EP1501106B1 - Ferritkern für ein Induktivitätsbauteil - Google Patents

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EP1501106B1
EP1501106B1 EP03016771A EP03016771A EP1501106B1 EP 1501106 B1 EP1501106 B1 EP 1501106B1 EP 03016771 A EP03016771 A EP 03016771A EP 03016771 A EP03016771 A EP 03016771A EP 1501106 B1 EP1501106 B1 EP 1501106B1
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inductive element
winding
ferrite core
sides
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Christof Gulden
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps

Definitions

  • the invention relates to a core for an inductance component, with at least two mutually parallel legs, which are connected together at the ends by a yoke, according to the features of the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a core for a so-called resonance choke preferably for the use in switching power supplies.
  • the core can be sheared by inserting several air gaps.
  • z. B. used a segmented toroid, in which alternated air gaps with toroidal segments. Disadvantages are the high price, as there is no finished multipart ring cores to buy and the gluing of the parts is quite difficult. In addition, it is difficult to distance to the strand, otherwise the winding window is getting smaller and the deposit of the winding is no longer possible.
  • the illustrated core has the features of the preamble of claim 1. This is a reduction of noise caused by the laminated iron core, with the magnetic path at one or more locations is interrupted by an air gap or non-magnetic webs and the non-magnetic webs are cemented with a good adhesive hardenable mass to the interruption point facing sheet ends of the core.
  • the production of such a laminated iron core with cemented sheet ends is relatively complicated and expensive.
  • GB 2 037 089 A discloses a device (transformer) having a ferromagnetic core.
  • This core has on one side a one-sided gap, which is divided into a plurality of sub-columns, which are filled with a solid, non-ferromagnetic material (adhesive and glass particles).
  • the columns are arranged magnetically by arranging ferromagnetic material in succession.
  • the size of the glass particles determines the width of the column.
  • Areas of the air gaps delimit the stray field which penetrates the aluminum foil of the primary side of the transformer, which is wound around the ferrite core.
  • the secondary core is made of copper wire.
  • This invention has the disadvantage that the air gap is only one-sided and there is a higher noise than in a core according to the present development.
  • the GB 1 229 437 A discloses a magnetic core having a three-dimensional triangular or round shape with three slugs.
  • the individual segments of the slugs are made of laminated sheets and the yokes of triangular shaped laminated sheets.
  • the US 2002/0132136 A1 discloses a magnetic core consisting of a plurality of plates separated by insulating material
  • the object of the invention is to provide a core for an inductance component and a corresponding inductive component with which a high power density of the inductance can be achieved and which is relatively simple and inexpensive to produce.
  • the ferrite core should be particularly suitable for use in resonance chokes.
  • the core is a ferrite core, in which the legs are cylindrical, and the individual segments are formed as pressed ferrite tablets with a round or oval cross-section. The segments are each separated by an insulator.
  • the insulators are made of a material with a permeability ⁇ ⁇ 1. They act as "air gaps" between the individual segments or sections of the legs.
  • the legs have a round or oval cross-section.
  • a round or oval shape of the portions of the legs to be wound results in minimal Cu losses and is easy to wind.
  • the yoke has a rectangular cross-section, so that the ends of the legs can be easily attached to a flat surface of the yoke.
  • the ferrite core according to another embodiment of the invention as E-shaped core with three legs, which are connected by a yoke.
  • the longitudinal axes of the legs are all in a common plane.
  • the longitudinal axes of the legs lie at least partially in different planes, so that, seen from above, a triangular arrangement of the legs results.
  • An inductance component produced with the ferrite core according to the invention is preferably a resonance choke, wherein the legs are provided with a preferably single-layer winding.
  • the winding consists of HF stranded wire.
  • an insulator can be arranged between the respective leg of the ferrite core and the winding, so that there is a distance between the winding and the core or the respective air gaps. But it can also be used a bobbin which surrounds the core at least in the region of the winding.
  • Another advantage of the invention is that the ratio of winding window width to winding window height can be optimally adapted to the particular application, for example, to allow a single-layer winding. This results in small Cu losses due to current displacement and a low-capacitance component.
  • the winding window height can be adjusted so that you can set an ideal distance between the strand and air gaps.
  • the preferably cylindrical segments of the legs are to produce with a relatively simple tool and as such cheap.
  • the pressed "ferrite tablets” require little or no post-processing before they can be glued together.
  • the segments are easy to glue and easy to wrap (layer wrap). You can even wrap directly on the core.
  • the concept of the composite ferrite core is very variable, because with two to three segment sizes, ie different diameters and heights, you can do many different chokes.
  • the design of the ferrite core according to the invention can be relatively easily provided with a heat sink, so as to realize the highest possible power density. Both the winding and the core itself provide enough "attack surface" for a passive heat sink.
  • the two legs 1, 2 carry a winding 7, as in FIG. 1 indicated directly on the slugs 1, 2 can be wound.
  • a single-layer winding 7 is used.
  • the winding 7 is not applied directly to the legs 1, 2. Instead, the legs 1, 2 are first with a Insulating material 8 wrapped on which insulating material 8 then the winding 7 is applied.
  • FIG. 1 the corresponding winding window height H and winding window width B is indicated.
  • the ratio winding window width B to winding window height H can be very easily changed and adapted to the particular circumstances.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kern für ein Induktivitätsbauteil, mit mindestens zwei parallel zueinander angeordneten Schenkeln, die an den Enden durch ein Joch miteinander verbunden sind, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Im besonderen betrifft die Erfindung einen Kern für eine sogenannte Resonanzdrossel vorzugsweise für den Einsatz in Schaltnetzteilen.
  • In den letzten Jahrzehnten wurden die Schaltfrequenzen bei Schaltnetzteilen immer stärker erhöht, um die Größe der induktiven Bauteile und damit auch die Größe der Schaltnetzteile zu minimieren. Aufgrund der bei hohen Frequenzen entstehenden Schaltverluste in den Leistungshalbleitern geht der Trend in den letzten Jahren zu resonanten bzw. quasi-resonanten Schaltungstopologien, bei denen die Leistungshalbleiter entweder im stromlosen Zustand (ZCS: Zero Current Switch) oder im spannungslosen Zustand (ZVS: Zero Voltage Switch) geschaltet werden. Diese Schaltungstopologien machen den Einsatz einer Resonanzdrossei nötig.
  • Resonanzdrosseln zeichnen sich dadurch aus, dass der durch die Drossel fließende Strom häufig sinusförmig ist, wobei aber auch Rechteck- bzw. Dreieckströme auftreten können. Es liegt aber immer eine große Stromdifferenz Δl bei recht hohen Schaltfrequenzen an. Deshalb gelten bei der Dimensionierung einer Drossel folgende Designrichtlinien:
    • es müssen verlustarme Kernmaterialien eingesetzt werden, z.B. Leistungsferrite
      • die Aussteuerung des Kerns sollte relativ klein sein, erreichbar z.B. durch eine höhere Windungszahl bzw. einen großen Luftspalt
    • es sollte eine feinkörnige HF-Litze eingesetzt werden
    • der Kern sollte nur einlagig bewickelt sein
    • die HF-Litze sollte nicht zu nah am Luftspalt liegen
    • die Luftspalte sollten nicht zu groß sein, um das Streufeld klein zu halten
  • Betrachtet man diese Richtlinien, so fällt auf, dass sich einige mitunter widersprechen, z.B. ein kleiner Luftspalt wegen Streufeld gegenüber einem großen Luftspalt um die Aussteuerung klein zu halten, so dass immer ein Kompromiss zwischen den Kriterien gefunden werden muss. Die Forderung nach einer kleinen Aussteuerung des Kerns hat zur Folge, dass die effektive Permeabilität des Kerns sehr tief ist und dadurch der Luftspalt sehr groß. Eine Permeabilität µ von 35 - 40 ist das äußerste was man bei einem Ferrit mit ein bis zwei Luftspalten erreichen kann.
  • Um noch kleinere Permeabilitäten zu erreichen, kann der Kern durch das Einfügen mehrerer Luftspalte geschert werden. In der Vergangenheit wurde dazu z. B. ein segmentierter Ringkern verwendet, bei dem man Luftspalte mit Ringkernsegmenten abwechselte. Nachteile dabei sind der hohe Preis, da es noch keine fertigen mehrteiligen Ringkerne zu kaufen gibt und das Zusammenkleben der Teile recht schwierig ist. Außerdem ist es schwierig auf Abstand zur Litze zu gehen, da sonst das Wickelfenster immer kleiner wird und die Einlagigkeit der Wicklung nicht mehr möglich ist.
  • Günstig für die meisten induktiven Bauteile ist ein zylinderförmiger Wickel, der den Vorteil hat, dass die Windungslänge am kürzesten ist und aufgrund eines großen Oberflächen/Volumen-Verhältnisses die thermischen Eigenschaften am günstigsten sind.
  • Mit der DE 12 45 487 B ist ein Verfahren zur Herstellung eines geblechten Eisenkerns für Transformatoren und Drosseln offenbart. Der dargestellte Kern weist die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruch 1 auf. Es geht hier um eine Verminderung von Geräuschen, welche durch den geblechten Eisenkern verursacht werden, wobei der magnetische Pfad an einer oder mehreren Stellen durch einen Luftspalt oder unmagnetische Stege unterbrochen ist und die unmagnetischen Stege mit einer guthaftenden härtbaren Masse an den der Unterbrechungsstelle zugekehrten Blechenden des Kerns verkittet sind. Die Herstellung eines solchen geblechten Eisenkerns mit gekitteten Blechenden ist relativ aufwändig und kostenintensiv.
  • Mit der GB 2 037 089 A ist eine Vorrichtung (Transformator) offenbart, welcher einen ferromagnetischen Kern aufweist. Dieser Kern weist einseitig einen einseitigen Spalt auf, welcher in eine Vielzahl von Teilspalten aufgeteilt ist, die mit einem festen, nicht-ferromagnetischen Material (Kleber und Glaspartikel) ausgefüllt sind. Die Spalten sind magnetisch durch Anordnung von ferromagnetischem Material nacheinander angeordnet. Hierbei bestimmt die Größe der Glaspartikel die Weite der Spalte. Bereiche der Luftspalten begrenzen das Streufeld, welches die Aluminiumfolie der Primärseite des Transformators durchdringt, welche um den Ferritkern gewickelt ist. Der Sekundärkern ist aus Kupferdraht. Diese Erfindung hat den Nachteil, dass der Luftspalt lediglich einseitig ist und hier eine höhere Geräuschentwicklung vorliegt, als bei einem Kern gemäß vorliegender Entwicklung.
  • Die GB 1 229 437 A offenbart ein Magnetkern, der eine dreidimensionale dreieckige oder runde Form mit drei Butzen aufweist. Die einzelnen Segmente der Butzen bestehen aus laminierten Blechen und die Joche aus dreieckig geformten laminierten Blechen.
  • Der Aufsatz von Boyle J.W. et al "HF Magnetics For High Power Resonant Switching Converters", in IEE Colloquium on Resonant Systems, (Digest No. 95/013), London 1995, Seiten 4/1-4/7, XP006528741, offenbart einen Ferritkern für ein Induktivitätsbauteil, welcher aus zwei E-Kernen besteht, deren mittlerer Ansatz durch pillenartige Segmente miteinander unter Bildung von Luftspalten miteinander verbunden sind.
  • Die US 2002/0132136 A1 offenbart ein Magnetkern, bestehend aus mehreren Platten, die durch Isolationsmaterial voneinander getrennt sind
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kern für ein induktivitätsbauteil und ein entsprechendes induktives Bauteil zu schaffen, mit dem eine hohe Leistungsdichte der Induktivität erreichbar ist und der dabei relativ einfach und kostengünstig herzustellen ist. Der Ferritkern soll insbesondere für den Einsatz in Resonanzdrosseln geeignet sein.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein induktivitätsbauteil mit einem solchen Kern ist in Anspruch 5 angegeben.
  • Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass der Kern ein Ferritkern ist, bei dem die Schenkel zylindrisch sind, und die einzelnen Segmente als gepresste Ferrittabletten mit rundem oder ovalem Querschnitt ausgebildet sind. Die Segmente sind jeweils durch einen Isolator getrennt.
  • Die Isolatoren sind aus einem Material mit einer Permeabilität µ ∼ 1. Sie wirken als "Luftspalte" zwischen den einzelnen Segmenten bzw. Abschnitten der Schenkel.
  • Die Bauform mit mehreren Luftspalten eignet sich sehr gut für Resonanzdrosseln, da die Einzeliuftspalte auch bei kleinster Permeabilität relativ klein sind.
  • Die Schenkel haben einen runden oder ovalen Querschnitt. Eine runde oder ovale Form der zu bewickelnden Bereiche der Schenkel ergibt minimale Cu-Verluste und ist einfach zu bewickeln.
  • Das Joch hat einen rechteckigen Querschnitt, so dass die Enden der Schenkel einfach an eine ebene Fläche des Jochs angesetzt werden können.
  • Der Ferritkern kann gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung als E-förmiger Kern mit drei Schenkeln aufgebaut sein, die über ein Joch miteinander verbunden sind. Hierbei liegen die Längsachsen der Schenkel alle in einer gemeinsamen Ebene.
  • Für besondere Anwendungen oder besondere bauliche Verhältnisse kann es aber auch vorgesehen sein, dass die Längsachsen der Schenkel zumindest teilweise in unterschiedlichen Ebenen liegen, so dass sich von oben gesehen eine dreieckige Anordnung der Schenkel ergibt.
  • Bei einem mit dem erfindungsgemäßen Ferritkern hergestellten Induktivitätsbauteil handelt es sich vorzugsweise um eine Resonanzdrossel, wobei die Schenkel mit einer vorzugsweise einlagigen Wicklung versehen sind. Die Wicklung besteht aus HF-Litze.
  • Um den Einfluss des Streufeldes auf die Wicklung klein zu halten, kann zwischen dem jeweiligen Schenkel des Ferritkerns und der Wicklung ein Isolator angeordnet sein, so dass sich ein Abstand zwischen der Wicklung und dem Kern bzw. den jeweiligen Luftspalten ergibt. Es kann aber auch ein Spulenkörper eingesetzt werden, der den Kern zumindest im Bereich der Wicklung umgibt.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Verhältnis von Wickelfensterbreite zu Wickelfensterhöhe optimal an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann, zum Beispiel um eine einlagige Wicklung zu ermöglichen. Dadurch ergeben sich kleine Cu-Verluste durch Stromverdrängung und ein kapazitätsarmes Bauteil. Die Wickelfensterhöhe kann so angepasst werden, dass man einen idealen Abstand zwischen Litze und Luftspalte einstellen kann.
  • Die vorzugsweise zylindrischen Segmente der Schenkel sind mit einem relativ einfachen Werkzeug herzustellen und als solche billig. Die gepressten "Ferrittabletten" erfordern keine oder nur eine geringe Nachbearbeitung, bevor sie miteinander verklebt werden können. Die Segmente sind einfach zu verkleben und einfach zu bewickeln (Lagenwickel). Man kann sogar direkt auf den Kern wickeln. Das Konzept des zusammengesetzten Ferritkerns ist sehr variabel, da man mit zwei bis drei Segmentgrößen, d.h. verschiedene Durchmesser und Höhen, sehr viele verschiedene Drosseln erledigen kann.
  • Die Bauform des erfindungsgemäßen Ferritkerns kann relativ einfach mit einem Kühlkörper versehen werden, um so eine möglichst große Leistungsdichte zu verwirklichen. Sowohl die Wicklung als auch der Kern selbst bieten genügend "Angriffsfläche" für einen passiven Kühlkörper.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
    • Figur 1 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Ferritkerns mit angedeuteter Wicklung;
    • Figur 2 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Ferritkern.
    • Figur 1 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Ferritkerns. Der Ferritkern besteht im wesentlichen aus zwei vorzugsweise zylindrischen Schenkeln i, 2, deren Enden jeweils durch ein Joch 3, 4 miteinander verbunden sind. Die zylindrischen Schenkel 1, 2, auch Butzen genannt, sind jeweils aus mehreren vorzugsweise gleichförmigen Segmenten 5 zusammengesetzt, wobei diese Segmente durch Isolationsscheiben 6 voneinander getrennt sind. Die Segmente 5 und Isolationsscheiben 6 sind miteinander verklebt, sowie auch die Schenkel 1, 2 mit dem jeweiligen Joch 3, 4 verklebt sind.
  • Die beiden Schenkel 1, 2 tragen eine Wicklung 7, die wie in Figur 1 angedeutet direkt auf die Butzen 1, 2 gewickelt werden kann. Vorzugsweise wird eine einlagige Wicklung 7 verwendet.
  • Im Gegensatz zu Figur 1 ist in Figur 2 die Wicklung 7 nicht direkt auf den Schenkel 1, 2 aufgebracht. Stattdessen sind die Schenkel 1, 2 zunächst mit einem Isoliermaterial 8 umwickelt, auf welchem Isoliermaterial 8 dann die Wicklung 7 aufgebracht wird.
  • In Figur 1 ist die entsprechende Wicklungsfensterhöhe H und Wickelfensterbreite B angedeutet. Bei dieser Kernbauform kann das Verhältnis Wickelfensterbreite B zu Wickelfensterhöhe H sehr leicht verändert und an die jeweiligen Gegebenheiten angepasst werden.

Claims (11)

  1. Kern für ein Induktivitätsbauteil, mit mindestens zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Schenkeln (1; 2), die an ihren beiden Enden durch ein Joch (3; 4) miteinander verbunden sind, wobei die Schenkel (1; 2) aus mehreren einzelnen Segmenten (5) bestehen, die jeweils durch einen Isolator (6) voneinander getrennt sind, wobei die Segmente (5) und die Isolatoren (6) miteinander verklebt sind, und wobei die Joche (3; 4) als I-Kerne mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass es ein Ferritkern ist, bei dem die Schenkel (1; 2) zylindrisch und die einzelnen Segmente (5) als gepresste Ferrittabletten mit rundem oder ovalem Querschnitt ausgebildet sind.
  2. Kern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er drei Schenkel aufweist.
  3. Kern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Schenkel (1; 2) alle in einer gemeinsamen Ebene liegen.
  4. Kern nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen der Schenkel zumindest teilweise in unterschiedlichen Ebenen liegen.
  5. Induktivitätsbauteil,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass es einen Ferritkern gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 umfasst.
  6. Induktivitätsbauteil nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass es eine Drossel ist.
  7. Induktivitätsbauteil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Resonanzdrossel ist.
  8. Induktivitätsbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (7) aus einer oder mehreren Lagen HF-Litze besteht.
  9. Induktivitätsbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (7) aus einer Kombination von einer oder mehreren Lagen HF-Litze und einem Cu-Band besteht.
  10. Induktivitätsbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem jeweiligen Schenkel (1; 2) des Ferritkerns und der Wicklung (7) ein Isolator (8; 9) angeordnet ist.
  11. Induktivitätsbauteil nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferritkern zumindest teilweise von einem Spulenkörper umgeben ist.
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