EP0771011A1 - Noyau magnétique mixte - Google Patents

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EP0771011A1
EP0771011A1 EP96402193A EP96402193A EP0771011A1 EP 0771011 A1 EP0771011 A1 EP 0771011A1 EP 96402193 A EP96402193 A EP 96402193A EP 96402193 A EP96402193 A EP 96402193A EP 0771011 A1 EP0771011 A1 EP 0771011A1
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EP
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core
magnetic
air gap
ferrite
permeability
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EP96402193A
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François Thomson-CSF SCPI Beauclair
Jean-Pierre Thomson-CSF SCPI Delvinquier
Richard Thomson-CSF SCPI Lebourgeois
Michel Thomson-CSF SCPI Pate
Claude Thomson-CSF SCPI Rohart
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/0206—Manufacturing of magnetic cores by mechanical means
    • H01F41/0246—Manufacturing of magnetic circuits by moulding or by pressing powder

Definitions

  • the present invention relates to a mixed magnetic core, in particular for inductors or transformers.
  • the inductors thus produced may serve as filtering inductors or be used in power converters working at frequencies close to or greater than about 0.1 MHz.
  • An inductance of a few micro-Henrys will include a few turns or a low-permeability core.
  • a small number of turns having a high potential difference at its terminals generates a high magnetic induction in the core.
  • the losses in the nucleus are at least proportional to the square of the induction, they increase very quickly when the number of turns decreases.
  • a large number of turns is required, which imposes a core with low permeability.
  • inductors with a composite magnetic core with distributed air gap. These materials consist of ferromagnetic powder alloys dispersed in a dielectric binder. The radiation losses are reduced compared to the nuclei with localized air gap.
  • powders iron and iron-cabonyl powders whose permeability ranges from approximately 5 to 250 and powders based on iron-nickel alloys whose permeability ranges from approximately 14 to 550.
  • the losses in these materials are 15 to 20 times greater than those of massive power ferrites under the same frequency, induction and temperature conditions.
  • the present invention provides a magnetic core having high induction losses of the order of those of polycrystalline magnetic ceramics and a permeability reduced by a factor of about 100 compared to that of these permeability materials generally between 700 and 3000.
  • the present invention relates to a magnetic core comprising a polycrystalline magnetic ceramic body with at least one air gap located.
  • the localized air gap is made of a composite magnetic material.
  • the composite magnetic material can be made from ferromagnetic alloys such as iron-carbonyl or iron-nickel powders embedded in a dielectric binder or based on polycrystalline magnetic ceramic plates embedded in a dielectric binder and oriented with their faces. main substantially parallel to the magnetic field.
  • ferromagnetic alloys such as iron-carbonyl or iron-nickel powders embedded in a dielectric binder or based on polycrystalline magnetic ceramic plates embedded in a dielectric binder and oriented with their faces. main substantially parallel to the magnetic field.
  • the dielectric binder can be an epoxy, phenolic, polyimide or acrylic-based resin.
  • the localized air gap can be made integral with the body by gluing or else inserted directly by molding.
  • Such a core can work at higher inductions than the available materials for the same level of losses and the same permeability.
  • Such a core has a volume lower than those available for the same level of losses and the same permeability.
  • the present invention also relates to an inductor and a transformer which include such a core.
  • FIG. 1 schematically shows an O-ring according to the invention.
  • This core comprises a body 1 of polycrystalline magnetic ceramic with at least one localized air gap 2.
  • the air gap 2 is made of a composite magnetic material.
  • the body 1 can be a power ferrite of the PC50 type from TDK, of the F4 type from the LCC, of the 3F4 type from the Philips. Its permeability is worth approximately 1000 to 1 MH z.
  • the air gap 2 can be a composite based on powdered ferromagnetic alloys, such as iron-carbonyl or iron-nickel powders, dispersed in a dielectric binder.
  • powdered ferromagnetic alloys such as iron-carbonyl or iron-nickel powders
  • the grains will preferably be chemically passivated to avoid their oxidation.
  • the binder can be an epoxy, phenolic, polyimide or acrylic-based resin.
  • the air gap can be a composite of the A08 type from Saphyr, of the T26 type from Micrometal, from the 55,000 or 58,000 series from Magnetics. Its permeability is of the order of 10 to 1 MHz.
  • the width e of the air gap 2 is about a quarter of the perimeter of the core.
  • the width of the gap was very small compared to that of the body to avoid radiation leaks which are disruptive for the components placed near the core.
  • the air gap 2 of composite material channels the flow and the radiation leaks are practically eliminated.
  • the permeability ⁇ a is therefore worth approximately 34 which is perfectly acceptable for an application in converters with a high level of integration.
  • FIG. 2 gives the variation of the apparent permeability of a ferrite / iron-carbonyl toric core according to the invention as a function of ⁇ .
  • the total losses measured under the same conditions for the solid iron-carbonyl composite material amount to 2.5 W / cm 3 .
  • the gain is more than 10.
  • the fact of introducing a localized air gap 2 made of composite magnetic material having high losses has practically not degraded the losses of the core compared to those of the body of ferrite of spinel type.
  • the air gap 2 can also be made of a composite magnetic material such as that described in the French patent application filed on September 19, 1995 under No. 95 10952 by the applicant.
  • This composite magnetic material comprises polycrystalline magnetic ceramic plates embedded in a dielectric binder.
  • the plates are oriented so that their main faces are substantially parallel to the magnetic field to which the core is intended to be subjected.
  • the binder is resin, for example of the epoxy, phenolic, polyimide or acrylic-based type.
  • the plates are stacked in strata and embedded in the binder. There may be one or more plates per strata. From one stratum to another the plates can be arranged in columns or staggered.
  • the air gap 2 can be made integral with the body 1 by gluing, for example. It can also be molded directly in its place.
  • FIG. 4 shows an example of inductance produced from an O-ring core with a ferrite body 30 and four localized air gaps 31 arranged regularly in the body 30. These air gaps 31 are produced with plates 33 embedded in a dielectric binder 34 as previously described.
  • This inductance also includes a coil 32 preferably located on the body 30 so as to minimize the interaction of the coil 32 with the air gaps 31 made of composite magnetic material having a lower permeability than that of the body 30.
  • the conductors used for the coil 32 preferably will be multi-strand enameled or Litz wires so as to reduce copper losses at frequencies above about 50 kHz. These inductors can be used as a filter inductor or as an inductor for resonant converters.
  • an inductor To produce an inductor according to the invention, one begins by choosing the material of the core body as a function of the frequency at which the inductor must operate and the apparent permeability which it must have. Then from the permeability that this material has, the dimensions of the air gap (s) and their load of magnetic material are calculated to obtain the desired apparent permeability.
  • Figure 5 shows a transformer according to the invention. It comprises a core 50 in E with rectangular legs including a central 52 and two ends 51.
  • This core 50 comprises a body 53 made of ferrite and at each leg 51, 52 a localized air gap 54 made of composite magnetic material.
  • Two windings 55, 56 around the extreme legs 51 contribute to forming the primary and the secondary of the transformer. These windings do not surround the air gaps 54.
  • the air gaps all had the same shape. It is understood that they can have different shapes, different compositions and different magnetic material charges.

Abstract

La présente invention concerne un noyau magnétique comportant un corps (1) en céramique magnétique polycristalline et au moins un entrefer (2) localisé en matériau magnétique composite. Application : noyaux pour inductances ou transformateurs. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un noyau magnétique mixte notamment pour inductances ou transformateurs.
    Les inductances ainsi réalisées pourront servir d'inductances de filtrage ou être utilisées dans des convertisseurs de puissance travaillant à des fréquences voisines ou supérieures à environ 0,1 MHz.
  • Les développements des systèmes électroniques cherchent à miniaturiser les sources d'alimentation. Le passage des régulateurs à structure linéaire aux convertisseurs à découpage a constitué un pas décisif pour la diminution de l'encombrement et l'amélioration des performances des sources d'alimentation. La fréquence de découpage n'a cessé d'augmenter dans le but de poursuivre la miniaturisation. Les convertisseurs actuels atteignent et même dépassent un mégahertz. Les architectures nécessitent des inductances de faibles valeurs (quelques micro-Henry) devant présenter des pertes totales (pertes du conducteur et du circuit magnétique) faibles sous forte induction et utilisant des matériaux de faible perméabilité (inférieure à environ 200).
  • Les matériaux magnétiques à perméabilité réduite actuellement disponibles sur le marché présentent sous forte induction (supérieure à environ 10 mT) des pertes très élevées qui font qu'aujourd'hui les composants magnétiques sont les composants les plus encombrants des convertisseurs. Pour les matériaux magnétiques existants la faible perméabilité et les faibles pertes sont des caractéristiques contradictoires.
    Une inductance de quelques micro-Henry comportera quelques spires ou un noyau à faible perméabilité.
  • Un faible nombre de spires ayant à une différence de potentiel élevée à ses bornes génère une induction magnétique élevée dans le noyau. Comme les pertes dans le noyau sont au moins proportionnelles au carré de l'induction, elles croissent très vite lorsque le nombre de spires décroît. Pour obtenir des pertes réduites, il faut un grand nombre de spires ce qui impose un noyau à faible perméabilité.
  • Il existe des inductances à air, à noyau amagnétique. Leur perméabilité est égale à un et les pertes dans le noyau son nulles. Leur encombrement est important à cause de la perméabilité égale à un du noyau amagnétique. Les pertes "cuivre" dissipées par le bobinage sont importantes. Les perturbations électromagnétiques générées sont gênantes pour le voisinage et difficiles à éliminer.
  • Il existe des inductances à noyau magnétique en céramique polycristalline, telle que les ferrites de type spinelle, à entrefer localisé à air. Le ferrite malgré ses pertes de l'ordre du centième ou du dixième de W/cm3, selon l'induction et la fréquence, présente des perméabilités proches de 1000, ce qui est beaucoup trop élevé pour l'application des convertisseurs. Les ferrites à faible perméabilité comme le ferrite de nickel qui présente une perméabilité égale à 10, ont des pertes trop élevées pour l'application des convertisseurs.
  • Il existe aussi des inductances à noyau magnétique composite à entrefer réparti. Ces matériaux sont constitués d'alliages ferromagnétiques en poudre dispersés dans un liant diélectrique. Les pertes par rayonnement sont diminuées par rapport aux noyaux à entrefer localisé. Il y a essentiellement deux catégories de poudres : les poudres de fer et de fer-cabonyle dont la perméabilité va de 5 à 250 environ et les poudres à base d'alliages de fer-nickel dont la perméabilité va de 14 à 550 environ.
  • Les pertes dans ces matériaux sont 15 à 20 fois plus fortes que celles des ferrites de puissance massifs dans les mêmes conditions de fréquence, d'induction et de température.
  • Par exemple, les meilleurs matériaux magnétiques composites du marché ont les caractéristiques suivantes pour des échantillons toriques de diamètre moyen égal à 10 mm, à température ambiante, pour une induction de 30 mT à 1MHz :
    • . fer-carbonyl : pertes supérieures à 1,5 W/cm3
    • . fer-nickel : pertes supérieures à 2 W/cm3
  • La présente invention propose un noyau magnétique possédant à induction élevée des pertes de l'ordre de celles des céramiques magnétiques polycristallines et une perméabilité réduite d'un facteur 100 environ par rapport à celle de ces matériaux de perméabilité généralement comprise entre 700 et 3000.
  • La présente invention concerne un noyau magnétique comportant un corps en céramique magnétique polycristalline avec au moins un entrefer localisé. L'entrefer localisé est réalisé dans un matériau magnétique composite.
  • De préférence, la céramique magnétique polycristalline du corps est un ferrite de type spinelle répondant à la formule Mx Zny Fe2+αO4 où M est un ion manganèse ou nickel et x + y +α = 1.
  • Le matériau magnétique composite peut être réalisé à base d'alliages ferromagnétiques tels que des poudres de fer-carbonyl ou de fer-nickel noyés dans un liant diélectrique ou à base de plaquettes en céramique magnétique polycristalline noyées dans un liant diélectrique et orientées avec leurs faces principales sensiblement parallèles au champ magnétique.
  • La céramique magnétique polycristalline des plaquettes est de préférence un ferrite de type spinelle répondant à la formule : M'x' Zny' Fe2+α'O4 où M' est un ion manganèse ou nickel et x' + y' +α' = 1.
  • Le liant diélectrique peut être une résine de type époxyde, phénolique, polyimide ou à base acrylique.
  • L'entrefer localisé peut être rendu solidaire du corps par collage ou bien inséré directement par moulage.
  • Un tel noyau peut travailler à des inductions plus élevées que les matériaux disponibles pour un même niveau de pertes et une même perméabilité.
  • Un tel noyau a un volume inférieur à ceux disponibles pour un même niveau de pertes et une même perméabilité.
  • La présente invention concerne également une inductance et un transformateur qui comportent un tel noyau.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description de certains exemples de réalisation, illustrés par les figures suivantes qui représentent :
    • la figure 1 : un noyau torique selon l'invention ;
    • la figure 2 : la variation de la perméabilité apparente d'un noyau torique mixte ferrite/fer-carbonyl selon l'invention en fonction d'ε ; ε étant le rapport de la largeur de l'entrefer sur la longueur magnétique équivalente du noyau ;
    • la figure 3 : les pertes totales en fonction de l'induction et de la température d'un noyau torique mixte ferrite/fer-carbonyl selon l'invention ;
    • la figure figure une inductance selon l'invention ;
    • la figure 5 : un transformateur selon l'invention.
  • La figure 1 montre de manière schématique un noyau torique conforme à l'invention. Ce noyau comporte un corps 1 en céramique magnétique polycristalline avec au moins un entrefer 2 localisé. L'entrefer 2 est réalisé dans un matériau magnétique composite.
  • Le fait d'insérer un entrefer localisé 2 dans le circuit magnétique formé par le corps en céramique magnétique polycristalline permet d'abaisser la perméabilité du corps sans pratiquement augmenter ses pertes. La céramique magnétique polycristalline est un ferrite de type spinelle répondant à la formule Mx Zny Fe2+α O4 où M est un ion manganèse ou nickel et x + y + α = 1.
  • Le corps 1 peut être un ferrite de puissance de type PC50 de chez TDK, de type F4 de chez LCC, de type 3F4 de chez Philips. Sa perméabilité vaut environ 1000 à 1 MH z.
  • L'entrefer 2 peut être un composite à base d'alliages ferromagnétiques en poudre, tels que des poudres de fer-carbonyl ou de fer-nickel, dispersés dans un liant diélectrique. Dans le cas de poudre de fer-carbonyl, les grains seront de préférence passivés chimiquement pour éviter leur oxydation.
  • Le liant peut être une résine époxyde, phénolique, polyimide ou à base acrylique.
  • L'entrefer peut être un composite de type A08 de chez Saphyr, de type T26 de chez Micrométal, de la série 55 000 ou 58 000 de chez Magnetics. Sa perméabilité est de l'ordre de 10 à 1 MHz.
  • Sur la figure 1, la largeur e de l'entrefer 2 vaut environ un quart du périmètre du noyau. Dans les noyaux existants, à entrefer à air, la largeur de l'entrefer était très petite devant celle du corps pour éviter les fuites par rayonnement qui sont perturbatrices pour les composants placés à proximité du noyau. Dans un noyau selon l'invention, l'entrefer 2 en matériau composite canalise le flux et les fuites par rayonnement sont pratiquement éliminées.
  • La perméabilité apparente µa d'un noyau tel que celui représenté à la figure 1 est donnée en première approximation par : µa= µ1.µ2 µ2+ε.µ1
    Figure imgb0001
     où ε= e Lm
    Figure imgb0002
    • e : largeur de l'entrefer
    • Lm : longueur magnétique équivalente du noyau
    • µ1 : perméabilité du corps en ferrite
    • µ1 ≈ 1 000 pour un ferrite MnZn
    • µ2 : perméabilité de l'entrefer en matériau magnétique composite
    • µ2 ≈ 10 pour un composite fer-carbonyl.
  • La perméabilité µa vaut donc environ 34 ce qui est tout à fait acceptable pour une application dans les convertisseurs à haut niveau d'intégration.
  • La figure 2 donne la variation de la perméabilité apparente d'un noyau torique ferrite/fer-carbonyl selon l'invention en fonction de ε.
  • La perméabilité d'un tel noyau a été considérablement réduite dès l'introduction d'un entrefer dont la largeur représente 20 % de la longueur magnétique équivalente du noyau.
  • Des mesures des pertes totales d'un noyau torique en ferrite/fer carbonyl tel que celui de la figure 1 sont données en figure 3 en fonction de l'induction et de la température. On observe des pertes très faibles dans une large plage de température. Elles sont compatibles avec la majorité des applications des convertisseurs. Les pertes totales d'un noyau torique ferrite fer/carbonyl selon l'invention à 80° C et à 30 mT s'élèvent à 0,22 W/cm3.
  • Les pertes totales mesurées dans les mêmes conditions pour le matériau composite fer-carbonyl massif s'élèvent à 2,5 W/cm3. Le gain est de plus de 10. Le fait d'introduire un entrefer localisé 2 en matériau magnétique composite possédant des pertes élevées n'a pratiquement pas dégradé les pertes du noyau par rapport à celles du corps en ferrite de type spinelle.
  • L'entrefer 2 peut aussi être réalisé dans un matériau magnétique composite tel que celui décrit dans la demande de brevet français déposée le 19 septembre 1995 sous le n° 95 10952 par la demanderesse.
  • Ce matériau magnétique composite comporte des plaquettes en céramique magnétique polycristalline noyées dans un liant diélectrique. Les plaquettes sont orientées de manière à ce que leurs faces principales soient sensiblement parallèles au champ magnétique auquel le noyau est destiné à être soumis. La céramique magnétique polycristalline est un ferrite de type spinelle répondant à la formule :

            M'x' Zny' Fe2+α' O4

    avec x'+y'+α' = 1,
    où M' est un ion manganèse ou nickel.
  • Le liant est de la résine par exemple de type époxyde, phénolique, polyimide ou à base acrylique.
  • Les plaquettes sont empilées en strates et noyées dans le liant. Il peut y avoir une ou plusieurs plaquettes par strates. D'une strate à l'autre les plaquettes peuvent être disposées en colonnes ou en quinconce.
  • L'entrefer 2 peut être rendu solidaire du corps 1 par collage par exemple. Il peut également être moulé directement à sa place.
  • La présente invention conceme aussi une inductance réalisée à partir d'un tel noyau. La figure 4 montre un exemple d'inductance réalisée à partir d'un noyau torique avec un corps 30 en ferrite et quatre entrefers localisés 31 disposés régulièrement dans le corps 30. Ces entrefers 31 sont réalisés avec des plaquettes 33 noyées dans un liant diélectrique 34 comme décrit précédemment. Cette inductance comporte aussi un bobinage 32 situé de préférence sur le corps 30 de manière à minimiser l'interaction du bobinage 32 avec les entrefers 31 en matériau magnétique composite possédant une perméabilité plus faible que celle du corps 30. Les conducteurs utilisés pour le bobinage 32 seront de préférence des fils multibrins émaillés ou de Litz de manière à diminuer les pertes cuivre à des fréquences supérieures à environ 50 kHz. Ces inductances peuvent servir d'inductance de filtrage ou d'inductance de convertisseurs résonnants.
  • Pour réaliser une inductance selon l'invention on commence par choisir le matériau du corps du noyau en fonction de la fréquence à laquelle doit fonctionner l'inductance et de la perméabilité apparente qu'elle doit avoir. Puis à partir de la perméabilité que possède ce matériau, on calcule les dimensions de ou des entrefers et leur charge en matériau magnétique pour obtenir la perméabilité apparente désirée.
  • La figure 5 montre un transformateur selon l'invention. Il comporte un noyau 50 en E à jambes rectangulaires dont une centrale 52 et deux extrêmes 51. Ce noyau 50 comporte un corps 53 en ferrite et au niveau de chaque jambe 51, 52 un entrefer localisé 54 en matériau magnétique composite.
    Deux bobinages 55, 56 autour des jambes extrêmes 51 contribuent à former le primaire et le secondaire du transformateur. Ces bobinages n'entourent pas les entrefers 54.
  • Dans les exemples décrits les entrefers avaient tous la même forme. Il est bien entendu qu'ils peuvent avoir des formes différentes, des compositions différentes et des charges en matériau magnétique différentes.

Claims (12)

  1. Noyau magnétique comportant un corps (1) en céramique magnétique polycristalline et au moins un entrefer (2) localisé en matériau magnétique composite, caractérisé en ce que le matériau magnétique composite est réalisé à partir de plaquettes (33) de céramique magnétique polycristalline noyées dans un liant diélectrique (34), les plaquettes (33) étant orientées de manière à ce que leurs faces principales soient sensiblement parallèles au champ magnétique auquel le noyau est destiné à être soumis.
  2. Noyau selon la revendication 1, caractérisé en ce que la céramique magnétique polycristalline du corps (1) est un ferrite de type spinelle répondant à formule :

            MxZnyFe2+α O4

    où M est un ion manganèse ou nickel et x + y + α = 1
  3. Noyau selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la céramique magnétique polycristalline des plaquettes est un ferrite de type spinelle répondant à la formule :

            M'X'Zny' Fe2+α' O4

    où M' est un ion manganèse ou nickel et x' + y' + α' = 1
  4. Noyau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le liant diélectrique est une résine de type époxyde, phénolique, polyimide ou à base acrylique.
  5. Noyau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'entrefer (2) localisé est rendu solidaire du corps (1) par collage.
  6. Noyau selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'entrefer (2) localisé est rendu solidaire du corps (1) par moulage.
  7. Inductance caractérisée en ce qu'elle comporte un noyau selon l'une des revendications 1 à 6.
  8. inductance selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un bobinage (32) situé au niveau du corps (30) du noyau.
  9. inductance selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le bobinage (32) est réalisé avec des conducteurs multibrins.
  10. Transformateur caractérisé en ce qu'il comporte un noyau selon l'une des revendications 1 à 6.
  11. Transformateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un bobinage (55, 56) situé au niveau du corps (50) du noyau.
  12. Transformateur selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le bobinage (51) est réalisé avec des conducteurs multibrins.
EP96402193A 1995-10-24 1996-10-15 Noyau magnétique mixte Expired - Lifetime EP0771011B1 (fr)

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