Drosseln aus nanokristallinen Kernen

Paul-Martin Kamprath | Leitung Marketing | pk components GmbH
Serges Donkap | Head of R&D - Germany | Tech Power Electronics Group

Umgangssprachlich werden stromkompensierte Drosseln, die auf nanokristallinem Kernmaterial basieren, als „nanokristalline Drosseln“ bezeichnet. Ihre besonderen Eigenschaften und die vielseitigen Einsatzmöglichkeiten des Kernmaterials machen sie besonders interessant.

Das Kernmaterial besteht aus einer metallischen Wicklung, deren Folie (Band) in der Regel eine Dicke von etwa 20 µm aufweist. Die genaue Materialzusammensetzung variiert je nach Hersteller, weist jedoch meist Eisen, Silicium, Bor, Niob und geringe Mengen Kupfer als Hauptbestandteile auf. Diese Bänder werden mithilfe der Rascherstarrungstechnologie zunächst in einem amorphen Zustand hergestellt. Anschließend erfolgt eine gezielte Wärmebehandlung und/oder Magnetfeldbehandlung unter kontrollierten Bedingungen, um die gewünschten magnetischen Eigenschaften zu erzielen.

Im Vergleich zu Ferritkernen zeichnen sich nanokristalline Kerne insbesondere durch ihre hohe Permeabilität und vorteilhaften Sättigungseigenschaften aus. Bei gleicher Baugröße kann ein nanokristalliner Kern eine bis zu 10.000-fach höhere Permeabilität als ein Ferritkern erreichen. Dadurch lassen sich deutlich kleinere Drosseln realisieren – das Volumen kann um etwa 60–70 % und das Gewicht um bis zu 80 % reduziert werden.

Nanokristalliner Kern

Mit einer Sättigungsflussdichte von B_sat ≈ 1,25 T bietet der nanokristalline Kern bei geschlossenem magnetischem Weg eine deutlich spätere Sättigung im Vergleich zu einem Ferritkern, dessen maximale Sättigung im Durchschnitt bei B_sat ≈ 0,5 T liegt. Dies macht nanokristalline Kerne besonders im Leistungsbereich interessant, da hier mit höheren Störströmen zu rechnen ist.

Unser Lieferant Tech Power Electronics Group (TPEG) hat für uns zwei Paare stromkompensierter Drosseln entwickelt, jeweils bestehend aus einem Ferritkern und einem nanokristallinen Kern, die bei gleicher Strombelastbarkeit und Induktivität (4,2 mH / 14 A & 3 mH / 32 A) einen direkten Vergleich ermöglichen. Dabei zeigen sich weitere interessante Eigenschaften: Die Resonanzfrequenz, also der Punkt, ab dem die Drossel zunehmend kapazitiv wirkt, liegt beim nanokristallinen Kern deutlich höher. Dadurch lässt sich eine äußerst breitbandige Filterwirkung erzielen. Ein weiterer wichtiger Aspekt im Vergleich: Die Induktivität von Drosseln mit nanokristallinen Kernen fällt bei höheren Frequenzen früher ab. Zudem sind die Reduzierungen in Volumen und Gewicht gegenüber Ferritkernen mehr als deutlich – wie in den Bildern zu erkennen ist.

Ein großes Einsatzgebiet von nanokristallinen Kernen sind EMV-Anwendungen, vorrangig zur Entstörung von Gleichtaktsignalen. Sie werden jedoch auch gerne für Stromsensoren und Transformatoren eingesetzt.

Für die Entwicklung von stromkompensierten Drosseln sind diese Kerne durch ihre vielfältigen Möglichkeiten interessant. Die Materialbeschaffung ermöglicht es sehr einfach einen Kern mit gewünschter Permeabilität zu erhalten. So lassen sich die Eigenschaften der Drossel optimal auf die Anwendung anpassen.

Mit dem Markteintritt von asiatischen Kernherstellern sind die Kosten bei den Standardmaterialien gesunken. Im direkten Kalkulationsvergleich mit Drosseln aus Ferriten haben wir herausgefunden, dass auch ein erhebliches Potential einer Kostensenkung besteht. Aufgrund der Miniaturisierung bei gleichen Leistungsdaten wird weniger Material verbraucht, was z.B. bei den zwischenzeitlich hohen Kupferpreisen sich stark preisssenkend auswirkt. In Verbindung mit dem technischen Vorteil der nanokristallinen Drossel sind diese Bauelemente besonders bei EMV-Anwendungen somit auch wirtschaftlich interessant. Das multipliziert sich bei Anwendungen im höheren Leistungsbereich.

Für eine nähere Betrachung die Datenblätter obiger stromkompensierter Drosseln:

Drossel 4,2mH/14A Ferritkern
Drossel 4,2mH/14A nanokristalliner Kern
Drossel 3,0mH/32A Ferritkern
Drossel 3,0mH/32A nanokristalliner Kern

Nutzen Sie die folgenden Formblätter zur Angabe Ihrer Spezifikationen. Unsere FAEs können Sie bei Bedarf gerne unterstützen.