DE2824749A1 - INDUCTIVE COMPONENT AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURING - Google Patents
INDUCTIVE COMPONENT AND PROCESS FOR ITS MANUFACTURINGInfo
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Description
VACTJÜMSGHMELZE GMBH Unser ZeichenVACTJÜMSGHMELZE GMBH Our mark
Hanau VP 78 P 9555 BRDHanau VP 78 P 9555 BRD
Induktives Bauelement und Verfahren zu seiner HerstellungInductive component and method for its manufacture
Die Erfindung "betrifft ein induktives Bauelement, auf dessen elektrisch leitende Wicklung Band aus weichmagnetischem Material aufgewickelt ist.The invention "relates to an inductive component the electrically conductive winding of which is wound up with a band of soft magnetic material.
Übliche induktive Bauelemente haben einen weichmagnetischen Kern, der beispielsweise aus Band gewickelt oder aus Blechen geschichtet sein kann, und eine auf diesen Kern aufgebrachte elektrische Wicklung. Bei Ringbandkernen wird die Wicklung meist in Form eines Toroids auf den Kern aufgewickelt. Schnittbandkerne oder Kerne aus geschichteten und gegebenenfalls geklebten Blechpaketen können in die fertige Wicklung eingeschoben werden.Usual inductive components have a soft magnetic core that is wound, for example, from tape or can be layered from sheet metal, and an electrical winding applied to this core. With toroidal cores the winding is usually wound onto the core in the form of a toroid. Cut tape cores or cores made of layered and possibly glued laminated cores can be inserted into the finished winding will.
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Es sind jedoch auch bereits induktive Bauelemente, beispielsweise Transformatoren, Drosseln und Wandler, "bekannt, bei denen der bandförmige Kernwerkstoff aus weichmagnetischem Material auf die vorgefertigte elektrische Wicklung aufgewickelt ist. Dabei wird in der Regel der bandförmige Kernwerkstoff zunächst vor dem Aufbringen auf die Wicklung auf einen ähnlichen Durchmesser vorgewickelt, wie er später auf die Wicklung zu liegen kommt, anschließend zur Beseitigung der mechanischen Spannungen wärmebehandelt und schließlich, gegebenenfalls nach nochmaligem Umwickeln, auf die Wicklung aufgewickelt.However, inductive components, for example transformers, chokes and converters, "are already known, in which the band-shaped core material made of soft magnetic material on the prefabricated electrical Winding is wound. As a rule, the strip-shaped core material is first applied before it is applied pre-wound on the winding to a similar diameter as it will later be on the winding, then heat-treated to eliminate the mechanical stresses and finally, if necessary, after another Wrap around, wound onto the winding.
Der fertige Wickelkern, der die Form eines Ringbandkerns besitzt, umschließt dann jeweils einen seiner Bandbreite entsprechenden Teil der elektrischen Wicklung (DE-PS 711 770, 722 211, 727 073, 729 918, 737 787 und 915 588). Obwohl beim Wickeln die Krümmungsänderung der Bänder auf ein Mindestmaß beschränkt wird, ist nicht zu vermeiden, daß sich die magnetischen Eigenschäften beim Wickeln nach der Wärmebehandlung verschlechtern. Die Verschlechterung kann bei Silizium-Eisen-Legierungen noch in tragbaren Grenzen gehalten werden, bei den magnetisch hochwertigen Nickel-Eisen-Legierungen muß jedoch eine bedeutende Qualitätsminderung in Kauf genommen werden (R. Bauer, "Der Meßwandler", Berlin/Göttingen/ Heidelberg (Springer-Verlag), 1953, Seite 55, Absatz 3).The finished winding core, which has the shape of a toroidal tape core, then encloses one of its Bandwidth corresponding part of the electrical winding (DE-PS 711 770, 722 211, 727 073, 729 918, 737 787 and 915 588). Although the change in curvature of the ribbons is kept to a minimum during winding, is unavoidable that the magnetic properties deteriorate during winding after the heat treatment. In the case of silicon-iron alloys, the deterioration can still be kept within acceptable limits with the magnetically high-quality nickel-iron alloys however, a significant reduction in quality must be accepted (R. Bauer, "Der Meßwandler", Berlin / Göttingen / Heidelberg (Springer-Verlag), 1953, page 55, paragraph 3).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein induktives Bauelement, auf dessen elektrisch leitende Wicklung Band aus weichmagnetischem Material aufgewickelt ist, weiter zu verbessern.The object of the invention is to provide an inductive component on whose electrically conductive winding tape soft magnetic material is wound to improve further.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Band aus weichmagnetischem Material aus einer amorphen Legierung "besteht.This is achieved according to the invention in that the band of soft magnetic material is made of an amorphous Alloy ".
Amorphe Metallegierungen lassen sich bekanntlich dadurch herstellen, daß man eine entsprechende Schmelze so rasch abkühlt, daß ein Erstarren ohne Kristallisation eintritt. Die Legierungen können dabei gleich in Form dünner Bänder gewonnen werden, deren Dicke beispielsweise einige hundertstel Millimeter und deren Breite mehrere Millimeter betragen kann. Von den kristallinen Legierungen lassen sich die amorphen Legierungen durch Röntgenbeugungsmessungen unterscheiden. Im Gegensatz zu kristallinen Materialien, die charakteristische scharfe Beugungslinien zeigen, verändert sich bei amorphen Metallegierungen die Intensität im Röntgenbeugungsbild nur langsam mit dem Beugungswinkel, ähnlich wie dies auch bei Flüssigkeiten oder gewöhnlichem Glas der Fall ist.As is known, amorphous metal alloys can be used in this way produce that one cools a corresponding melt so quickly that it solidifies without crystallization entry. The alloys can be obtained in the form of thin strips, whose thickness is for example a few hundredths of a millimeter and the width of which can be several millimeters. From the crystalline ones Alloys can be distinguished from amorphous alloys by X-ray diffraction measurements. In contrast to crystalline materials, the characteristic show sharp diffraction lines, the intensity im changes in amorphous metal alloys X-ray diffraction image only slowly with the diffraction angle, similar to that also with liquids or ordinary Glass is the case.
Je nach den Herstellungsbedingungen können die amorphen Legierungen vollständig amorph sein oder ein zweiphasiges Gemisch des amorphen und des kristallinen Zustandes umfassen. Im allgemeinen versteht man unter einer "amorphen Metallegierung" eine Legierung, die zu wenigstens 50 %, vorzugsweise zu wenigstens 80 %, amorph ist.Depending on the manufacturing conditions, the amorphous alloys can be completely amorphous or a two-phase one Include mixture of the amorphous and the crystalline state. In general one understands by one "Amorphous metal alloy" means an alloy which is at least 50%, preferably at least 80%, amorphous is.
Für jede amorphe Metallegierung gibt es eine charakteristische Temperatur, die sogenannte Kristallisationstemperatur. Erhitzt man die amorphe Legierung auf oder über diese Temperatur, so geht sie in den kristallinen Zustand über. Bei Wärmebehandlungen unterhalb der Kristallisationstemperatur bleibt dagegen der amorphe Zustand erhalten.For every amorphous metal alloy there is a characteristic temperature, the so-called crystallization temperature. If the amorphous alloy is heated to or above this temperature, it changes into the crystalline state. For heat treatments below the crystallization temperature on the other hand, the amorphous state is retained.
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Die bislang "bekannten weichmagnetischen amorphen Metallegierungen haben die Zusammensetzung MX, , wobei M wenigstens eines der Metalle Eisen, Eobalt und Nickel, und Σ wenigstens eines der sogenannten glasbildenden Elemente Bor, Kohlenstoff, Silizium und Phosphor bedeutet und y zwischen etwa 0,60 und 0,95 liegt. Zusätzlich zu den Metallen M können die amorphen Legierungen auch noch weitere Metalle, insbesondere Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadin, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, WoIfram, Mangan, Palladium, Platin, Kupfer, Silber oder Gold enthalten, während zusätzlich zu den glasbildenden Elementen X oder gegebenenfalls auch an Stelle von diesen die Elemente Aluminium, Gallium, Indium, Germanium, Zinn, Arsen, Antimon, Vismut oder Beryllium vorhanden sein können (vgl. zum Beispiel DE-OS 25 4-6 676, 25 53 003, 26 05 615, 26 28 362 und 27 08 151).The soft magnetic amorphous metal alloys known up to now have the composition MX,, where M at least one of the metals iron, eobalt and nickel, and Σ at least one of the so-called glass-forming metals Means elements boron, carbon, silicon and phosphorus and y is between about 0.60 and 0.95. Additionally In addition to the metals M, the amorphous alloys can also contain other metals, in particular titanium, zirconium, Hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, palladium, platinum, copper, silver or Contain gold, while in addition to the glass-forming elements X or possibly in place of the elements aluminum, gallium, indium, germanium, tin, arsenic, antimony, vismuth or beryllium are present can be (cf., for example, DE-OS 25 4-6 676, 25 53 003, 26 05 615, 26 28 362 and 27 08 151).
Allgemein gilt bei weichmagnetischen amorphen Legierungen, daß sie bezüglich ihrer magnetischen Eigenschäften gegen Verformungen, wie sie etwa beim Aufwickeln des Bandes auf eine elektrisch leitende Wicklung auftreten, weniger empfindlich sind als Bänder aus kristallinen weichmagnetischen Legierungen.In general, soft magnetic amorphous alloys must have their magnetic properties against deformation, such as when the tape is wound onto an electrically conductive winding occur, are less sensitive than strips made of crystalline soft magnetic alloys.
Speziell eine Reihe von kobalthaltigen amorphen Legierungen, wie sie etwa aus der DE-OS 25 4-6 676 und
der DE-OS 27 08 151 bekannt sind, haben eine Magnetostriktion,
die nahe bei Null liegt. Diese Legierungen können vorzugsweise die Zusammensetzung Co Fe-JiTi Si ·,
5^fCgAl11 haben, wobei
0,3 * a * 0,8
0 * b * 0,1
0 ic* 0,4In particular, a number of cobalt-containing amorphous alloys, such as those known from DE-OS 25 4-6 676 and DE-OS 27 08 151, have a magnetostriction that is close to zero. These alloys can preferably have the composition Co Fe-JiTi Si ·, 5 ^ fCgAl 11 , where
0.3 * a * 0.8
0 * b * 0.1
0 ic * 0.4
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sowieas
0,6 - a + b + c0.6 - a + b + c
0,1 *d+e + f + g + h0.1 * d + e + f + g + h
ist. Die magnetischen Eigenschaften dieser Legierungen sind gegen Verformungen .sehr unempfindlich. Bänder aus solchen Legierungen können daher nach vorheriger Wärmebehandlung oder gegebenenfalls auch völlig ohne Wärmebehandlung auf die elektrisch leitende Wicklung aufgewickelt werden.is. The magnetic properties of these alloys are very insensitive to deformation. Tapes off Such alloys can therefore after previous heat treatment or, if necessary, also completely without heat treatment be wound onto the electrically conductive winding.
Andere weichmagnetische amorphe Legierungen, insbesondere solche der Zusammensetzung Fe M^Me PjB Si^C_Α1^» wobei Me eines oder mehrere der Metalle Kobalt, Chrom, Molybdän, Titan, Vanadin, Kupfer bedeutet undOther soft magnetic amorphous alloys, especially those with the composition Fe M ^ Me PjB Si ^ C_Α1 ^ » where Me means one or more of the metals cobalt, chromium, molybdenum, titanium, vanadium, copper and
sowieas
a + b + c + d+e + f + g + h = 1, 0,6 * a + b + c
0,1 ^d+e+f+g+h
ist, haben zwar keine verschwindende Magnetostriktion.a + b + c + d + e + f + g + h = 1, 0.6 * a + b + c
0.1 ^ d + e + f + g + h
have no vanishing magnetostriction.
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Sie sprechen jedoch "bereits auf eine Entspannungsglühung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen von etwa 150 "bis 4000C an. Die Ummagnetisierungsverluste bei hohen Frequenzen, beispielsweise bei 20 kHz,sind bei diesen Legierungen nach der Wäxmebehandlung verhältnismäßig niedrig. Bei Verwendung solcher Legierungen kann daher das Bauelement nach dem Aufwickeln des amorphen weichmagnetischen Bandes auf die vorgefertigte elektrisch leitende, mit einer Isolation versehene Wicklung einer Wärmebehandlung zwischen 150 und 4000C unterzogen werden, sofern auch die übrigen für das Bauelement verwendeten Werkstoffe bei diesen Temperaturen beständig sind.However, they speak "Already A stress relief at relatively low temperatures of about 150" to 400 0 C. The magnetic reversal losses at high frequencies, for example at 20 kHz, are relatively low in these alloys after the heat treatment. When using such alloys, the component can therefore be subjected to a heat treatment between 150 and 400 ° C. after the amorphous soft magnetic tape has been wound onto the prefabricated electrically conductive winding provided with insulation, provided that the other materials used for the component are also resistant at these temperatures are.
Besonders günstig ist es, die elektrisch leitende Wicklung ringförmig auszubilden und das Band aus der amorphen Legierung derart toroidförmig aufzuwickeln, daß es die elektrisch leitende Wicklung weitgehend umschließt. Besonders eignen sich hierzu amorphe Bänder mit nicht zu großer Breite, beispielweise mit einer Breite von bis zu 5 mm» wie sie leicht unmittelbar aus der Schmelze hergestellt werden können. Diese Bänder können dann in einer oder mehreren Lagen ähnlich auf die vorgefertigte elektrisch leitende Wicklung aufgebracht werden, wie beispielsweise bei herkömmlichen induktiven Bauelementen die elektrisch leitende Wicklung auf einen vorgefertigten Ringbandkern aufgewickelt wird. Die Bauart hat ferner den Vorteil, daß das toroidförmig aufgewickelte weichmagnetische amorphe Band ähnlich wie ein Schalenkern gleichzeitig als magnetische Schirmung wirkt.It is particularly advantageous to have the electrically conductive winding to form a ring and the tape of the amorphous alloy to wind up in a toroidal shape that it the electrically conductive winding largely encloses. Amorphous ribbons with not are particularly suitable for this too great a width, for example with a width of up to 5 mm »as it can easily be obtained directly from the melt can be produced. These tapes can then be made in one or more layers similar to the pre-fabricated ones electrically conductive winding are applied, as for example with conventional inductive components the electrically conductive winding is wound onto a prefabricated toroidal tape core. The type also has the advantage that the toroidally wound soft magnetic amorphous tape is similar to a Pot core also acts as a magnetic shield.
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Die elektrisch leitende Wicklung kann vorteilhaft aus Aluminium hergestellt werden, wodurch sich gegenüber Kupfer eine erhebliche Gewichtserspamis ergibt. Außerdem lassen sich dabei die einzelnen Windungen durch eine Eloxalschicht an ihrer Oberfläche in einfacher Weise temperaturbeständig gegeneinander isolieren. Insbesondere bei größeren Bauelementen kann man natürlich auch Folien, beispielsweise aus Kunststoffen mit entsprechender Temperaturbeständigkeit, zur Isolation verwenden.The electrically conductive winding can advantageously be made of aluminum, thereby facing each other Copper results in considerable weight savings. aside from that the individual turns can be made easier by an anodized layer on their surface Insulate against each other in a temperature-resistant manner. You can of course, especially with larger components also foils, for example made of plastics with appropriate temperature resistance, for insulation use.
Falls es auf eine Gewichtsersparnis nicht entscheidend ankommt, kann man natürlich für die elektrisch leitende Wicklung auch Kupfer verwenden, beispielsweise mit temperaturbeständigem Lack oder einer Glasfaserumspinnung isoliert.In case weight saving is not critical arrives, you can of course also use copper for the electrically conductive winding, for example with a temperature-resistant one Lacquer or a fiberglass wrapping insulated.
Besonders günstig kann man die elektrisch leitende Wicklung aus Bandmaterial, vorzugsweise Aluminiumband, herstellen, das dann ähnlich gewickelt werden kann wie Eingbandkerne bei einem üblichen Bauelement. Bei einer solchen Bandwicklung läßt sich ein besonders hoher Füllfaktor und damit eine besonders kompakte Bauart erzielen. The electrically conductive winding made of strip material, preferably aluminum strip, can be used particularly favorably. produce, which can then be wound similarly to single-tape cores in a conventional component. At a such a tape winding allows a particularly high fill factor and thus a particularly compact design to be achieved.
Vorzugsweise wählt man für die elektrisch leitende Wicklung einen etwa rechteckigen Querschnitt mit einem Seitenverhältnis der zur Wickelachse parallelen zu der zur Wickelachse senkrechten Seite von etwa 2,5 :1 bis 1:1.Preferably, an approximately rectangular cross section with a is chosen for the electrically conductive winding Aspect ratio of the side parallel to the winding axis to the side perpendicular to the winding axis of about 2.5: 1 to 1: 1.
Die Wicklung kann auch aus mehreren elektrisch voneinander getrennten Teilwicklungen bestehen, beispielsweise der Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators oder Übertragers.The winding can also consist of several partial windings that are electrically separated from one another, for example the primary and secondary windings of a transformer or transformer.
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Um eine hohe Leistung bei möglichst kleinem Materialeinsatz zu erzielen, ist es "besonders vorteilhaft, für die mit einer toroidförmigen Wicklung aus weichmagnetischem Band versehene elektrisch leitende ringförmige Wicklung einen etwa quadratischen Querschnitt zu wählen. Ferner ist es zweckmäßig, das Wickelpaket aus weichmagnetischem Band so dick zu machen, daß der halbe Durchmesser des Wickelloches der elektrisch leitenden Wicklung von weichmagnetischem Material ausgefüllt ist.To achieve high performance with as little material as possible To achieve, it is "particularly advantageous for those with a toroidal winding made of soft magnetic Band provided electrically conductive annular winding to choose an approximately square cross-section. It is also useful to make the winding package of soft magnetic tape so thick that half the diameter of the winding hole of the electrically conductive winding is filled with soft magnetic material.
Ferner sollten die Füllfaktoren der beiden Wicklungen möglichst groß gewählt werden, wenn bei vorgegebener Maximalleistung des Bauelementes ein möglichst kleines Bauvolumen erzielt werden soll. Die maximale Leistung, bezogen auf die Volumeneinheit, nimmt nämlich mit wachsenden Füllfaktoren zu. Bei einer Wicklung aus Aluminiumband lassen sich etwa Füllfaktoren bis zu 0,9 erreichen, bei der weichmagnetischen toroidförmigen Wicklung etwa Füllfaktoren bis zu 0,3. Um gleichzeitig auch eine möglichst hohe maximale Leistung, bezogen auf das Gewicht, zu erreichen, ist es ferner vorteilhaft, das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung zwischen etwa 1,3 und 3»5, vorzugsweise zwischen 1,5 und. 2,5» zu wählen. Im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen läßt sich dabei auch teures weichmagnetisches Material auf Kosten von billigerem Leitermaterial einsparen. Unter den vorstehend angegebenen Voraussetzungen für die geometrische Gestaltung des Bauelementes nimmt nämlich bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen mit wachsendem Verhältnis zwischen Außen- und Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung die pro Leistungseinheit erforderliche Menge an weichmagnetischem Material ab und die entsprechende Menge an Leitermaterial zu. Bei herkömm-Furthermore, the fill factors of the two windings should be selected as large as possible, if given a predetermined value Maximum performance of the component should be achieved as small a volume as possible. The maximum performance, based on the volume unit, namely increases with increasing fill factors. With a winding made of aluminum tape fill factors of up to 0.9 can be achieved with the soft magnetic toroidal winding about fill factors up to 0.3. In order to also achieve the highest possible maximum performance, based on the Weight, to achieve, it is also advantageous to determine the ratio of the outer diameter to the inner diameter of the electrically conductive winding between about 1.3 and 3 »5, preferably between 1.5 and. 2.5 »to choose. In comparison In addition to conventional components, expensive soft magnetic material can also be used at the expense of save cheaper conductor material. Under the conditions given above for the geometric The design of the component increases with the components according to the application the required per power unit between the outer and inner diameter of the electrically conductive winding Amount of soft magnetic material from and the corresponding amount of conductor material to. With conventional
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liehen Bauelementen, beispielsweise bei einem mit einer toroidförmigen elektrisch leitenden Wicklung versehenen Ringbandkern, ist dies umgekehrt.borrowed components, for example one with a Toroidal electrically conductive winding provided toroidal tape core, this is reversed.
-Anhand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden:The invention is intended to be based on a few figures and examples to be explained in more detail:
Figur 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes in Draufsicht. 10Figure 1 shows a preferred embodiment of an inventive Component in plan view. 10
Figur 2 zeigt das Bauelement nach Figur 1 schematisch im Querschnitt.Figure 2 shows the component according to Figure 1 schematically in cross section.
Figur 3 zeigt das Verhältnis von Masse zu Leistung in Abhängigkeit vom Verhältnis des Außendurchmessers zum Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung für ein Bauelement gemäß Figuren 1 und 2 sowie Vergleichskurven für ein herkömmliches Bauelement. Figure 3 shows the ratio of mass to power in Dependence on the ratio of the outside diameter to the inside diameter of the electrically conductive winding for a component according to Figures 1 and 2 and comparison curves for a conventional component.
Figur 4 zeigt das Verhältnis von Masse zu Leistung und das Verhältnis von Volumen zu Leistung in Abhängigkeit vom Verhältnis des Außendurchmessers zuaInnendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung für ein Bauelement gemäß Figuren 1 und 2 sowie Vergleichskurven für ein herkömmliches Bauelement.Figure 4 shows the ratio of mass to power and the ratio of volume to power depending on the ratio of the outside diameter to the inside diameter the electrically conductive winding for a component according to Figures 1 and 2 and comparison curves for a conventional component.
Figur 5 zeigt schematisch im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes.Figure 5 shows schematically in cross section another Embodiment of a component according to the invention.
Im folgenden Ausführungsbeispiel wird anhand der Fig. 1 und 2 ein Transformator näher erläutert, dessen ringförmige, in zwei Teilwicklungen, nämlich eine Primär- und eine Sekundärwicklung, unterteilte elektrischIn the following embodiment, a transformer is explained in more detail with reference to FIGS. 1 and 2, the ring-shaped, electrically divided into two partial windings, namely a primary and a secondary winding
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leitende Wicklung einen quadratischen Querschnitt hat und von einer Wicklung aus weichmagnetischem, amorphem Band toroidförmig umgeben ist.conductive winding has a square cross-section and is surrounded by a winding of soft magnetic, amorphous tape in a toroidal shape.
Der Transformator ist ausgelegt für eine Primärspannung (Rechteckspannung) von 500 V, eine Sekundärspannung von 48 1 und eine übertragbare Leistung von 670 W bei einer Frequenz von 20 kHz. Die Umgebungstemperatur soll 6O0C betragen, die zugelassene Übertemperatur 60 K. Die Ummagnetisierungsverluste der weichmagnetischen Wicklung betragen 28 W/kg.The transformer is designed for a primary voltage (square wave voltage) of 500 V, a secondary voltage of 48 1 and a transmittable power of 670 W at a frequency of 20 kHz. The ambient temperature should be at 6O 0 C, the permitted temperatures of 60 K. The core loss of the soft magnetic winding be 28 W / kg.
Ausgehend von den Arbeitsbedingungen wurden für den Transformator folgende geometrischen Daten festgelegt:Based on the working conditions, the following geometric data were specified for the transformer:
Innendurchmesser des Transformators Außendurchmesser des Transformators Höhe des TransformatorsInside diameter of the transformer Outside diameter of the transformer Transformer height
Innendurchmesser der elektrisch leitenden WicklungInner diameter of the electrically conductive winding
20 Außendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung20 outer diameter of the electrically conductive winding
Höhe der elektrisch leitenden WicklungHeight of the electrically conductive winding
magnetischer Eisenquerschnitt wirksamer Leiterquerschnitt mittlere Eisenweglänge 25 mittlere elektrische Windungslängemagnetic iron cross-section effective conductor cross-section mean iron path length 25 mean electrical winding length
Im einzelnen wurde der Transformator aufgebaut aus einer Primärwicklung 1 mit 122 Windungen aus 0,08 mm. dickem und 18 mm breitem Aluminiumband und einer Sekundärwicklung 2 mit 20 Windungen aus 0,45 mm dickem und 18 mm breitem Aluminiumband. Als Isolation wurde zwischen die Windungen eine 19 mm breite, 0,2 mm dickeIn detail, the transformer was constructed from a primary winding 1 with 122 turns of 0.08 mm. thick and 18 mm wide aluminum tape and a secondary winding 2 with 20 turns made of 0.45 mm thick and 18 mm wide aluminum tape. A 19 mm wide and 0.2 mm thick insulation was placed between the turns
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Polyimidfolie eingelegt, die in Figur 2 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht eigens dargestellt ist. Der Füllfaktor, der aus den beiden Teilwicklungen 1 und 2 bestehenden Wicklung, die einen quadratischen Querschnitt besitzt, ist etwa 0,85· Das Verhältnis von Außen durchmesser do zu Innendurchmesser d^ der Wicklung ist 2,4.Polyimide film is inserted, which is not specifically shown in FIG. 2 for reasons of clarity. The fill factor of the winding consisting of the two partial windings 1 and 2, which has a square cross-section is about 0.85 · The ratio of the outer diameter do to the inner diameter d ^ of the winding is 2.4.
Als Deckisolation der elektrisch leitenden Wicklung 1, 2 dient wiederum eine Polyimidfolie 3> die beispielsweise durch Tiefziehen auf die Wicklung aufgebracht werden kann.As cover insulation for the electrically conductive winding 1, 2 In turn, a polyimide film 3 is used, which is applied to the winding, for example by deep drawing can.
Um die so isolierte Wicklung 1, 2 wurden dann 900 Windüngen 4- aus 2 mm breitem und 0,05 mm dickem Band aus der weichmagnetischen amorphen Legierung FeQ ^qNIq ^q ^O 14-^0 06 derart herumgewickelt, daß sie die elektrisch leitende Wicklung 1, 2 toroidförmig umschließen. Lediglich die Stelle, an der die elektrischen Anschlüsse 5 der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 2 herausgeführt sind, ist nicht von der weichmagnetischen Wicklung überdeckt. Zur Sicherung der weichmagnetischen Wicklung kann das freie Ende des amorphen Bandes einfach unter eine benachbarte Windung gesteckt werden. Die weichmagnetische Wicklung, deren Füllfaktor etwa 0,2 beträgt, füllt etwa den halben Durchmesser d,. des Wickelloches der elektrisch leitenden Wicklung aus.There were then 900 turns around the winding 1, 2 insulated in this way 4- of 2 mm wide and 0.05 mm thick tape made of the soft magnetic amorphous alloy FeQ ^ qNIq ^ q ^ O 14- ^ 0 06 wrapped around in such a way that the electrical Enclose conductive winding 1, 2 in a toroidal shape. Only the point where the electrical connections 5 the primary winding 1 and the secondary winding 2 are brought out is not from the soft magnetic winding covered. To secure the soft magnetic winding, the free end of the amorphous tape can simply be tucked under an adjacent turn. The soft magnetic winding, its fill factor about 0.2, fills about half the diameter d ,. of Winding holes of the electrically conductive winding.
Zur mechanischen Entspannung und zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften, insbesondere zur Herabsetzung der Ummagnetisierungsverluste, der weichmagnetischen Wicklung wurde der fertig gewickelte Transformator etwa eine Stunde lang bei einer Temperatur zwischen etwa 300 und 35O0C an Luft geglüht und anschließend mitFor mechanical relaxation and to improve the dynamic properties, particularly to reduce the hysteresis losses, the soft magnetic winding of the completely wound transformer was annealed for about one hour at a temperature between about 300 and 35O 0 C in air, and then with
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einer Abkühlungsgeschwindigkeit von etwa 100 bis 25O0C pro Stunde kontrolliert bis auf eine Temperatur unterhalb 200 C und weiter unkontrolliert abkühlen gelassen. Bei diesem Glühvorgang entsteht außerdem auf dem Band aus der amorphen Legierung eine dünne Oxidschicht, die zur Isolation der einzelnen Windungen gegeneinander zum Zwecke der Vermeidung von Wirbelströmen ausreicht. Nach dem Glühen kann als zusätzlicher Schutz beispielsweise auf die weichmagnetische Wicklung noch eine Kunststofffolie aufgebracht werden.a cooling rate of about 100 to 25O 0 C per hour controlled to a temperature below 200 C and allowed to cool further in an uncontrolled manner. During this annealing process, a thin oxide layer is also formed on the strip of the amorphous alloy, which is sufficient to isolate the individual windings from one another in order to avoid eddy currents. After annealing, a plastic film can be applied to the soft magnetic winding, for example, as additional protection.
Bei dem beschriebenen Transformator hat das Aluminium ein Gewicht von 138 g und das Band aus der amorphen Legierung ein Gewicht von 69 g. Das Gewicht des Magnet-Werkstoffes ist demnach viel niedriger als das des Leiterwerkstoffes .In the transformer described, the aluminum has a weight of 138 g and the ribbon is made of the amorphous alloy a weight of 69 g. The weight of the magnet material is therefore much lower than that of the conductor material .
Daß sich bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen mit wachsendem Verhältnis von Außen- zu Innendurchmesser der elektrisch leitenden Wicklung teures weichmagnetisches Material auf Kosten von billigerem Leitermaterial einsparen läßt, ist aus Figur 3 zu ersehen. It can be seen from FIG. 3 that expensive soft magnetic material can be saved at the expense of cheaper conductor material with the components according to the application as the ratio of outer to inner diameter of the electrically conductive winding increases.
In dieser Figur ist an der Ordinate das Verhältnis von Masse bzw. Gewicht m zur Leistung P in g/W, an der Abszisse das Verhältnis von Außendurchmesser d^ zu Innendurchmesser d^, aufgetragen. Die durchgezogenen Kurven 11, 12 und 13 gelten für anmeldungsgemäße Bauelemente. Dabei ist vorausgesetzt, daß die elektrisch leitende Wicklung aus Aluminium besteht und einen quadratischen Querschnitt und einen Füllfaktor von 0,85 besitzt und daß die weichmagnetische Wicklung aus amorphem Material toroidförmig ausgebildet ist, einen Füll-In this figure, the ratio of mass or weight m to power P in g / W is on the ordinate, on the The abscissa is the ratio of outer diameter d ^ to inner diameter d ^, plotted. The solid ones Curves 11, 12 and 13 apply to components according to the application. It is assumed that the electrical Conductive winding is made of aluminum and has a square cross-section and a fill factor of 0.85 possesses and that the soft magnetic winding made of amorphous material is toroidal, a filling
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faktor von 0,2 besitzt und die Hälfte des Durchmessers d,-des Wickelloches der elektrisch leitenden Wicklung ausfüllt. Für den Magnetwerkstoff werden für die Eisenverluste 28 W/kg bei einer Induktion von 0,2 T und eine Frequenz von 20 kHz angenommen. Die Dimensionierungen beziehen sich auf eine Umgebungstemperatur von 600C und eine Übertemperatur von 60 K.has a factor of 0.2 and fills half of the diameter d of the winding hole of the electrically conductive winding. For the magnetic material, the iron losses are assumed to be 28 W / kg at an induction of 0.2 T and a frequency of 20 kHz. The dimensions relate to an ambient temperature of 60 ° C. and an excess temperature of 60 K.
Kurve 11 zeigt die Masse des weichmagnetischen Materials, Kurve 12 die Masse des elektrisch leitenden Materials und Kurve 13 die Gesamtmasse, jeweils bezogen auf die Leistung. Wie man bei einem Vergleich der Kurven 11 und 12 leicht sieht, ist bei Durchmesserverhältnissen do/d^, oberhalb etwa 1,9 die Masse des erforderlichen Magnetmaterials kleiner als die Masse des erforderlichen Leitermaterials, jeweils bezogen auf die Leistung.Curve 11 shows the mass of the soft magnetic material, curve 12 the mass of the electrically conductive material and Curve 13 shows the total mass, in each case based on the power. As one can easily see when comparing curves 11 and 12, with diameter ratios do / d ^, is above about 1.9 the mass of the required magnetic material smaller than the mass of the required conductor material, in each case related to the power.
Die unterbrochen gezeichneten Kurven 14, 15 und 16 sind Vergleichskurven, die sich auf herkömmliche Bauelemente beziehen. Dabei ist vorausgesetzt, daß die weichmagnetische Wicklung ein Ringbandkern ist, der bezüglich Geometrie und Füllfaktor der elektrisch leitenden Wicklung der anmeldungsgemäßen Bauelemente entspricht, und daß die elektrisch leitende Wicklung aus Kupferdraht besteht und hinsichtlich Geometrie und Füllfaktor der weichmagnetischen Wicklung der anmeldungsgemäßen Bauelemente entspricht. Kurve 14 zeigt die Masse des weichmagnetischen Materials, Kurve 15 die Masse des Leitermaterials, Kurve 16 die Gesamtmasse, jeweils bezogen auf die Leistung, in Abhängigkeit vom Verhältnis des Außendurchmesser do zum Innendurchmesser d,, des Ringbandkernes. Man sieht aus einem Vergleich der Kurven 14 und 15, daß bei den herkömmlichen Bauelementen die Masse des MagnetmaterialsThe curves 14, 15 and 16 drawn in broken lines are Comparison curves that relate to conventional components. It is assumed that the soft magnetic Winding is a toroidal tape core, the geometry and fill factor of the electrically conductive winding corresponds to the components according to the application, and that the electrically conductive winding consists of copper wire and in terms of geometry and fill factor of the soft magnetic winding corresponds to the components according to the application. Curve 14 shows the mass of the soft magnetic material, curve 15 the mass of the conductor material, curve 16 the total mass, in each case related to the power, depending on the ratio of the outer diameter do to the Inner diameter d ,, of the toroidal tape core. One looks a comparison of curves 14 and 15 that in the conventional Components the mass of the magnetic material
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"bezogen auf die Leistung zu- die Masse des Leitermaterials "bezogen auf die Leistung dagegen abnimmt. Außerdem zeigt ein Vergleich der Kurven 13 und 16, daß "bei gegebenem Durchmesserverhältnis die Masse pro Leistung "bei den herkömmlichen Bauelementen erheblich größer ist als bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen."based on the power to the mass of the conductor material On the other hand, a comparison of curves 13 and 16 shows that "at given diameter ratio, the mass per power "in the conventional components is considerably greater than with the components according to the application.
In Figur 4 sind die erwähnten Kurven 13 und 16 nochmals eingezeichnet. Außerdem enthält die Figur 4- noch zwei weitere Kurven, von denen die Kurve 17 das Volumen V der anmeldungsgemäßen und die Kurve 18 das Volumen V der herkömmlichen Bauelemente jeweils bezogen auf die Leistung P in Abhängigkeit vom Durchmesserverhältnis d2/d^ darstellt. Die vorausgesetzten Eigenschaften derThe curves 13 and 16 mentioned are shown again in FIG. 4- also contains two further curves, of which curve 17 represents the volume V of the components according to the application and curve 18 represents the volume V of the conventional components, each based on the power P as a function of the diameter ratio d 2 / d ^. The presupposed properties of the
Bauelemente sind die gleichen wie bei Figur 3. Die Kurven 17 und 18 zeigen, daß bei gegebenem Durchmesserverhältnis das Volumen pro Leistung bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen etwas größer ist als bei den herkömmlichen Bauelementen. Im Hinblick auf die erheblichen aus Figur 3 ersichtlichen Einsparungsmöglichkeiten an weichmagnetischem Material auf Kosten von Leitermaterial bei den anmeldungsgemäßen Bauelementen fällt dies jedoch nicht allzusehr ins Gewicht. Ferner ersieht man aus Fig. 4, daß bei Durchmesserverhältnissen zwischen etwa 1,3 und über 3 hinaus bis etwa 3>5 bei den anmeldungsgemäßenComponents are the same as in Figure 3. The curves 17 and 18 show that for a given diameter ratio, the volume per power in the case of the Components is slightly larger than the conventional components. In terms of substantial from Figure 3 evident savings in soft magnetic material at the expense of conductor material in the case of the components according to the application, however, this is not particularly significant. Furthermore, one can see from Fig. 4 that with diameter ratios between about 1.3 and over 3 up to about 3> 5 in the case of the
bezogen Bauelementen sowohl die Masse als auch das Volumen/auf die Leistung besonders niedrig sind. Günstig sind dabei insbesondere Durchmesserverhältnisse zwischen etwa 1,5 und 2,5j wobei mit wachsendem Durchmesserverhältnis der bereits erwähnte Vorteil hinzukommt, daß weichmagnetisches Material eingespart werden kann.related components, both the mass and the volume / performance are particularly low. Conveniently particular diameter ratios between about 1.5 and 2,5j are wherein is added with increasing diameter ratio of the already erwä hn te advantage that the soft magnetic material can be saved.
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Bislang wurden in den Ausführungsbeispielen nur Bauelemente beschrieben, "bei denen die elektrisch leitenden Wicklungen den "besonders günstigen quadratisehen Querschnitt aufweisen. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht "beschränkt, vielmehr können die elektrisch leitenden Wicklungen auch andere Querschnittsformen besitzen. So kann der Querschnitt beispielsweise auch rechteckförmig sein, wobei jedoch das Verhältnis zwischen der zur Wickelachse parallelen und der zur Wickelachse senkrechten Seite, wie bereits erwähnt, vorzugsweise zwischen 2,5 : 1 und 1:1 liegen sollte.So far, only components have been used in the exemplary embodiments described, "in which the electrically conductive windings have the" particularly favorable square cross-section exhibit. However, the invention is not "restricted to this"; rather, the electrically conductive Windings also have other cross-sectional shapes. For example, the cross section can also be rectangular but the ratio between that parallel to the winding axis and that perpendicular to the winding axis Side, as already mentioned, should preferably be between 2.5: 1 and 1: 1.
Ferner kann insbesondere bei Bauelementen mit mehreren elektrisch leitenden Teilwicklungen die elektrisch leitende Wicklung aus Teilen unterschiedlicher Höhe bestehen. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist schematisch in Figur 5 dargestellt. Die elektrisch leitende Wicklung besteht aus einer Primärwicklung 21 und zwei Sekundärwicklungen 22 und 23, beispielsweise aus Aluminiumband, deren Höhe von außen nach innen abnimmt. Durch die Verringerung der Höhe der einzelnen Teilwicklungen nach innen ist im Wickelloch mehr Platz für die Wicklung 24 aus einem Band aus einer weichmagnetischen amorphen Legierung, so daß die Umrisslinien des Querschnitts der weichmagnetischen Wicklung 24 sich stärker einem gerundeten Rechteck annähern als bei dem Bauelement gemäß Figur 3.Furthermore, particularly in the case of components with a plurality of electrically conductive partial windings, the electrically conductive Winding consist of parts of different heights. An exemplary embodiment for this is shown schematically in Figure 5 shown. The electrically conductive winding consists of a primary winding 21 and two secondary windings 22 and 23, for example made of aluminum strip, the height of which decreases from the outside inwards. By reducing the height of the individual partial windings towards the inside, there is more space in the winding hole for the winding 24 from a tape made of a soft magnetic amorphous alloy, so that the contours of the cross-section of the soft magnetic winding 24 more closely approximate a rounded rectangle than in the component according to FIG Figure 3.
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Claims (14)
20is.
20th
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