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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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
© MAGNETEC GmbH Dr. Fe 201/ 2001
- EMV Grundlagen
- Netzfilter
- stromkompensierte Funkentstördrosseln
- Vergleich: nanokristalline und Ferritkerne
- Herstellung von nanokristallinen Ringbandkernen
Vortragsübersicht
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
- 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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
+-
+-
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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]
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Magnet-TechnologieMAGNETEC
~ 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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Magnet-TechnologieMAGNETEC
EMV Grundlagen: normgerechter Meßaufbau f. Störpegel
Experiment!
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Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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]
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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 !
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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®)
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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!)
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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 ⇐
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
Koerzitivfeldstärke Hc als Funktion der Korngröße: D6-Abhängigkeit
© VAC
konventinelleWerkstoffeHc ~ 1/D
nano-WerkstoffHc ~ D6
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
-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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
'
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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.
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
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
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
Schneiden der Metallbänder
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
Automatisches Wickeln der Ringbandkerne
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
Magnetfeldofen und Glühgestell für Längsfeldbehandlung
60 cm
300 cm
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
Beschichten der Ringbandkerne mit Epoxidharz
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Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
Lieferformen von NANOPERM - Ringbandkernen
© MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 4001/ 2001
Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV
Magnet-TechnologieMAGNETEC
- 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