ist, ist die Querschnittsfläche des Zentralschenkels ungefähr doppelt so groß wie die Querschnittsfläche jedes Außenschenkels, was der effizientesten Konfiguration entspricht. Da die Außenschenkel ebenfalls flacher sind als bei herkömmlichen Kernen, wird die vorstehend erwähnte Unterdrückung des Temperaturanstiegs zusätzlich verbessert.

Deshalb sind flache Kerne, welche die Erfordernisse der Gleichungen (i) und (ii) erfüllen, gekennzeichnet durch einen herabgesetzten Temperaturanstieg und einen herabgesetzten Verlust an effektiver Sättigungsmagnetflußdichte im Vergleich zu herkömmlichen, aus demselben Material hergestellten Kernen und sie weisen dieselbe minimale Querschnittsfläche sowie dasselbe effektive Volumen, jedoch einen c/b-Wert auf, der unterhalb des spezifischen Bereichs liegt.

Diese Vorzüge kommen vor allem im Hochfrequenzbereich zum Tragen, wo der Kern mehr Wärme erzeugt, beispielsweise also bei 50 kHz oder höher, insbesondere bei 100 kHz oder höher.

Für die Querschnittsfläche cxb des Zentra I schenke I s ist keine besondere Obergrenze zu beachten, obwohl die Obergrenze üblicherweise etwa 300 mm beträgt, weil flache Kerne mit einer zu großen Querabmessung für die Montage bzw. für den bestimmungsgemäßen Einsatz weniger wünschenswert sind.

Die Größe a/g in der Gleichung (iii) stellt das Verhältnis der Kernbreite a zum Abstand g vom Zentral- zum Außenschenkel dar. Da eine vor der Montage des Kerns auf diesem aufgewickelte Wicklung den Raum zwischen den Zentral- und Außenschenkeln durchsetzt, hängt der Abstand d vom Zentral- zum Außenschenkel von der Stärke dieser Wicklung ab. Unter der Voraussetzung, daß die Kernhöhe festgelegt ist, ist die Montagehöhe geringer, wenn die Wicklungsstärke herabgesetzt ist. Es ist deshalb wünschenswert, die Wicklungsstärke zugunsten einer Wicklung zu reduzieren, die so dünn wie möglich ist. Dann ist der notwendige Wert für g (entsprechend) gering. Vorausgesetzt, daß die Kernbreite festgelegt ist, kann die Querschnittsfläche des Kerns erhöht werden. Vorausgesetzt, daß die Querschnittsfläche des Kerns feststeht, kann die Kernbreite bei reduziertem g herabgesetzt werden. Wenn auf diese Weise der a/g-Wert größer wird, wird ein Kern kleinerer Abmessungen erreicht, der eine größere Querschnitt sf lache aufweist.

Grundsätzlich besteht keine Obergrenze für den Wert von a/g, obwohl die Obergrenze üblicherweise etwa 30 beträgt, wenn die Abmessungen einer Spannungsversorgung, für welche der Kern vorgesehen ist, berücksichtigt werden.

Die Gleichung (iv) stellt einen Faktor dar, der es ermöglicht, die Kernhöhe zu reduzieren, ohne das Kernvolumen zu reduzieren.

Die Gleichung (v) legt den Bereich fest, innerhalb dessen eine maximale Effizienz für dünne Kerne erreichbar ist, welche die Gleichung (iv) erfüllen. Je höher die Effizienz ist, umso geringer ist die von dem Kern erzeugte Wärme. Die

GLeichung (&ngr;) ist bestimmt durch Berücksichtigung des Temperaturanstiegs des Kerns im Betrieb.

VorteiLhafterweise erfüllt der erfindungsgemäße Kern zusätzlich das Erfordernis folgender Gleichung:

(vii) A₇O < l/g < 40 wobei I die Länge des Zentra I schenke I s ist.

Vorteilhaft ist dieses Erfordernis deshalb, weil der Wicklungsbereich bzw. die Bewicklungsfläche erhöht werden kann, wenn I für einen festen Wert von g erhöht wird. Dies erlaubt es, daß ein dickerer Leiter für eine feste Wicklungsanzahl aufgewickelt werden kann, was zu einer Herabsetzung von Kupferverlust führt, oder daß die Wicklungsanzahl erhöht werden kann für einen festen Leiterdurchmesser, so daß ein Betrieb bei einem geringeren Pegel oder einer geringeren Magnetflußdichte möglich wird, was zu einer Herabsetzung von Eisenverlust führt. Dieser Vorzug kommt besonders zum Tragen, wenn der l/g-Wert 4,0 oder größer ist, und insbesondere dann, wenn Hochleistungskerne zum Einsatz gelangen, welche die Gleichung (vi) erfüllen.

Grundsätzlich ist dem Wert von l/g keine Obergrenze auferlegt, obwohl die Obergrenze üblicherweise etwa 40 beträgt, wenn die Abmessungen eines Produkts in Betracht gezogen werden, für welche der Kern zum Einsatz gelangt.

Der erfindungsgemäße Ferritkern kann durch jedes herkömmliche Verfahren hergestellt werden, einschließlich bekannter Ausform- und Wärmebehandlungsverfahren. Der Ferritkern kann ohne Probleme durch Kreuzextrudiergießen oder -pressen hergestellt

werden, weil der Kern keine spezielle Konfiguration aufweist, welches dieses Herstellungsverfahren unmöglich machen würde.

Die Erfindung betrifft Ferritkerne, die für eine seitliche Montage vorgesehen sind.

Der erfindungsgemäße Ferritkern wird auf einer Schaltplatte als Induktanze lement angebracht, wie es beispielsweise zum Einsatz gelangt bei einem Transformator oder einer Drosselspule, indem der Kern in einen Kern-Trägergrundkörper eingeführt wird, der eine vorausgehend auf diesen aufgewickelte Wicklung aufweist.

Grundsätzlich ist der Kern-Trägergrundkörper, mit welchem der erfindungsgemäße Kern kombiniert werden kann, nicht auf bestimmte Ausführungsformen beschränkt. Vorteilhafterweise wird jedoch der nachfolgend beschriebene Kern-Trägergrundkörper verwendet, weil der erfindungsgemäße Kern dünn ist und sich bei der Wärmebehandlung verziehen kann bzw. hierbei eine Krümmung erfährt, und weil der Kern ausgelegt ist für Hochleistungsanwendungen, die mit (erheblicher) Wärmeentwicklung verbunden sind.

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Kern-Trägergrundkörpers, der vortei I hafterweise mit dem erfindungsgemäßen Kern kombiniert werden kann. Dargestellt sind auch E-förmige Kernhälften 10, 10, die zur Einführung in einen Säulenabschnitt 2 des Kern-Trägergrundkörpers 1 vorgesehen sind.

Der Grundkörper 1 umfaßt einen säulenförmigen Abschnitt 2 mit einer Längsachse, ein Paar Flansche 3 an axial gegenüberliegenden Enden des säulenförmigen Abschnitts 2, ein Paar

Laschenabschnitte 4, welche an die axial gegenüberliegenden Enden des Säulenabschnitts 2 über die Flansche angeschlossen sind, und eine Mehrzahl von Anschlußstiften 5, die in jeden Laschenabschnitt 4 eingebettet sind.

Der Säulenabschnitt 2 weist eine rechteckige oder ähnliche hohle Säulengestalt auf/ die einen Innenraum festlegt, in welchen ein Zentra I schenke I 11 jeder E-förmigen Kernhälfte einsetzbar ist. Ein Leiter kann auf den Umfang des Säulenabschnitts 2 vor der Montage des Kerns aufgewickelt werden.

Der Flansch 3 dient zur Isolierung der Windung auf dem Säulenabschnitt 2 gegenüber der Kernhälfte 10. Der Flansch 3 an dem zentralen und oberen Säulenabschnitt 2 kann gegebenenfalls zur Führung der Leiterwicklung mit einer Kerbung 31 versehen sein.

Der Lasch en abschnitt 4 umfaßt einen Zentralabschnitt 41 sowie ein Paar seitlicher Vorsprünge 42, 42, die mit Stufen 43, 43 mit quer gegenüberliegenden Kanten des Zentralabschnitts 41 verbunden sind. Die obere Fläche des Laschenzentralabschnitts 41 liegt im wesentlichen in derselben Ebene oder erstreckt sich zusammen mit der unteren Innenfläche des Säulenabschnitts 2. Aufgrund der Anwesenheit der Stufe 43 liegt die obere Fläche des Laschenseitenvorsprungs 42 niedriger als die obere Fläche des Laschenzentralabschnitts 41.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung, bei welcher ein ZentraL schenke I 11 einer quer verzogenen oder gekrümmten Kernhälfte 10 in den Säulenabschnitt 2 des Kern-Trägergrundkörpers 1 eingesetzt ist. Da die obere Fläche des Laschensei tenvorsprungs 42 abgesetzt bzw. gekröpft ist unter die obere Fläche des Laschenzentralabschnitts 41, kann der

ZentraLschenkeL 11 der gekrümmten Kernhälfte 10 reibungslos in den Säulenabschnitt 2 eingesetzt werden, während die Krümmung der Kernhälfte 10, wie aus Fig. 3 hervorgeht, belassen bleibt oder untergebracht wird.

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht einer Anordnung, bei welcher der Zentra Ischenke I 11 einer unverzogenen oder ebenen Kernhälfte 10 in den Säulenabschnitt 2 des Grundkörpers 1 eingesetzt ist. Die obere Fläche des Laschenzentralabschnitts 41 hält das Rückgrad 13 der Kernhälfte 10 an Ort und Stelle.

Die Stufe 43 kann sich entweder lotrecht zur oberen Fläche des Laschenzentralabschnitts 41 erstrecken, wie in Fig. 1 dargestellt, oder eine geneigte oder gekrümmte Fläche mit Bezug auf die obere Fläche des Laschenzentralabschnitts 41 bi Iden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht beschränkt auf den Kern-Trägergrundkörper 1 mit Stufen 43 in jedem Läse henabschnitt 4, weil die Verkrümmung oder Verbiegung des Kerns auch dadurch belassen oder in diesem Zustand aufgenommen werden kann, daß jeder Laschenabschnitt 4 in Querrichtung einen Querschnitt aufweist, welcher auf der Seite, auf der der Kern 10 aufliegt, konvex ist.

In jedem Fall ist die Erfindung dazu dienlich, das Einsetzen des Kerns zu erleichtern, indem die Kernkrümmung oder die Kernverformung beim Einsetzen belassen wird.

L-förmige Anschlußstifte 5 kreisförmigen Querschnitts sind in jeden Laschenabschnitt 4 eingesetzt bzw. in diesem Abschnitt eingebettet. Die Anschlußstifte 5 weisen gegenüberliegende Enden auf, von denen ein Ende von der Kante des Laschenab-

schnitts 4 in Gegenüberläge zu dem Flansch 3 vorsteht und von denen das gegenüberliegende Ende von der unteren Seite des Laschenabschnitts 4 vorsteht.

Vorzugsweise ist es auch vorgesehen, an der Zwischenfläche zwischen dem Flansch 3 und dem Laschenabschnitt 4, wie in Fig. 2 dargestellt, verjüngte übergänge 32 zu Verstärkungszwecken vorzusehen. In diesem Fall ist die Kernhälfte 10 ebenfalls an Verbindungsabschnitten mit verjüngten übergängen versehen.

Der Kern wird mit Hilfe des Trägergrundkörpers 1 in seine best &igr;mmungsgemäße Anordnung gebracht, indem ein Leiter oder mehrere Leiter auf den Säulenabschnitt 2 des Grundkörpers 1 aufgewickelt werden, indem die Leiterenden an die Anschlußstifte 5 angeschlossen werden, und indem die Zentralabschnitte 11 der Kernhälften 10 in den Säulenabschnitt 2 eingeführt werden, und zwar von axial gegenüberliegenden Richtungen, bis die Kernhälften aneinander anstoßen, wodurch die Kernhälften zu einem integralen Kern vereinigt sind. Daraufhin wird die Anordnung auf einer Schalterplatte installiert, indem die Anschlußstifte 5 auf der unteren Seite der Laschenabschnitte 4 in Montagebohrungen in der Schaltplatte eingesetzt werden derart, daß die Zentral- und Außenschenkel im wesentlichen parallel zu der Schaltplatte verlaufen.

Der Kern-Trägergrundkörper 1 kann aus sämtlichen gewünschten Iso I iermateria I ien bestehen, wie beispielsweise aus den einschlägig bekannten Harzen. Verschiedene wärmebeständige Harze, wie Phenolharze, werden bei Hoch Leistungs-Kernanwendungen bevorzugt. Es ist nicht kritisch, in welcher Weise der Kern-Trägergrundkörper hergestellt wird, obwohl sich das Spritzgießen der GrundkörperbauteiIe zugunsten eines inte-

gralen Grundkörpers als besonders preisgünstiges Herstellungsverfahren empfiehlt.

Die Erfindung schafft einen Ferritkern, durch welchen die Höhe einer Kern-Trägergrundkörperanordnung für den Aufbau eines Transformators oder einer Drosselspule im Vergleich zu herkömmlichen Kernen reduziert werden kann. Der Kern erfährt einen geringeren Temperaturanstieg während des Betriebs, weil er eine höhere WärmeabLeitkapazitat hat und weniger Wärme erzeugt. Dies führt zu den Vorteilen eines reduzierten Verlustes an effektiver Sättigungsmagnetflußdichte sowie einer erhöhten Leistung. Der erfindungsgemäße Ferritkern ist leicht herstellbar, weil diese seine Vorzüge erreicht werden, ohne daß der Kern in einer speziellen Gestalt konfiguriert werden muß.

Claims (4)

Ansprüche

1. Ferritkern mit einem in Längsrichtung verlaufenden ZentraLschenkeL/ einem Paar in Längsrichtung verkaufenden Außenschenkeln, und einem Paar in Querrichtung verkaufenden Rückgratabschnitten, die mit den ZentraL- und Außenschenkeln verbunden sind, wobei der Kern dazu ausgelegt ist/ auf einer Schaltplatte derart angebracht zu werden, daß die Zentral- und Außenschenkel im wesentlichen parallel zu der Schaltplatte verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern gleichzeitig die Erfordernisse gemäß den Gleichungen (i), (ii) und (iii) erfüllt:

(i) 2,3 < c/b < 6,0 (ii) 0,4 < d/c < 0,7 0,4 < e/c £0,7 (iii) 8,0 < a/g < 30

wobei a die Breite des Kerns in Querrichtung ist, b die Höhe des Kerns, c die Breite des Zentra I schenke I s in Querrichtung, d die Breite jedes Außenschenkels in Querrichtung, e die Längsabmessung des Rückg ratabschni11s und g der Abstand zwischen dem ZentraIschenkeI und den Außenschenkeln.

2. Ferritkern mit einem in Längsrichtung verlaufenden Zentralschenkel, einem Paar in Längsrichtung verlaufenden Außenschenkeln, und einem Paar in Querrichtung verlaufenden Rückgratabschnitten, die mit den Zentral- und Außenschenkeln verbunden sind, wobei der Kern dazu ausgelegt ist, auf einer Schaltplatte derart angebracht zu werden, daß die Zentral- und Außenschenkel im wesentlichen parallel

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zu der Schaltplatte verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern gleichzeitig die Erfordernisse gemäß den Gleichungen (ii), (iii), (iv) und (v) erfüllt:

(ii) 0,4 < d/c < 0,7
0,4 < e/c < 0,7
(iii) 8,0 < a/g < 30
(iv) 2,5 <&Xgr; (1 + 2e)/(b + 2g) < 5,5 (v) 0,2 < b/(b + 2g) < 0,8

wobei a die Breite des Kerns in Querrichtung ist, b die Höhe des Kerns, c die Breite des Zentra I schenke I s in Querrichtung, d die Breite jedes Außenschenkels in Querrichtung, e die Längsabmessung des Rückg ratabschnitts, g der Abstand zwischen dem Zentra I schenke I und den Außenschenkeln und I die Länge des Zentra I schenke Is .

3. Ferritkern nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich das Erfordernis gemäß Gleichung (i) erfüllt:

(i) 2,3 < c/b < 6,0.

4. Ferritkern nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter das Erfordernis der Gleichung (vi) oder (vii) erfüllt:

(vi) cxb £ 50 mm²
(vii) 4,0 < l/g < 40.