Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV Dr. Martin Ferch MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 1
- EMV Grundlagen - Netzfilter - stromkompensierte Funkentstördrosseln - Vergleich: nanokristalline und Ferritkerne - Herstellung von nanokristallinen Ringbandkernen Vortragsübersicht MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 2
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ist ein - angestrebter - Zustand: MAGNETEC die Fähigkeit eines Gerätes, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend 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 MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 3
Steilflankige Schaltcharakteristiken von Mikroprozessoren und Leistungshalbleitern sowie impulsförmige Stromentnahme 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 mprozessor-steuerung EMV Grundlagen: Ursachen/ Störquellen MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 4
- beim Einschalten der Energiesparleuchte (aus China) spielt die Waschmaschine verrückt - In englischen Streifenwagen wurde die Zentralverriegelung 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 MAGNETEC MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 5
230V- Netz ~ großer 50 Hz- Trafo Gleichrichter Siebung, Regelung DC- Ausgang + - 50-Hz-Netzteil - keine HF-Störpegel aber groß/schwer 230V- Netz ~ EMV- Filter Schalter, Regler kleiner 50 khz- Trafo Glättung Gleichrichter DC- Ausgang + - Schaltnetzteil - EMV Filter erforderlich, kompakt, leicht, effizient EMV Grundlagen: Störer-Beispiel Schaltnetzteile I MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 6
50-Hz-Netzteil Beispiel: Steckernetzgerät P s = 6 VA (12V / 0,5A) m = 440g η = 38 % Schaltnetzteil Beispiel: Notebook-NG P s = 30VA (15V / 2A) m = 220g η bis zu 95 % EMV Grundlagen: Störer-Beispiel Schaltnetzteile II MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 7
Typischer Spannungsverlauf und Oberwellenspektrum im Zwischenkreis eines Frequenzumrichters 50ms/unit T = 250ms Grundwelle 4 khz Harmonische (FFT) 0 20 40 60 80 100 khz [f] EMV Grundlagen: Ursachen für HF-Störungen MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 8
feldgebundene Störausbreitung kapazitive u. induktive Kopplung MAGNETEC leitungsgebundene Störausbreitung Störquelle Emission, Aussendung Störstrahlung E-Feld H-Feld I s U s Störsenke Immunität, Beeinflussbarkeit Störströme, Störspannungen Ausbreitungsarten von elektromagnetischen Störungen EMV Grundlagen: Szenario MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 9
100 ~ Anteil in % 50 leitungsgebundene Störausbreitung Filter feldegebundene Störausbreitung Abschirmung 0 1 khz 10 100 1 MHz 10 100 1GHz LW MW KW UKW Anteil der leitungsgeführten bzw. abgestrahlten Störenergie als Funktion der Frequenz Störfrequenz f EMV Grundlagen: Ausbreitungsarten von HF-Störungen MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 10
Quasi Peak Spannung U [dbµv] 100 80 60 40 Klasse A Industriebereich Klasse B Haushaltsbereich 1:100.000 1:10.000 1:1.000 150 khz Frequenz 30 MHz Störspannungs-Grenzwerte der EN 55011 (leitungsgebunden, 50Ω-System) EMV Grundlagen: Störpegel-Grenzwerte MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 11
Experiment! EMV Grundlagen: normgerechter Meßaufbau f. Störpegel MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 12
Us [dbµv] 80 60 40 20 0 0,1 1 10 f [MHz] unzureichende Entstörung, Grenzwertüberschreitung EN55011, Kl. B Us [dbµv] 80 60 40 20 0 ausreichende Entstörung, Grenzwerteinhaltung EN55011, Kl. B EMV Grundlagen: Störspannungsspektrum (Quasi-Peak) MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 13
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: Entstör-Maßnahmen MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 14
- 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: Trends, Ausblick MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 15
L 1 Filter MAGNETEC Netz N PE C x1 L C y2 C x2 C y2 R Last C xn C yn L R X-Kondensator (zw. den Leitungen) Y-Kondensator (zur Masse) stromkompensierte Ringkerndrossel Entladewiderstand Grundschaltung eines einphasigen EMV- Netzfilters EMV Grundlagen: Netzfilter MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 16
Entstörfilter sind nahezu immer als reflektierende Tiefpaßfilter ausgelegt, d. h. sie arbeiten nach dem Prinzip der Fehlanpassung. Ein Teil der hochfrequenten Störströme wird dabei als Erdableitstrom umgeleitet - nur ein geringer Teil wird absorbiert, z.b. in Form von (Kern-)Verlusten. Gegentakt- Störung f < 500kHz Störquelle C x1 C x1 C y2 Störsenke L streu C y2 Ausbreitungsrichtung der Störströme Gleichtakt- Störung f > 500kHz Störquelle C x1 C x2 C y2 Störsenke L N C y2 EMV Grundlagen: Funktionsprinzip eines Netzfilters MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 17
Meßsender (150kHz-30MHz) 1:1 1:1 Meßempfänger (selektives Voltmeter) 50 Ω Prüfling (Filter) 50 Ω U 1 U 2 α e = 20 log U 1 2 U 2 [db] Normgerechter Meßaufbau für Gegentakt-Einfügungsdämpfung α e EMV Grundlagen: Meßaufbau Einfügungsdämpfung MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 18
HF Strom Netzseite H Last H HF Lastseite 1-Phasen-Drossel Laststrom Erde Funktionsprinzip der stromkompensierten Drossel zur Dämpfung von (symmetrischen) Gleichtaktstörungen EMV Grundlagen: Drosselprinzip 3-Phasen-Drossel MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 19
Wichtigste Anforderungen an eine EMV-Filterdrossel: hohe Impedanz (f = 150 khz bis 30 MHz) Z(f) = ωl(f) = 2πf L(f) L(f) = A L n 2 mit A L = µ 0 µ r (f) A fe /l f Windungszahl rel. Permeabilität! Eisenquerschnitt EMV Grundlagen: Werkstoffauswahl MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 20
- 1987: Patent für ein völlig neuartiges Magnetmaterial mit exzellenten weichmagnetischen Eigenschaften durch Yoshizawa, Oguma u. Yamauchi (Hitachi, Japan) Legierungszusammensetzung: Fe 73 Cu 1 Nb 3 Si 16 B 7 Herstellungsverfahren: Rascherstarrung Materialstruktur: 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 ) Werkstoffe: Historie nanokristalliner Materialien MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 21
Induktion B Bs Br Hc Hs Feldstärke H Bs: Sättigungsinduktion (hoch!) Hc: Koerzitiv-Feldstärke (gering!) Br: Remanenz (gering!) Hs: Sättigungsfeldstärke (hoch!) Kenngrößen weichmagnetischer Werkstoffe; Hysterese MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 22
Werkstoff Permeabilität µ r (10 / 100kHz) Sättigungsinduktion Bs [T] (25 / 100 C) Curietemperatur Tc [ C] max. Anwendungstemp. [ C] Ferrit 3E7 15.000 / 12.000 0,38 / 0,21 >130 95 Ferrit T38 10.000 / 10.000 0,38 / 0,23 >130 95 NANOPERM 100.000 / 20.000 } 80.000 / 28.000 1,2 / 1,18 600 120 (180) 30.000 / 20.000 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 Werkstoffvergleich MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 23
nano- Werkstoff H c ~ D 6 konventinelle Werkstoffe H c ~ 1/D Koerzitivfeldstärke H c als Funktion der Korngröße: D 6 -Abhängigkeit VAC MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 24
1,5 1,0 NANOPERM µ = 80.000 µ = 30.000 0,5 B [T] 0-0,5-1,0 Ferrit T 38 µ = 10.000 f = 1 Hz -1,5-1000 -500 0 H [ma/cm] 500 1000 Hysteresen, Sättigungsfeldstärke bei variabler Permeabilität Werkstoffvergleich MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 25
50.000 Permeabilität @ 10kHz/3mA/cm 40.000 30.000 20.000 10.000 NANOPERM Kern 25x16x10 mm epoxy-beschichtet Ferrit T38 (typisch) 0-30 20 70 120 170 180 Temperatur [ C] Konstante Permeabilität bis hin zu wesentlich höheren Temperaturen Werkstoffvergleich MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 26
1.000.000 100.000 Permeabilität µ' 10.000 1.000 100 10 1 0,01 0,1 1 f (khz) 10 100 1000 Werkstoffvergleich: Frequenzgang MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 27
1,4 Sättigungsinduktion [T] 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Mn-Zn-Ferrit N67 T38 NANOPERM 0 0 100 200 300 400 Temperatur [ C] Werkstoffvergleich: stabileres Sättigungsverhalten MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 28
60 MAGNETEC Einfügungsdämpfung [db] 50 40 30 20 10 NANOPERM Ferrit 0 0,01 0,1 1,0 10,0 100,0 Frequenz f (MHz) Erhöhte Einfügungsdämpfung bei gleichem Bauvolumen Ø=30mm, N = 22 Wdgn. Werkstoffvergleich MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 29
120 MAGNETEC Störspannung [dbµv] 100 80 60 40 20 Ferrit Ø: 63mm, 3x22 Wdg., m = 380g NANOPERM Ø: 40 mm, 3x32 Wdg., m = 94g 0 0,1 1 10 100 Frequenz f [MHz] Erreichung eines schärferen Störgrades im gleichen Gerät bei kleinerem Bauvolumen Werkstoffvergleich MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 30
Ferrit-Drossel I N = 3 x 25A @ 60 C L N = 3 x 1,3 mh @ 10kHz m = 350g Größenvergleich Nano/Ferrit Nano-Drossel I N = 3 x 25A @ 60 C L N = 3 x 1,6 mh @ 10kHz m = 120g MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 31
20 MAGNETEC NANOPERM N = 32, = 40 mm Impedanz Z [k W] 12 4 Ferrit N = 22, = 63 mm 10 100 1.000 10.000 100.000 Frequenz[kHz] Gleicher Impedanzverlauf bei reduziertem Bauvolumen Werkstoffvergleich MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 32
Banddicke ca. 20µm AMT Schmelze, T= 1200 C Keramik- Düse Cu-Rad, T = 20 C amorphes Band d typ ~ 20µm v = 100km/h Herstellung von rascherstarrten Metallbändern MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 33
Schneiden der Metallbänder MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 34
Automatisches Wickeln der Ringbandkerne MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 35
300 cm 60 cm Magnetfeldofen und Glühgestell für Längsfeldbehandlung MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 37
Beschichten der Ringbandkerne mit Epoxidharz MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 38
Lieferformen von NANOPERM - Ringbandkernen MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 39
- 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 MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 40