Magnetische werkstoffe in schalt-und schutzeinrichtungen

Journal of Magnetism and Magnetic Materials 0 North-Holland Publishing Company

MAGNETISCHE

WERKSTOFFE

MAGNETIC MATERIALS

9 (1978)

130-142

IN SCHALT- UND SCHUTZEINRICHTUNGEN

IN SWITCHING AND PROTECTIVE

DEVICES

R. BOLL Vacuumschmelze Eingegangen

GmbH, Hanau, Fed. Rep. Germany

am 19. April 1978

Es wird eine Llbersicht iiber magnetische Werkstoffe von extrem weich bis extrem hart fur Schalt- und Schutzeinrichtungen gegebcn. Die Anforderungen an die Werkstoffe und die heute bestehenden Realisierungsmiiglichkeiten werden dargestellt, wobei zwischen dem elektromagnetisch bewirkten mechanischen Schalten und den rein elektrisch bewirkten Schaltund Schutzfunktionen unterschieden wird. Behandelt werden u.a.: Werkstoffe fur Relais und elektromagnetische Wandler, Fehlerstromschutzschalter, Ztindiibertrager und Schutzdrosseln ftir Thyristoren, Schaltkerne fur Logikfunktionen, Magnetkreise mit feldabhangigen Halbleitern, Werkstoffe fur die magnetische Schirmung. A survey is given on magnetic materials in the range of extremely soft to extremely hard for switching and protecting devices. The requirements and recent availabilities of materials are pointed out in differentiating between electromagnetic switching and switching or protecting functions effected by electrical means only. Materials are discussed e.g. for relays and electromagnetic transducers, ground-fault circuit breakers, triggering tarnsformers and protecting chokes for thyristors, logic cores, magnetic circuits with magnetosensitive semiconductors, materials for magnetic shielding.

1. Einleitung

Dauermagneten gerade fur das genannte Anwendungsgebiet sehr wichtig sind. Umgekehrt haben einige dieser Werkstoffe neuere technische Losungen erst miiglich gemacht.

Bei einer Ubersicht iiber magnet&he Werkstoffe fur Schalt- und Schutzaufgaben wollen wir zwischen dem elektromagnetisch bewirkten mechanischen Schalten und den Schalt- bzw. Schutzfunktionen unterscheiden, die mit Hilfe magnetischer Werkstoffe und Bauteile auf rein elektrischem Weg bewirkt werden. Zur ersten Gruppe gehoren z.B. Relais und Fehlerstromschutzschalter. Zur zweiten Gruppe sind Thyristor-Ziindiibertrager und Schutzdrosseln sowie Schaltkerne mit Logikfunktionen zu zahlen. Aber such Systeme mit magnetfeldabhangigen Halbleitern sowie die Schirmung gegen elektromagnetische Felder gehoren dazu. Die Anforderungen an die Werkstoffe sind infolgedessen sehr verschieden. Es erweist sich als zweckmassig, jeweils zuerst die Funktionen zu betrachten, daraus die wesentlichen Werkstoffeigenschaften abzuleiten und dann die verfiigbaren Werkstoffe zu diskutieren. Dabei ergibt sich, dass eine Reihe von Neuentwicklungen bei hochpermeablen Nickeleisenlegierungen, bei halbharten Magnetwerkstoffen und bei

2. Werkstoffe fiir elektromagnetische Schutzfunktionen 2.1. Relais und elektromechanische

Schalt- und

Wandler

Das wesentliche Merkmal dieser Bauteile ist ein magnetischer Kreis, dessen Scherung sich je nach Betriebszustand zwischen “fast geschlossen” und mehr oder weniger “offen” Indert. Man kann dies am besten anhand der Hystereseschleifen eines Relais veranschaulichen (Abb. I), bei dem je nach Schaltzustand zwei verschieden gescherte Schleifen durchlaufen werden und Uberglnge von der einen zur anderen Schleife stattfinden. Die Anforderungen an (ungepolte) Relais und die daraus resultierenden Werkstoffeigenschaften sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Bei Relais und noch mehr 130

R. Boll /&halt- und Schutzeinrichtungen

men mechanische Grossen wie Masse, Federkonstante und Reibungswiderstand hinzu. Es gibt Dualitaten und elektromecahnische Analogien zwischen den elektrischen und mechanischen Crossen, die man sich fur die Berechnung elektromechanischer Systeme nutzbar machen kann [l]. Dies gilt besonders fur die Ermittlung der Schalt- bzw. Betatigungszeiten [ 1,2]. Abb. 2 zeigt als Beispiel ein mechanisches Schwingsystem und einen elektrischen Schwingkreis mit den Einzelkomponenten. Fur die Schaltzeit eines solchen Systems sind mehrere Zeitkonstanten massgebend, die sich auf bestimmte geometrische, magnetische und mechanische Grossen zurtickfuhren lassen (Abb. 2). Wir betrachten hier nur die Wirbelstromzeitkonstante r,, die das dynamische Verhalten wesentlich bestimmt. Sie errechnet sich nach einer von Kaden angegebenen Formel [3] zu:

angezogen

I Hc

Abb. 1. Magnetisierungsverlauf beim Schalten eines ungepolten Relais. Fig. 1. Magnetization curve of switching relays.

0,4 7,

=-p

d2 -9 5‘

d = Blechdicke in mm, { = speziflscher elektrischer Widerstand in s2 mm’/m und 7, in ~.tseingesatzt sind. In der Tabelle 2 sind einige typische magnetische Werkstoffe fur Relais und elektromechanische Wandler zusammengestellt [4]. Zu den Werkstoffeigenschaften

in der pr = relative

bei elektromagnetischen Wandlern muss man das System sowohl von der elektrischen wie von der mechanischen Seite betrachten. Zu den elektrischen Grbssen Induktivitat, Widerstand und Kapazitat kom-

Tabelle 1 Anforderungen und Werkstoffeigenschaften fiir Relais Table 1 Requirements and material properties for relays

Werkstoffeigenschaften

Anforderungen

Hohe AnzugsHaltekraft

und

realisierbar

GrtiOen

mit bzw durch

und Hohe Sattrgungsinduktion

nredrige Ansprechleistung

kurze Schalt-

abgeleitete

nredrtge Koerzrtivfeldstarke

und

Ansprechzert

hohe Permeabitrtat

p,

klerne elektrrsche

und

mechanrsche

i’ertkonstante

B,

-

50 NtFe, Fe, 50 CoFe

-

50”1. NrFe, 76 NrFe + MO + Cu

H,

hoher spez. Wrderstand, -

Lamellrerung, gertnge Masse der bewegten Teile

srcheres

Abschalten

hohe Verschlerbfesttgkeit

nredrrge Remanenz mechanrsche magnetrscher

131

8,

Hdrte be! Weichhert

Scherung,

klernes H,

NrFe mit Zusatzen van Nb und Ti Amorphmetalle auf NI, Fe, CoBasts

Permeabilittit,

R. Boll / Schalt- und Schutzeinrich tungen

132

M

= Gleichstrom -Z. : Wirbelstrom -Z. L T:mech= mechanische -Z

Zeitkonstanten:

t,

3 F

P(t)

-v(t)

Forderung:

t,

+ Tc, + T,,,ech2 tsckarr

W

Abhangigkeiten t,

L

von Werkstoff A,. r.4 ~

A,”

.- IJr

‘Fe’

‘Cu

s Cu

N

d*.p, -Ns Fe

zi,

3

und Form:

0RO 1

i(t)

1 fw

mechanisches Schwingsystem elektrischer Schwingkreis

2M

T mech = --W-

Abb. 2. Zeitkonstanten Fig. 2. Time constants

elektromechanischer of electromechanical

B,, Permeabilitat p4 und spezifischer elektrischer Widerstand { wurde die Wirbelstromzeitkonstante 7, fiir verschiedene Scherungsgrade I&r+ berechnet. Man erkennt die starke Abhangigkeit von T, von der Werkstoffpermeabilitat im geschlossenen Kreis und den grossen Einfluss der Scherung, die hinsichtlich der Permeabilitat nivellierend wirkt. Die kleinen Zeitkonstanten bei Scherung machen verstandlich, dass man bei Relais das Magnetmaterial Sgttigungsinduktion

Tabelle 2 Weichmagnetische Werkstoffe fiir Relais und Elektromechanische Table 2 Materials for relays and elektromechanical transducers

Wandler. transducers.

nicht so stark zu lamellieren braucht, sondern dass relativ grosse Materialdicken zulassig sind. Die Forderung nach sicherem Abschalten, d.h. nach niedriger Remanenz B, ist im gescherten magnetischen Kreis eine Forderung nach kleiner Koerzitivfeldstarke, denn es gilt bei Werkstoffen mit niedrigem H, und nicht zu grossen Luftspalten die Beziehung: [Fe B, “---p. IL

Wandler

T\

Nlrbelstromzertkonstante

Werkstoff

76% NI, LCu, 3Mo

4

t-6

P

T

I/cm

Q.mm2 m

0,60

0,02

0,55

I ~/If+=0

10-3

P

‘Js

LOO00

9 2LO

230

P4

50% NiFe

1,55

0,’

045

5000

l&10

235

3% SiFe

2,03

0,2

04

1000

320

160

Fe (rein)

2,15

0,12

O,l

1500

1900

760

‘,L

0,35

1000

360

160

50 % CoFe

/ 2,35

H,

23

125

T,,,

(2)

R. Boll/Shalt- und Schutzeinrichtungen Fiir Mumeta@ * mit H, = 0,02 A/cm und einen Scherungsgrad 1~11~~= 10m2 erhat man beispielswiese B, = 0,25 mT (= 2,5 G), also einen extrem niedrigen Wert. Neben den weichmagnetischen Werkstoffen haben ftir bistabile Relais neuerdings halbharte Magnetwerkstoffe Bedeutung erlangt. Man versteht darunter Materialien mit einer Koerzitivfeldstirke im Bereich von 10 bis 100 A/cm. Solche Legierungen sind in den letzten Jahren im System Co-Fe-V bzw. Co-Fe--0-V und im System Co-Fe und Co-Fe-Ni mit ausscheidungsffiigen ZusHtzen entwickelt worden (Abb. 3). Man kann diese Werkstoffe mit rechteckiger Hystereseschleife und gestuften sowie tolerierten Koerzitivfeldstlrken herstellen, z.B. Sorten mit HC = 15-30 A/cm oder 30-50 A/cm bei einer Remanenz von ca. 1,45 T. Wesentlich fiir die Einstellung des magnetisch halbharten Zustandes bei den Co-Fe-Ni-Legierungen, die Zusitze von Al und Ti enthalten, ist die Ausbildung eines feindispersen (a + y)-Gefiiges formanisotroper Teilchen nach Anlassen aus dem kaltverformten Zustand [5]. Diese Werkstoffe werden hauptslchlich in Remanenzrelais und in Haftreedrelais verwendet. Im letzteren Fall mi.issen die Legierungen mit Glas verschmelzbar, d.h. die Wlrmeausdehnungskoeffizienten an das Glas angepasst sein, was vorallem bei den Co-Fe-Ni-Legierungen gut gelingt. 2.2. Fehlerstromschutzschalter und Schutzwandler 2.2.1. Fehlerstrom-(Flj-Schutzschalter Die magnetischen Bauteile eines FI-Schalters sind ein empfindlicher Summerstromwandler und ein hochempfindliches AuslGserelais (Abb. 4). Der Wandlerkern, durch den die hin- und riickftihrenden Leitungen hindurchgehen, muss schon durch kleine DifferenzstrGme hinreichend hoch ausgesteuert werden, damit der Wandler eine zum Abschalten des Relais ausreichende Leistung liefert. Ein 30 mA-FI-Schalter fiir einen Nennstrom von 40 A muss bei einem Fehlerstrom abschalten, der nur 0,7.5%0 des Nennstroms betrigt [6]. Wegen der geforderten hohen Ansprechempfindlichkeit der heutigen FI-Schalter hat sich das fiir den Wandlerkern infrage kommende Werkstoffspektrum * @eingetragenes Warenzeichen der Vacuumschmelze GmbH.

A/cm

-50

-40

- 20

-30 Feldstiirke

-

Abb. 3. Entmagnetisierungskurven von magnetisch halbharten Werkstoffen auf Basis CoFe und CoFeNi. Fig. 3. Demagnetization curves of semi-hard magnetic materials on basis CoFe and CoFeNi.

von 3% Siliziumeisen und 50% Nickeleisen mehr und mehr zu hochwertigen Qualitlten, insbesondere zu den Legierungen der Permalloy-Gmppe verschoben. Ausgehend vom Mumetall sind in dieser Gruppe Werkstoffe sehr hoher Permeabilitgt entwickelt und in die Praxis eingeftihrt worden [7]. Der derzeitige Spitzenwerkstoff hat eine Permeabilitat von p4 > 200 000 bei 50 Hz [4].

1

I

I I

If = 0,5A

Abb. 4. Au&sung eines Fehlerstromschalters durch Erdschluss. Fig. 4. Operating of earth-leak circuit breakers.

134

R. Boll / Schalt- und Schutzeinrichtungen

Abb. 5 zeigt Magnetisierungskurven von Werkstoffen fiir Fehlerstromschutzschalter und den jeweils optimalen Aussteuerbereich in Hinblick auf das Ausliiserelais. Die Cruppe der hochpermeablen NiFe-Legierungen ist ein Beispiel dafiir, welche Fortschritte eine intensive wissenschaftliche Forschung auf dem Werkstoffgebiet erbringen kann, wenn die physikalischen Zusammenhange zwischen den magnetischen Eigenschaften, dem strukturellen A&au, den magnetischen Grundkonstanten sowie deren Beeinflussbarkeit immer besser erkannt und beherrscht werden, und wenn auf die Anwendung hin optimiert wird. Man konnte damit vielfdtige Variationen der Werkstoffeigenschaften erreichen, so such unterschiedliche Formen der Hystereseschleife oder einen bestimmten Temperaturgang der Permeabilitit [8,9]. Bei Kernen fiir hochempfindliche Fehlerstromschutzschalter besteht neben der Forderung nach hoher Permeabilitit such die Forderung nach geringer Temperaturabhlngigkeit der Magnetisierungskurve, z.B. im Bereich von -1O’C bis t45’C. Bei den Legierungen der Permalloygruppe kann man den Temperaturgang durch Temperbehandlung oder durch Wahl bestimmter Abkiihlgeschwindigkeiten in weiten Bereichen gezielt einstellen, insbesondere innerhalb bestimmter Toleranzgrenzen halten [lo]. Man nennt solche Werkstoffe “TK-Werkstoffe”. Ein Beispiel iiber den erzielbaren Effekt zeigt Abb. 6 anhand einer Magnetisierungskurve.

t

B

91

0,Ol

Uncompensated

’

1

IO

mA/cm

alloy

100

H eff -

Abb. 6. Nickeleisenlegierungen mit niedrigem Temperaturkoeffizienten. Fig. 6. NiFe alloys with low temperature coefficients.

Andere Probleme, die bei Kernen fiir Fehlerstrom. schutzschalter auftreten, sind z.B. die Beeinflussung der Magnetisierungskurve durch vorausgegangene Gleichstromstosse. Diese Effekte kiinnen ebenfalls durch gezielte Temperbehandlungen in gewissen

2 mAkm

5

1000

Abb. 5. Magnetisierungskurven mit optimalem Aussteuerungsbereich von Werkstoffen fiir FI-Schalter. Fig. 5. Magnetization curve and optimal range of materials for ground-fault circuit breakers.

R. BON/ Schalt- und Schutzeinrichtungen

Grenzen beherrscht werden. Sie kijnnen aber such den ijbergang auf einen anderen Werkstoff und Hystereseschleifentyp (F-Schleife) notwendig machen, wenn die Netze starke Gleichstromanteile aufweisen. 2.2.2. Schu tz wandler Das krasse Cegenstiick zu den hochempfmdlichen Wandlerkernen fur Fehlerstromschutzschalter, die auf Strijme der Grossenordnung 30 mA ansprechen, sind Wandler fur den Generatorschutz, die hier als Beispiel fur Schutzwandler gewahlt werden und bei denen die Strijme in der Grbssenordnung von 30 kA liegen konnen. Man kommt deshalb sowohl vom Werkstoff wie von der Kerngrosse und vom Kernaufbau zu ganz anderen Losungen. Fur derartige Aufgaben haben sich sogenannte “Linearkerne” eingefuhrt, d.h. mehrfach geschnittene, stark gescherte Ringbandkerne, bei denen als Werkstoff vorallem das 3%ige Siliziumeisen infrage kommt. Die relative Permeabilitat dieser Kerne liegt in der Grbssenordnung von 50 mit einer Toleranz von *5 bis f 10%.

135

Die gescherte Permeabilitat /,J* eines Kernes lasst sich bei Beriicksichtigung der Streuung in der Umgebung der LuftspaIte nach der Formel (3) berechnen, wobei es nicht auf den geometrischen, sondern auf den magnetisch wirksamen Luftspalt ankommt: p* =

1 (3) -1_+n& /Jr 1Fe

mit pr = relative Werkstoffpermeabilitit, n = Zahl der Luftspalte und k = Korrekturfaktor (k 5 1). Wegen der grossen Einzelluftspalte (ca. 5 mm) und den Flusstibergangen parallel zu den Luftspalten sowie der hohen Zahl der Luftspalte (bis zu 40!) muss in die einfache Scherungsformel ein Korrekturfaktor k eingefuhrt werden, der meist nur empirisch ermittelt werden kann. Abb. 7 zeigt einen Linearkern aus 3% SiFe. Die Messung solcher Kerne mit 1 Primarwindung - entsprechend der Anwendung - erfordert einen speziellen Messaufbau, urn eine gleichmfssige Feldverteilung lsjlgs des Kernumfangs sicherzustellen.

3. Werkstoffe ftir elektrische Schalt- und Schutzfunktionen 3.1. Schalten (Ziinden) von Thyristoren Thyristoren als steuerbare Halbleiterschalter miissen geztindet und wieder gelijscht werden. Unter den verschiedenen Ansteuermijglichkeiten hat der Ziindimpulsiibertrager - such Gitteriibertrager genannt die grosste Bedeutung erlangt [ 111. Die Anforderungen, die an solche Obertrager gestellt werden, sind sehr vielfdtig und bediirfen des Einsatzes besonderer Magnetwerkstoffe und geeigneter Kernformen

Abb. 7. Schnittbandkerne fiir Linearwandler (3% SiFe; 520 mm @I. Fig. 7. C-core for linear current transformer (3% SiFe; diameter 520 mm).

R. Boll / Schalt- und Schutzeinrichtungen

136

Betriebsart des Kerns

Ansteuerimpulse Langzelttmpulse

i’kk-__ It-

al , , ~puk~

AL-

---t-

b)

“gefullte” Jmpulskette

Abb. 8. Betriebsweise van Ztindiibertragern ftir Thyristoren. Fig. 8. Operating conditions of thyristor firing transformers.

aneinandergereihten kurzen Einzelimpulsen von 30-500 ps Dauer mit entsprechenden Pausen. Man spricht hier such von einer “liickenden” Impulskette (Abb. 8a). Einen bipolaren Betrieb mit Impulsketten erhalt man mit einem Gegentaktiibertrager, in dem 2 aufeinanderfolgende Impulse entgegengesetzter Polaritat gleichgerichtet und ohne Lticke aneinandergefiigt werden (“gefiillte” Impulskette, Abb. 8b). Die Auswahl der Werkstoffe und Kerne hangt davon ab, ob die Betriebsweise der Gitterimpulsiibertrager unipolar oder bipolar ist. Beim unipolaren Betrieb braucht man Werkstoffe mit grossem Induktionshub AB. Bei bipolarem Betrieb entfallt zwar diese Forderung, man muss aber bei Ansteuerung mit “gefiillten” Impulsketten berticksichtigen, dass nach einer Impulspause u.U. eine unipolare Magnetisierung des Ubertragers auftreten kann, sodass such hier die Auslegung ftir den unipolaren Fall notwendig ist (Abb. 8b). Als Werkstoffe fur Impulsanwendungen wurden vor einigen Jahren zwei Legierungen neu entwickelt, die aufgrund ihrer niedrigen Remanenz und ihrer linearen

aber dennoch steil ansteigenden Hystereseschleife einen hohen Induktionshub AB und eine grosse ImpulspermeabilitCt /+ miteinander verbinden [ 131. Diese F-Werkstoffe iihneln in der Form der Hystereseschleife den friiheren “lsopermen”, unterscheiden sich davon aber bei vergleichbarem Remanenzververhaltnis in der Koerzitivfeldstlrke und in der Permeabilitat urn mehr als 2 Zehnerpotenzen (Abb. 9). Bei den beiden F-Werkstoffen handelt es sich urn ein 65%iges NiFe mit Mo-Zusatz und um eine Legierung vom Permalloy-Typ mit ca. 76% Ni und 4% MO. Im einen Fall ist der hohe Induktionshub bis ca. 1 T der Hauptvorteil, im anderen Fall die sehr hohe Impulspermeabilitat von etwa 20 000. In beiden Fallen wird die flache Hystereseschleife durch Temperung im magnetischen Querfeld erzeugt. Die Magnetisierungsprozesse laufen iiberwiegend als Drehprozesse und weniger als Wandverschiebungen ab. Neuerdings wird tiber weitere Entwicklungen bei F-Werkstoffen berichtet mit dem Ziel, den Induktionshub auf etwa 1,2- 1,4 T zu erhiihen *. Die andere Moglichkeit, die Remanenz herabzusetzen, ist bekanntlich die Scherung. Allerdings lassen sich in Kerne aus sehr hochpermeablen Werkstoffen aus technologischen Grtinden keine so kleinen Luftspalte einfiigen, urn vergleichbare Kombinationen von Impulspermeabilitat und Induktionshub wie bei ungescherten Kernen aus F-Werkstoffen zu erreichen. Gescherte Kerne kijnnen aber bei nicht so hohen Anforderungen an die Impulspermeabilitlt jedoch grossem Induktionshub von Nutzen sein. Ein Beispiel sind geklebte EK-Kerne aus 50% NiFe oder 3% SiFe [ 12,151. Abb. 10 zeigt zum Vergleich Impulskennlinien verschiedener metallischer Werkstoffe und Kerne Auf Ferritkerne, die einen deutlich niedrigeren Induktionshub besitzen, sei hier nicht eingegangen. Massekerne haben zwar eine sehr niedrige Remanenz, scheiden aber wegen ihrer vie1 zu niedrigen Permeabilitlt fIir diese Anwendung vollstarrdig aus. 3.2. Schutz von Thyristoren W5hrend auf der Ansteuerseite Induktivititen in Form von Ziindiibertragern zu fmden sind, setzt man im Laststromkreis von Thyristoren Drosseln zum * Interne Mitteilung ferner

[14].

van F. Pfeifer

u. W. Behnke,

siehe

R. Boll /Shalt- und Schutzeinrichtungen

Tesla

0

0,5

1,OA/cm

50

100 A/cm

Tesla

0,5-

0

4

0

Field strength

---+

Abb. 9. Werkstoffe mit flacher Hystereseschleife. Fig. 9. Materials with flat hysteresis loops. /Y Werkstoff -+-

--

\

1

-

Dicke

76 Ni MO 0,05mm 65 Ni 42Mo 0,05mm

-_-

50 NiFe

0,l

-..-

3 SiFe

0.35 mm

Kernform

0

mm H

\ I \

. /.C._

._

_..-

45 Jnduktionshub

1,0

T

135

A0 -

Abb. 10. Impulskennlinien metallischer Magnetkeme. Fig. 10. Pulse magnetization curves of metallic magnetic cores.

137

Schutz beim Ein- und Ausschalten ein. Das gilt vor allem fur hochbelastete Thyristoren in Reihen- und Parallelschaltungen [ 161. Es ist interessant, dass ebenso wie die frtihere Stromrichtertechnik such die heutige Energieelektronik oft nicht auf Induktivitaten verzichten kann, und dass sich durchaus vergleichbare Aufgabenstellungen ergeben. Als Beispiel hierfiir ist in Abb. 11 em Schaltkreis mit dem frtiher gebrauchlichen mechanischen “Kontaktumformer” einem Thyristorkreis gegeniibergestellt. Im ersten Fall bewirkte die Drossel eine scharf ausgepragte Stufe in der sinusformigen Stromkurve und damit einen verlangerten StromnuIldurchgang, der zum Schalten der Kontakte ausgenutzt wurde. Im zweiten Fall sol1 die Drossel einen verlangsamten Anstieg der meist rechteckformigen Stromimpulse nach dem Einschalten (Ziinden) zum Schutz des Thyristors gegen thermische iiberlastung erzwingen. Man verwendet in beiden Fallen nichtlineare sattigbare Drosseln, die zum Zeitpunkt des Ein- und AUSschaltens wirken und dann in Sattigung gehen, sodass sie den Stromkreis nicht mehr beeinflussen. In beiden Fallen - allerdings bei sehr unterschiedlichen Hystereseschleifen - sind sowohl die Stufenlinge tst als such der Stufenstrom Ist von Bedeutung. Der Stufenstrom ist der Magnetisierungsstrom des Krens, der vom Kernwerkstoff und von der dynamischen Beanspruchung abh2ngt [ 17,181. Da w2hrend der Stromstufe die Betriebsspannung an der Drossel ist, ist eine zweite wichtige Kenngrosse die “Spannungszeitflache”, in die der zullssige Induktionshub AB des Kernmaterials eingeht. Die Auswahl des Kernmaterials muss deshalb nach zwei Gesichtspunkten vorgenommen werden. Sie richtet sich beziiglich des Induktionshubs AB insbesondere danach, ob unipolarer Betrieb vorliegt, wie in Abb. 11 rechts, oder bipolarer Betrieb. Sie richtet sich ferner nach dem zullssigen Stufenstrom bzw. nach der daraus abgeleiteten Koerzitivfeldstirke (Stufenhohe). In der Tabelle 3 werden einige Daten von Werkstoffen fur Schutzdrosseln fur eine Stufenhinge von tst = 5 ps zusammengestellt [4,18]. Metallkerne zeichnen sich durch hohen Induktionshub aus, miissen aber in Form diinner Bander emgesetzt werden, damit bei der starken dynamischen Bean spruchung die Stufenhohe, dh. die dynamische Koerzitivfeldstarke hinreichend klein bleibt. Ferrite haben zwar geringe Stufenhohen aber such einen niedrigen

R. Boll /&halt-

138

und Schutzeinrichtungen Thyristor-Stromrichter

Kontaktumformer

I

t P

_ -----

7

Lt I-

Abb. 11. Drosseln in Starkstromkreisen (&halt- und Schutzdrosseln). Fig. 11. Chokes in power circuits (Switching and protecting chokes).

auftreten, verursachen bekanntlich starke Storspannungen auf den Leitungen. Wegen der kurzen Schaltzeiten (Grossenordnung 1 ps) reicht das entstehende Storspektrum bis weit ins MHz-Gebiet und muss deshalb wegen der Funkstorung unterdriickt oder stark begrenzt werden [ 191. Ein wirksames Mittel ist such hier eine nichtlineare Drossel, die den Einschaltvorgang verlangsamt [32]. Die Drossel bildet zusammen mit einem Kondensator ein Tiefpassfilter. Es zeigt sich, dass der Stromanstieg der Drossel sehr genau bemessen werden muss und

Induktionshub, was grijssere Kernquerschnitte bedeutet. Beim Vergleich von Metallen und Ferriten hat man neben dem nutzbaren Induktionshub und der zullssigen Stufenhijhe natiirlich such die Kosten zu betrachten. 3.3. Schu tz gegen durch Halbleiterschalter verursach te Stiirungen Schnelle Schaltvorgange, wie sie beim periodischen Ein- und Ausschalten von TRIAC’s oder Thyristoren

Tabelle 3 Werkstoffe und Kenndaten ftir Thyristor-Schutzdrosseln Table 3 Materials and dates for thyristor protecting chokes

_____

Werkstoffe

S chlelfenform

Tsand

1

I

Clicke

(A/cm1

(mm)

76 Ni, L MO 65 NI, 2 MO 50 NlFe

36%

NlFe

3 % SlFe

MnZn-Femi

!jtufenhohe

I bei t,,= 5~s

0,05 0,03

0,05 0,03

125

_ I

~

} ‘38

~

-

0,05

‘.5. ‘,3

1,5

2,o

0,05

2,03

216

610

0,05

O,L5

0,27

‘JO

R. Boll /&halt- und Schutzeinrichtungen mit einem einzigen Drossel-kernwerkstoff meist nicht realisiert werden kann. Erst durch Kombination von zwei Werkstoffen unterschiedlicher Permeabilitlt und Sittigung in einem bestimmten Querschnittsverhaltnis kann man den gewtinschten Effekt erzielen (Abb. 12). Geeignete Werkstoffkombinationen sind z.B. 80% NiFe und Fe oder 36% NiFe und 3% SiFe. Auch Kombinationen von Ferrit- und Metallkernen oder bestimmte Eisenpulverkerne kijnnen die genannten Bedingungen erfiillen. Die dynamische Hystereseschleife einer solchen Mischkerndrossel hat eine komplizierte Form (Abb. 12). Man erkennt die geringe Breite der Schleife nach dem Durchlaufen der Nulldurchginge, d.h. die kleine Koerzitivfeldstarke, die von der Wirkung des hochpermeablen Kernmaterials kommt. Die Schleife weitet sich stark aus, wenn das niederpermeable Kernmaterial, das such die hijhere Sattigung besitzt, im wesentlichen die Drosselfunktion iibernimmt. Man erkennt 1Pngs der Hystereseschleife such sehr deutlich die Abschnitte unterschiedlicher Magnetisierungsgeschwindigkeit. Die Entwicklung nichtlinearer Funk-Entstordrosseln war keine leichte Aufgabe, da neben der eigentlichen Entstijrfunktion noch Nebenbedingungen erfiillt werden mussten. Eine wichtige Forderung ist die Gerauscharmut, was Werkstoffe mit niedriger Magnetostriktion und eine bestimmte Eigendampfung der Drossel voraussetzt [32].

3.4. Schaltkerne fir die Magnetkern-Transistortechnik Ganz andere Schaltaufgaben als in der Energieelektronik liegen in der Nachrichten- und Datentechnik vor. W&end der magnetische Speicherkem weitgehend durch Halbleiterspeicher abgelijst wurde, gibt es eine Reihe von Anwendungen, in denen kleine Schaltkerne aus Werkstoffen mit Rechteckschleife nach wie vor Bedeutung haben. Beispiele sind Schutzsysteme in der Reaktortechnik, Logiksysteme in der

Eisenbahnsignaltechnik und Zeitglieder in der Nachrichtentechnik [ 20-221. Die massgebenden Kriterien fur die Beibehaltung der Magnetkern-Transistortechnik sind hohe Zuverlassigkeit, Verschleissfreiheit, grosser Anwendungstemperaturbereich, geringe Empfmdlichkeit gegen Storspannungen und Spannungsschwankungen . Zwei Anwendungsfdle zeigt Abb. 13. Im einen Fall handelt es sich’um eine Verzijgerungsschaltung, bei der als Zeitglied ein aus Kernblechen geschichteter Ubertrager mit genau toleriertem Fluss dient, der die Verziigerungszeit At bestimmt. Diese Zeit At ist die Umschaltzeit des Kerns. Ftir den Kern werden EDBleche aus 50% NiFe eingesetzt, die fast ebenso gute Rechteckschleifen ergeben wie Ringbandkerne [23]. Es wird ein Remanenzverhaltnis von mehr als 92% erreicht. Das 2. Beispiel ist eine ijberwachungsschaltung in

...a. t

.:.

i

0' t-

.... .. *...

ii, ’

0

Phasenanschnittsprinzlp

25 Stromanstieg

50 + -75 mit drossel

IJs

139

Hystereseschleife der Drossel (f : 50 Hz)

Abb. 12. Kennlinien einer Funk-Entstiirdrossel (Mischkerndrossel). Fig. 12. Data of RFI-chokes (Mixed cores).

R. Boll /&halt-

140

50%

NiFe

lnoch J. Rbhrigl

t -UB

und Schutzeinrichtungen

40,

76 Ni 4 MO

Uberwachungsschaltung

Abb. 13. Magnetkern-Transistor-Schaltglieder. Fig. 13. Circuits with transistors and magnetic cores.

Schutzsystemen fiir Reaktoren [20]. Es kommen hier kleine Ringkerne mit rechteckiger Hystereseschleife zum Einsatz, und zwar entweder aus 50% NiFe oder aus einem Material auf Basis 76 Ni, 4 MO mit sehr niedriger Koerzitivfeldstlrke. Die Kerne bilden zusammen mit einem Transitor eine fehlersichere logische Verkniipfung, da bei allen denkbaren Fehlern am Ausgang stets das Impulssignal verschwindet. Von den Kernen wird ein hohes Nutz-Stijrspannungsverhaltnis und eine tolerierte Koerzitivfeldstlrke gefordert.

4. Schalten mit magnetfeldabhiingigen

HaIbleitem

Bertihrungsloses elektrisches Schalten und Steuern mit Hilfe magnetischer Felder bzw. Fltisse ist mit Magnetkreisen und magnetfeldabhtigigen Halbleitern mijglich [ 241. Das erste Beispiel war der Hallgenerator aus III-VVerbindungen wie Indiumantimonid, der in einen weichmagnetischen Kreis eingeGgt wird. Man benijtigt hier einen Kreis bzw. Rtickschluss, dessen magnetischer Widerstand vernachllssigbar klein gegentiber dem Luftspalt des Kreises, d.h. der Dicke des Hallgenerators ist. Fir diese Anwendung sind deshalb hochpermeable Nickeleisenwerkstoffe wie Mumetall in Form von Schnittbandkernen oder Blechpaketen mit einge-

schliffenem Luftspalt vorzugsweise geeignet. Bei Verwendung von Mumetall mit einer Anfangspemreabilitat von z.B. 50 000, einer magnetischen WeglHnge des Kerns von 100 mm und einem Hallplittchen von 1 mm Dicke (Luftspalt) betrigt der magnetische Widerstand des Riickschlusses nur 2,?&vom Gesamtwiderstand, sodass das Feld praktisch ausschliesslich am Hallpllttthen liegt. Gemessen wird die Hallspannung als Funktion der Induktion in dem magnetischen Kreis (Abb. 14). Ganz anders stellt sich die Werkstofffrage bei einem magnetischen Kreis mit Feldplatte. Hier geht es darum, mit einem Dauermagneten einen starken magnetischen Fluss zu erzeugen und diesen Fluss durch Verschieben eines Weicheisenjoches (Fe) deutlich zu verandern. Die Feld-bzw. Flusslnderung bewirkt eine WiderstandsInderung der Feldplatte, die zum Schalten benutzt werden kann. Wegen der Kleinheit, die von solchen Systemen oft verlangt werden - man denke an kontaktlose Mikroschalter - haben sich hier die hochwertigsten Dauermagnete auf Basis Kobal-Seltene Erden als sehr niitzlich erwiesen (siehe u.a. [25]). Ein Quader mit einem Volumen von 6 mm3 aus SmCos erzeugt z.B. in einem Abstand von 1 mm ein Feld von 500 A/cm. Ein Magnet aus AlNiCo 500 miisste das 15 fache Volumen haben, urn die gleiche Feldstiirke zu erzeugen. Die

R. Boll / Schalt- und Schutzeinrichtungen

Bedeutung des Energieproduktes fur die Griisse eines Magneten veranschaulicht Abb. 15. Man erkennt den grossen Fortschritt, den such hier die Werkstoffentwicklung gebracht hat, inbesondere durch die SE-Co-Legierungen [26].

/ Fe platte

5. Schutz gegen elektromagnetische

Abb. 14. Magnetkreise mit feldabhingigen Halbleitern. Fig. 14. Magnetic circuits with field-sensitive semiconduciors.

Platin-Kobalt

__

k--As0

1

Zu den elektrischen Schutzmassnahmen, die mit weichmagnetischen Materialien zu bewerkstelligen sind, gehijrt such die elektromagnetische Schirmung. Es geht dabei entweder urn die Aufgabe, bestimmte Teile oder Gerlte gegen aus der Umgebung kommende Stiirfelder zu schiitzen oder umgekehrt zu verhindern, dass Streufelder erzeugende Bauteile ihre Umgebung stijrend beeinflussen. Es sol1 hier nur kurz erwahnt werden, dass fur Schirmzwecke vorallem hochpermeable Legierungen infrage kommen und zwar in sehr vielfgtigen Anwendnugsforrnen. Uber die theoretischen Grundprobleme der Elektromagnetischen Schirmung liegen eine ganze Reihe von speziellen Veroffentlichungen vor (siehe z.B. [27,28]). Neben den bekannten kristallinen Legierungen werden neuerdings such amorphe Legierungen fur Abschirmzwecke vorgeschlagen [29-3 11.

6. Schlussbemerkung

Chrom-Kobalt -Eisen

I

Barium-Ferrit

. .

(MV)

Eisen-Koixlt-knadium &4AGNETCIFLEX@35) AlNi 120

.-

Felder (Schirmung)

EC0 (Ml’, St)

ALNiCo &SO (MV) &

141

+

@

’

Barium-Ferrit

Al Ni 90 3

Abb. 15. Stabmagnete mit gleicher Feldenergie im Aussenbereich. Fig. 15. Rod magnets which produce equal field in the environs.

Es wurde gezeigt, dass fur Schalt- und Schutzfunktionen fast das gesamte Spektrum der Magnetwerkstoffe von extrem weich iiber halbhart bis zu extrem hart benijtigt wird. Neben den typischen Werkstoffdaten spielen die verschiedenen For-men der Hystereseschleife eine wichtige Rolle. Die Werkstoffentwicklung ist auf dem gesamten Gebiet weiter in Fluss. Dies gilt sowohl fur die klassichen kristallinen Werkstoffe als such insbesondere fur die neuen amorphen Materialien. Eine enge Kopplung zwischen magnetischer Werkstoffentwicklung und der rasch fortschreitenden Elektrotechnik und Elektronik dtirfte dabei such fur die Zukunft von grosser Bedeutung sein.

R. Boll /Shalt-

142

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