Dr. Martin Ferch - magnetec.de · © MAGNETEC GmbH,Langenselbold 01/ 2001 Dr. Fe 3 Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV Magnet-Technologie

© MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 101/ 2001

Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV

Magnet-TechnologieMAGNETEC

Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit Verträglichkeit --EMVEMV

Dr. Martin FerchDr. Martin Ferch




© MAGNETEC GmbH Dr. Fe 201/ 2001

- EMV Grundlagen

- Netzfilter

- stromkompensierte Funkentstördrosseln

- Vergleich: nanokristalline und Ferritkerne

- Herstellung von nanokristallinen Ringbandkernen

Vortragsübersicht




Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

ist ein - angestrebter - Zustand:

„ die Fähigkeit eines Gerätes, in der elektromagnetischen Umweltzufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische

Störungen zu verursachen, die für andere in dieser Umwelt vorhandene Geräten unannehmbar wären.“

(EMV-Richtlinie 89/336/EWG bzw. EMVG)

Tatsächlich verdoppelt sich nach unabhängigen Schätzungen das Störpotential weltweit alle drei Jahre ! 1)

EMV Grundlagen: Definition

1) Schaffner EMV AG




EMV Grundlagen: Ursachen/ Störquellen

Steilflankige Schaltcharakteristiken von Mikroprozessoren und Leistungshalbleitern sowie impulsförmige Stroment-nahme von getakteten Stromversorgungssystemen (Schaltnetzteilen) sind die Ursache für unbeabsichtigt emittierte diskrete oder kontinuierliche hochfrequente Störungsspektren. Beispiele:- digitale Telekommunikationseinrichtungen (ISDN, GSM)- elektronische Vorschaltgeräte (EVG d.h. ‚elektronische Transformatoren‘)- Dimmer (Phasenanschnittsteuerungen)- Fernsehgeräte u. ä.- Frequenzumrichter (Motorsteuerungen)- DV-Anlagen (PCs u. ä.)- weisse Ware (Haushaltsgeräte) mit µProzessor-Steuerung




- beim Einschalten der Energiesparleuchte (aus China) spieltdie Waschmaschine verrückt

- In englischen Streifenwagen wurde die Zentralverriege-lung durch Funkgeräte blockiert

- Bei Handy-Anruf (ohne Freisprechanlage) schaltet das Automatikgetriebe einen Gang zurück

- Bei laufender Klimaanlage im Krankenhaus ist die Auflösung des Kernspin-Tomographen schlechter

- Mobiltelefone im Flugzeug

- Prozeßsteuerungsausfall bei Schweißarbeiten im Betrieb

- ‚wabernder‘ CAD-Monitor bei U-Bahn-Durchfahrt

EMV Grundlagen: Problembeispiele




EMV Grundlagen: Störer-Beispiel Schaltnetzteile I

50-Hz-Netzteil - keine HF-Störpegel aber groß/schwer

230V-Netz~

Gleich-richter

großer50 Hz-Trafo

Siebung, Regelung DC-

Ausgang

230V-Netz ~

kleiner 50 kHz-Trafo

Schalter, Regler EMV-

Filter

Gleich-richter

Glättung DC-Ausgang

Schaltnetzteil - EMV Filter erforderlich, kompakt, leicht, effizient

+-

+-




50-Hz-Netzteil Beispiel: Steckernetzgerät

Ps = 6 VA (12V / 0,5A) m = 440g η = 38 %

Schaltnetzteil Beispiel: Notebook-NGPs = 30VA (15V / 2A)

m = 220g η bis zu 95 %

EMV Grundlagen: Störer-Beispiel Schaltnetzteile II




EMV Grundlagen: Ursachen für HF-Störungen

TypischerSpannungsverlauf und Oberwellenspektrum im Zwischenkreis einesFrequenzumrichters

50µs/unit

T = 250µs

Grundwelle 4 kHz

Harmonische (FFT) 0 20 40 60 80 100 kHz [f]




EMV Grundlagen: Szenario

StörquelleEmission, Aussendung

feldgebundene Störausbreitung

leitungsgebundene Störausbreitung

StörsenkeImmunität, Beeinflussbarkeit

StörstrahlungStörströme, Störspannungen

Ausbreitungsarten von elektromagnetischen Störungen

kapazitive u. induktive Kopplung

E-Feld H-Feld

Is

Us




~ A

ntei

l in

%

100

50

01 kHz 100 1 MHz 1GHz10 10010

Störfrequenz f

EMV Grundlagen: Ausbreitungsarten von HF-Störungen

Anteil der leitungsgeführten bzw. abgestrahltenStörenergie als Funktion der Frequenz

feldegebundeneStörausbreitung⇒ Abschirmung

MW KW UKWLW

leitungsgebundene Störausbreitung⇒ Filter




1:100.000

1:10.000

1:1.000

30 MHz

100

80

60

40

Frequenz

Qua

siPe

akSp

annu

ng U

[dB

µV

]

Klasse B Haushaltsbereich

EMV Grundlagen: Störpegel-Grenzwerte

Störspannungs-Grenzwerte der EN 55011 (leitungsgebunden, 50Ω-System)

Klasse A Industriebereich

150 kHz




EMV Grundlagen: normgerechter Meßaufbau f. Störpegel

Experiment!




EMV Grundlagen: Störspannungsspektrum (Quasi-Peak)

1 10 f [MHz]0,1

Us

[dB

µ V] 80

40

0

60

20

80

40

0

60

20

Us

[dB

µ V]

unzureichende Entstörung, Grenz-wertüberschreitungEN55011, Kl. B

ausreichende Entstörung, Grenz-werteinhaltungEN55011, Kl. B




EMV Grundlagen: Entstör-Maßnahmen

Zur Erreichung der EMV geeignete Maßnahmen:Zur Erreichung der EMV geeignete Maßnahmen:

a) hinsichtlich Emissionen (kritisch)

- Filter zur Bedämpfung der leitungsgebundenen Störungen

- Abschirmungen zur Bedämpfung der abgestrahlten Störungen

- EMV-gerechtes Leiterkartenlayout (Vermeidung von Schleifen u.ä.)

- Einsatz von Glasfaserkabeln

b) hinsichtlich Störfestigkeit (weniger kritisch)

- nichtlineare Überspannungs-Schutzelemente

- Einsatz von Optokopplern




EMV Grundlagen: Trends, Ausblick

- Zunahme der Anzahl der ‚Störer‘ und damit des Grundpegels u. a. durch Einzug industrieller Technik in den Haushaltsbereich

- Verschärfung der Grenzwerte- Erweiterung des Definitionsbereiches der Normen- Zusätzliche Normen (z. B. PFC)- neuartige Störer durch schnellere u. leistungsfähigere Schalter

- Zunahme der Kosten für Filtermaßnahmen- globale Einführung von EMV-Normen




EMV Grundlagen: Netzfilter

Netz LastCx1 Cx2

Cy2

Cy2

L

Grundschaltung eines einphasigen EMV- Netzfilters

Cxn X-Kondensator (zw. den Leitungen)

Cyn Y-Kondensator (zur Masse)

L stromkompensierte Ringkerndrossel

R Entladewiderstand

L1

N R

Filter

PE




EMV Grundlagen: Funktionsprinzip eines Netzfilters

Entstörfilter sind nahezu immer als reflektierende Tiefpaßfilter ausgelegt, d. h. sie arbeiten nach dem Prinzip der Fehlanpassung. Ein Teil derhochfrequenten Störströme wird dabei als Erdableitstrom‘umgeleitet‘ - nur ein geringer Teil wird absorbiert, z.B. in Form von (Kern-)Verlusten.

Cx1 Cx1

Cy2

Cy2

Lstreu

Cx1 Cx2

Cy2

Cy2

LN

Gegentakt-Störungf < 500kHz

Gleichtakt-Störungf > 500kHz

Ausbreitungsrichtung der Störströme

Stör-quelle

Stör-quelle

Stör-senke

Stör-senke




EMV Grundlagen: Meßaufbau Einfügungsdämpfung

Normgerechter Meßaufbau für Gegentakt-Einfügungsdämpfung αe

1:1

50 Ω

Meßempfänger(selektives Voltmeter)

Prüfling(Filter)

1:1

50 Ω

Meßsender(150kHz-30MHz)

U1 U2

αe= 20 log U1

2 U2

[dB]




Netzseite

Laststrom

Erde

HF StromH Last H HF Lastseite

Funktionsprinzip der stromkompensierten Drossel zur Dämpfung von (symmetrischen) Gleichtaktstörungen

EMV Grundlagen: Drosselprinzip

1-Phasen-Drossel

3-Phasen-Drossel




Wichtigste Anforderungen an eine EMVWichtigste Anforderungen an eine EMV--Filterdrossel:Filterdrossel:

hohe Impedanz (f = 150 kHz bis 30 MHz)

Z(f) = ωL(f) = 2πf L(f)

L(f) = AL n2 mit AL = µ0 µr(f) Afe/lf

EMV Grundlagen: Werkstoffauswahl

Windungszahl Eisenquerschnittrel. Permeabilität !




Werkstoffe: Historie nanokristalliner Materialien

- 1987: Patent für ein völlig neuartiges Magnetmaterial mit exzellenten weichmagnetischen Eigenschaften durchYoshizawa, Oguma u. Yamauchi (Hitachi, Japan)Legierungszusammensetzung: Fe73Cu1Nb3Si16B7Herstellungsverfahren: RascherstarrungMaterialstruktur: nanokristallin

- 1992: Markteinführung durch VACUUMSCHMELZE(VITROPERM®) und HITACHI Metals (FINEMET®)

- seit ca. 1995: Verbreitung in vielfältigen Anwendungen der Leistungselektronik und Telekommunikation

- 1999: 3. Anbieter am Markt: MAGNETEC (NANOPERM®)




Feldstärke H →

Indu

ktio

n B

→

Bs

Hc

Br

Hs

Kenngrößen weichmagnetischer Werkstoffe; Hysterese

Bs: Sättigungsinduktion (hoch!) Br: Remanenz (gering!)Hc: Koerzitiv-Feldstärke (gering!) Hs: Sättigungsfeldstärke (hoch!)




Werkstoffvergleich

Werkstoff Permeabilitätµ‘r (10 / 100kHz)

SättigungsinduktionBs [T] (25 / 100°C)

CurietemperaturTc [°C]

max. Anwen-dungstemp. [°C]

Ferrit 3E7 15.000 / 12.000 0,38 / 0,21 >130 95Ferrit T38 10.000 / 10.000 0,38 / 0,23 >130 95

NANOPERM 100.000 / 20.00080.000 / 28.000 1,2 / 1,18 600 120 (180)30.000 / 20.000

NANOPERM gegenüber Ferrit:NANOPERM gegenüber Ferrit:- Permeabilität - bis zu Faktor 10 (!)

- Sättigungsinduktion - Faktor 3 (aber: steilerer Verlauf)- Anwendungstemperaturbereich - bis 180°C

- Nachteil (noch): Preis ~ Faktor 1,5 - 2 (leistungsbezogen)

⇒ leistungsfähigere, kleinere und leichtere Bauteile ⇐




Koerzitivfeldstärke Hc als Funktion der Korngröße: D6-Abhängigkeit

© VAC

konventinelleWerkstoffeHc ~ 1/D

nano-WerkstoffHc ~ D6




-1,5

-1,0

-0,5

0

0,5

1,0

1,5

-1000 -500 0 500 1000H [mA/cm]

B [T

]

FerritT 38µ = 10.000

NANOPERM

f = 1 Hz

µ = 80.000µ = 30.000

Werkstoffvergleich

Hysteresen, Sättigungsfeldstärke bei variabler Permeabilität




Werkstoffvergleich

Konstante Permeabilität bis hin zu wesentlich höheren Temperaturen

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

-30 20 70 120 170

Temperatur [°C]

Per

mea

bilit

ät @

10k

Hz/

3mA

/cm

NANOPERM Kern 25x16x10 mm epoxy-beschichtet

Ferrit T38 (typisch)

180




Werkstoffvergleich: Frequenzgang

1

10

100

1.000

10.000

100.000

1.000.000

0,01 0,1 1 10 100 1000f (kHz)

Per

mea

bilit

ät µ

'




Werkstoffvergleich: stabileres Sättigungsverhalten

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

0 100 200 300 400Temperatur [°C]

Sätt

igun

gsin

dukt

ion

[T

] NANOPERM

Mn-Zn-Ferrit N67 T38




0

10

20

30

40

50

60

0,01 0,1 1,0 10,0 100,0Frequenz f (MHz)

Ein

fügu

ngsd

ämpf

ung

[dB

] NANOPERM

Ferrit

Werkstoffvergleich

Erhöhte Einfügungsdämpfung bei gleichem Bauvolumen Ø=30mm, N = 22 Wdgn.




0

20

40

60

80

100

120

0,1 1 10 100Frequenz f [MHz]

Stör

span

nung

[dbµ

V]

Ferrit Ø: 63mm, 3x22 Wdg., m = 380g

NANOPERM Ø: 40 mm, 3x32 Wdg., m = 94g

Werkstoffvergleich

Erreichung eines schärferen Störgrades im gleichen Gerät bei kleinerem Bauvolumen




Größenvergleich Nano/Ferrit

Nano-Drossel IN = 3 x 25A @ 60°C

LN = 3 x 1,6 mH @ 10kHz

m = 120g

Ferrit-Drossel IN = 3 x 25A @ 60°C

LN = 3 x 1,3 mH @ 10kHz

m = 350g




Werkstoffvergleich

20

10 100Frequenz[kHz]

Impe

danz

Z [k

Ω]

NANOPERM

N = 32,∅ = 40 mm

Ferrit

N = 22,∅ = 63 mm

4

12

1.000 10.000 100.000

Gleicher Impedanzverlauf bei reduziertem Bauvolumen




Herstellung von rascherstarrten Metallbändern

Schmelze, T= 1200°C

Banddicke ca. 20µm

v = 100km/h

Cu-Rad, T = 20°C

amorphes Banddtyp ~ 20µm

Keramik-Düse

© AMT




Schneiden der Metallbänder




Automatisches Wickeln der Ringbandkerne




Magnetfeldofen und Glühgestell für Längsfeldbehandlung

60 cm

300 cm




Beschichten der Ringbandkerne mit Epoxidharz




Lieferformen von NANOPERM - Ringbandkernen




- Zunahme der Anzahl der ‚Störer‘ und damit des Grundpegels u. a. durch Einzug industrieller Technik in den Haushaltsbereich

- Verschärfung der Grenzwerte- Erweiterung des Definitionsbereiches der Normen- Zusätzliche Normen (z. B. PFC)- neuartige Störer durch schnellere u. leistungsfähigere Schalter

- Zunahme der Kosten für Filtermaßnahmen- globale Einführung von EMV-Normen

Zusammenfassung

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