Grundlagen der Elektromagnetischen ... - MAGNETEC GmbH

MAGNETEC 

Magnet-Technologie 

Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische 

Verträglichkeit -EMV EMV 

Dr. Martin Ferch 

Moderne Magnetwerkstoffe für die elektromagnetische Verträglichkeit -EMV 

© MAGNETEC GmbH, Langenselbold www.magnetec.de Dr. Fe 1 

01/ 2001

- EMV Grundlagen 

- Netzfilter 

- stromkompensierte Funkentstördrosseln 

- Vergleich: nanokristalline und Ferritkerne 



- Herstellung von nanokristallinen Ringbandkernen 

Vortragsübersicht 


© MAGNETEC GmbH, GmbH Langenselbold www.magnetec.de 01/ 2001 Dr. Fe 2

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) 

ist ein - angestrebter - Zustand: 



„ 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 


01/ 2001



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 



01/ 2001

- 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 





01/ 2001

230V- 

Netz 

~ 

230V- 

Netz 

~ 

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

EMV- 

Filter 

großer 

50 Hz- 

Trafo 

Schalter, 

Regler 

Gleichrichter 

kleiner 

50 kHz- 

Trafo 



Siebung, 

Regelung DC- 

Ausgang 

+ 

- 

Gleichrichter 

Glättung DC- 

Ausgang 

Schaltnetzteil - EMV Filter erforderlich, kompakt, leicht, effizient 

EMV Grundlagen: Störer-Beispiel Schaltnetzteile I 



01/ 2001 

+ 

-

Schaltnetzteil 

Beispiel: Notebook-NG 

P s = 30VA (15V / 2A) 

m = 220g 

η bis zu 95 % 



50-Hz-Netzteil 

Beispiel: Steckernetzgerät 

P s = 6 VA (12V / 0,5A) 

m = 440g 

η = 38 % 

EMV Grundlagen: Störer-Beispiel Schaltnetzteile II 



01/ 2001

Typischer 

Spannungsverlauf und 

Oberwellenspektrum im 

Zwischenkreis eines 

Frequenzumrichters 

Grundwelle 4 kHz 

50ms/unit 

T = 250ms 

EMV Grundlagen: Ursachen für HF-Störungen 



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



01/ 2001

feldgebundene 

Störausbreitung 

Störquelle 

Emission, 

Aussendung 

Störstrahlung 

kapazitive u. 

induktive Kopplung 

E-Feld 

H-Feld 

EMV Grundlagen: Szenario 



leitungsgebundene 


Störsenke 

Immunität, 

Beeinflussbarkeit 

Störströme, 

Störspannungen 

Ausbreitungsarten von elektromagnetischen Störungen 



01/ 2001 

I s 

U s

~ Anteil in % 

100 

50 

leitungsgebundene 


⇒ Filter 



0 

1 kHz 10 100 1 MHz 10 100 1GHz 

LW 

feldegebundene 


⇒ Abschirmung 

MW KW UKW 

Anteil der leitungsgeführten bzw. abgestrahlten 

Störenergie als Funktion der Frequenz 

Störfrequenz f 

EMV Grundlagen: Ausbreitungsarten von HF-Störungen 



01/ 2001

Quasi Peak Spannung U [dBμV] 

100 

80 

60 

40 

150 kHz 

Klasse A Industriebereich 

Klasse B Haushaltsbereich 

Frequenz 



30 MHz 

EMV Grundlagen: Störpegel-Grenzwerte 


1:100.000 

1:10.000 

1:1.000 

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


01/ 2001



Experiment! 

EMV Grundlagen: normgerechter Meßaufbau f. Störpegel 



01/ 2001

Us [dBμV] 

Us [dBμV] 

80 

60 

40 

20 

0 

0,1 

80 

60 

40 

20 

0 

1 10 f [MHz] 



unzureichende 

Entstörung, Grenzwertüberschreitung 

EN55011, Kl. B 

ausreichende 

Entstörung, Grenzwerteinhaltung 

EN55011, Kl. B 

EMV Grundlagen: Störspannungsspektrum (Quasi-Peak) 



01/ 2001

Zur Erreichung der EMV geeignete Maßnahmen: 

a) hinsichtlich Emissionen (kritisch) 

- Filter zur Bedämpfung der leitungsgebundenen Störungen 

- Abschirmungen zur Bedämpfung der abgestrahlten Störungen 

EMV Grundlagen: Entstör-Maßnahmen 



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

- Einsatz von Glasfaserkabeln 

b) hinsichtlich Störfestigkeit (weniger kritisch) 

- nichtlineare Überspannungs-Schutzelemente 

- Einsatz von Optokopplern 



01/ 2001



- 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 



01/ 2001

Netz 

L 1 

C x1 

L 

EMV Grundlagen: Netzfilter 



Last 



01/ 2001 

C y2 

C x2 

C y2 

N R 

PE 

C xn X-Kondensator (zw. den Leitungen) 

C yn Y-Kondensator (zur Masse) 

L stromkompensierte Ringkerndrossel 

R Entladewiderstand 

Filter 

Grundschaltung eines einphasigen EMV- Netzfilters



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 

Ausbreitungsrichtung 

der Störströme 

Gleichtakt- 

Störung 

f > 500kHz 

Störquelle 

Störquelle 

C x1 

C x1 

L streu 

EMV Grundlagen: Funktionsprinzip eines Netzfilters 



01/ 2001 

L N 

C y2 

C y2 

C x1 

C x2 

C y2 

C y2 

Störsenke 

Störsenke

Meßsender 

(150kHz-30MHz) 

50 Ω 

1:1 

Prüfling 

(Filter) 



Normgerechter Meßaufbau für Gegentakt-Einfügungsdämpfung α e 

EMV Grundlagen: Meßaufbau Einfügungsdämpfung 



01/ 2001 

1:1 

Meßempfänger 

(selektives Voltmeter) 

50 Ω 

U 1 U2 

α e = 20 log U 1 

2 U 2 

[dB]

HF Strom 

Netzseite 

Laststrom 

H Last H HF Lastseite 

Erde 

Funktionsprinzip der stromkompensierten Drossel zur 

Dämpfung von (symmetrischen) Gleichtaktstörungen 

EMV Grundlagen: Drosselprinzip 



1-Phasen-Drossel 

3-Phasen-Drossel 



01/ 2001



Wichtigste Anforderungen an eine EMV-Filterdrossel: 

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 Eisenquerschnitt 

rel. Permeabilität ! 

EMV Grundlagen: Werkstoffauswahl 



01/ 2001



- 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 



01/ 2001

Induktion B → 

Bs 

Br 



Feldstärke H → 

Bs: Sättigungsinduktion (hoch!) Br: Remanenz (gering!) 

Hc: Koerzitiv-Feldstärke (gering!) Hs: Sättigungsfeldstärke (hoch!) 

Kenngrößen weichmagnetischer Werkstoffe; Hysterese 



01/ 2001 

Hc 

Hs

Werkstoff Permeabilität 

μ ‘r (10 / 100kHz) 

Sättigungsinduktion 

Bs [T] (25 / 100°C) 

Werkstoffvergleich 



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 



01/ 2001

nano- 

Werkstoff 

H c ~ D 6 



konventinelle 

Werkstoffe 

H c ~ 1/D 

Koerzitivfeldstärke H c als Funktion der Korngröße: D 6 -Abhängigkeit 


© VAC 


01/ 2001

B [T] 

1,5 

1,0 

0,5 

0 

-0,5 

-1,0 

-1,5 

NANOPERM 

µ = 80.000 

µ = 30.000 



Ferrit 

T 38 

µ = 10.000 

f = 1 Hz 

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

Hysteresen, Sättigungsfeldstärke bei variabler Permeabilität 




01/ 2001

Permeabilität @ 10kHz/3mA/cm 

50.000 

40.000 

30.000 

20.000 

10.000 

0 

NANOPERM 

Kern 25x16x10 mm 

epoxy-beschichtet 

Ferrit T38 

(typisch) 




-30 20 70 120 170 180 

Temperatur [°C] 

Konstante Permeabilität bis hin zu wesentlich höheren Temperaturen 



01/ 2001

Permeabilität µ' 

1.000.000 

100.000 

10.000 

1.000 

100 

10 

1 

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

Werkstoffvergleich: Frequenzgang 





01/ 2001

Sättigungsinduktion [T] 

1,4 

1,2 

1 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

Mn-Zn-Ferrit 

N67 

T38 

NANOPERM 

0 100 200 300 400 

Temperatur [°C] 



Werkstoffvergleich: stabileres Sättigungsverhalten 



01/ 2001

Einfügungsdämpfung [dB] 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

NANOPERM 

Ferrit 



0,01 0,1 1,0 10,0 100,0 

Frequenz f (MHz) 

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




01/ 2001

Störspannung [dbµV] 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

Ferrit Ø: 63mm, 

3x22 Wdg., m = 380g 

NANOPERM Ø: 40 mm, 

3x32 Wdg., m = 94g 

0,1 1 10 100 

Frequenz f [MHz] 

Erreichung eines schärferen Störgrades im gleichen Gerät bei 

kleinerem Bauvolumen 






01/ 2001

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 



01/ 2001

Impedanz Z [k W] 

20 

12 

4 

10 100 




NANOPERM 

N = 32,˘ = 40 mm 

1.000 

Frequenz[kHz] 

10.000 100.000 



01/ 2001 

Ferrit 

N = 22,˘ = 63 mm 

Gleicher Impedanzverlauf bei reduziertem Bauvolumen

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 



01/ 2001

Schneiden der Metallbänder 





01/ 2001

Automatisches Wickeln der Ringbandkerne 





01/ 2001

300 cm 



60 cm 

Magnetfeldofen und Glühgestell für Längsfeldbehandlung 



01/ 2001

Beschichten der Ringbandkerne mit Epoxidharz 





01/ 2001



Lieferformen von NANOPERM - Ringbandkernen 



01/ 2001



- 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 



01/ 2001

Grundlagen der Elektromagnetischen ... - MAGNETEC GmbH

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?