Weichmagnetische Werkstoffe sind top

Hochwertige weichmagnetische Legierungen sind in der Regel von außen nicht sofort sichtbar, erfüllen aber wichtige Funktionen. Insbesondere Ringbandkerne aus der nanokristallinen Legierung Vitroperm haben sich auf Grund ihres Eigenschaftsprofils in stromkompensierten Drosseln (SKD) bei der Entstörung elektronischer Geräte bewährt. Neben einer hohen Dämpfung im niederfrequenten Bereich zeichnen sich die SKDs durch gute Hochfrequenzdämpfungseigenschaften aus. Im Vergleich zu Drosseln mit Ferritkernen ergibt das breitbandige Entstörverhalten im Zusammenspiel mit den entsprechenden thermischen Eigenschaften spürbare Vorteile bei der Filterauslegung und ermöglicht zuverlässige Funkentstörfilter.

Sind prädestiniert für stromkompensierte Drosseln: Ringbandkerne aus Vitroperm.VAC

Unter bestimmten Bedingungen lassen sich in vielen Fällen einstufige EMV-Filter an Stelle von zweistufigen Versionen realisieren und damit die Anzahl der passiven Komponenten, die Systemkosten und die Baugröße reduzieren. Durch die Verwendung kostengünstiger Legierungsbestandteile auf Eisen-Basis und moderner Großserienproduktion hat sich Vitroperm bereits in vielfältigen Applikationen als wettbewerbsfähige Universallösung für EMV-Probleme etabliert. Hauptanwendungsfelder für nanokristalline SKDs: Schaltnetzteile, unterbrechungsfreie Stromversorgungen, Schweißgeräte, Solarwechselrichter, Windkraftanlagen und Frequenzumrichter. Die nanokristallinen Vitroperm-Legierungen sind Werkstoffe auf der Basis von Eisen, Silizium und Bor mit Zusätzen von Niob und Kupfer. Sie lassen sich mit Hilfe der Rascherstarrungstechnologie als dünne Bänder in einem Schritt in ihrer Enddicke von zirka 20 µm herstellen.

Die Details betrachten

Auf speziellen Wickelmaschinen werden die Bänder zu Ringbandkernen im Abmessungsbereich von 2 bis 600 mm weiterverarbeitet. Zur Ausbildung der nanokristallinen Mikrostruktur unterzieht der Hersteller die im Herstellzustand noch amorphen Bänder einer Wärmebehandlung bei 500 bis 600 °C. Dabei entsteht eine Zweiphasenstruktur mit feinkristallinen Körnern, die in eine amorphe Restphase eingebettet sind.

Dieses strukturelle Merkmal ist die Voraussetzung, um hohe Permeabilität und kleine Koerzitivfeldstärke zu erreichen. Daneben sorgen eine niedrige Banddicke und der elektrische Widerstand von 1,1 bis 1,2 µΩm für kleinstmögliche Wirbelstromverluste und einen ausgezeichneten Frequenzgang der Permeabilität. Diese Kombination verknüpft mit einer Sättigungsflussdichte von 1,2 Tesla sowie günstige thermische Eigenschaften machen das nanokristalline weichmagnetische High-Tech-Material Vitroperm zur Lösung für EMV-Probleme, die konventionellen Ferriten und amorphen Werkstoffen in vielen Punkten überlegen ist.

Im Vergleich: Vitroperm versus Ferrit

Vitroperm unterscheidet sich in seinen Eigenschaften ganz wesentlich von herkömmlichen Ferritmaterialien. Um zu einer optimalen Lösung zu kommen, muss dieser Fakt bei der Filterauslegung berücksichtigt werden. Die Permeabilität von Vitroperm 500F liegt im niederfrequenten Bereich deutlich höher als die von Ferrit. Zu höheren Frequenzen zeigen die nanokristallinen Materialien einen weniger starken µ-Abfall. Bei Ferriten weist µ(f) einen flachen Verlauf in dem Bereich von einigen hundert Kilohertz bis etwa einem Megahertz auf. Hier bestimmt µ‘ die Dämpfungseigenschaften und die Induktivität L dominiert für die Impedanz |Z|. Liegt die Eigenresonanz der Drossel in diesem Frequenzbereich, so ist die Dämpfungskurve schmalbandig und die Dämpfung erfolgt vor allem durch Reflexion des Störsignals. Erst oberhalb von 1 MHz übernimmt Re(Z) den Hauptanteil der Dämpfung und µ“ dominiert das Geschehen. Liegt die Eigen­resonanz in diesem Bereich, wird die Dämpfungskurve zunehmend breitbandiger.

Bei Vitroperm reicht der flache Bereich von µ(f) je nach Permeabilitätsniveau bis zu Frequenzen von einigen zehn Kilohertz. Die Dämpfung beziehungsweise die Impedanz wird folglich bereits bei diesen Frequenzen von Re(Z) dominiert und erfolgt im EMV-relevanten Bereich oberhalb der 150 kHz immer breitbandig. Die Induktivität spielt nur eine untergeordnete Rolle und beschreibt das Dämpfungsverhalten nur anteilig. Maßgeblich ist der komplette Betrag der Impedanz. Die für Ferritdrosseln mögliche Näherung |Z|=ωL ist für Vitroperm-Drosseln nicht möglich: hier gilt |Z|>>ωL. Die Dämpfung erfolgt weniger durch Reflexion, sondern vor allem durch Absorption des Störsignals.

Im Blickpunkt: Impedanz und Wärmeverhalten

Eine hohe Impedanz lässt sich besser durch den Einsatz eines hochpermeablen Kernmaterials erzielen als durch eine Erhöhung der Windungszahl, weil eine kleine Windungszahl zu einer niedrigen Wicklungskapazität und dadurch zu verbesserten HF-Eigenschaften führt.

Beispiel: Mit optimierten und kapazitätsarmen Drosseln der Vacuumschmelze lassen sich bei gleichem Materialeinsatz deutlich bessere Hochfrequenzeigenschaften erreichen. Die Sättigungsflussdichte von Vitroperm ändert sich im Anwendungstemperaturbereich bis 150 °C um wenige Prozent, während Mangan-Zink-Ferrite bis 100 °C um bis zu 40 Prozent abfallen. Durch die hohe Curie-Temperatur von mehr als 600 °C darf die maximale Arbeitstemperatur von Vitroperm zeitlich befristet 180 bis 200 °C erreichen. Die Einfügedämpfung oder auch die Impedanz einer Drossel aus Vitroperm 500F bleibt im Temperaturbereich von minus 40 bis über plus 150 °C nahezu temperaturunabhängig. Bei Ferritdrosseln ist mit steigender Temperatur eine deutliche Abnahme der Einfügedämpfung zu verzeichnen.

Das Sättigungsverhalten betrachten

Durch hohe Induktivitäten in kompakten Drossel- und Kernabmessungen erhöht sich allerdings die Empfindlichkeit gegen unsymmetrische Magnetisierungsbedingungen, die durch Common-Mode, Unsymmetrie- oder Ableitströme verursacht werden. Bei Vitroperm wirkt sich die im Vergleich zu Ferriten ungefähr dreimal höhere Sättigungsflussdichte von 1,2 Tesla äußerst vorteilhaft aus. Der Entwickler muss jedoch das für den spezifischen Anwendungsfall passende µ-Niveau auswählen, um eine sättigungsfeste Lösung zu finden.

Fazit: Die Materialeigenschaften nanokristalliner Kernwerkstoffe ermöglichen stromkompensierte Drosseln mit hoher Induktivität bei niedrigen Windungszahlen. Deshalb eignen sich Vitroperm-Drosseln bei hohen Strömen und bei hohen Spannungen gleichermaßen. Das Hanauer Unternehmen stellt weiterführende Informationen zu Kernen und stromkompensierten Funkentstördrosseln in seiner Applikationsschrift „Nanokristallines Vitroperm – EMV-Produkte“ zur Verfügung.

(eck)