Characterization of permanent magnets used in biased chokes

Abstract

In dieser Arbeit wird das magnetische Verhalten von vorgespannten Drosseln analysiert. Dabei handelt es sich um Spulen, die zur Kompensation des Gleichanteils des magnetischen Flusses mit Permanentmagneten (PM) vorgespannt werden. Ein magnetischer Fluss mit einem hohen Gleichanteil tritt z.B. in Umrichtern auf, in denen der elektrische Strom einen hohen Gleichanteil zusätzlich zum Wechselanteil aufweist. Diese Vorspannung kann dazu verwendet werden, die Baugröße der Drossel potenziell zu halbieren. Das Hauptaugenmerk liegt auf dem PM, da er für die Funktionalität die wichtigste Komponente darstellt, auf der anderen Seite jedoch die fehleranfälligste. Daher wird der Arbeitsbereich der Drossel gemeinsam mit dem des PM behandelt. Hinsichtlich der Simulation von Drosseln wird auf die wichtigsten Faktoren eingegangen, da es eine Reihe von Parametern gibt, die sich auf die magnetischen und elektrischen Eigenschaften der Drossel auswirken, wobei einige voneinander abhängen. Den zweiten großen Teil der Arbeit stellt die Entwicklung einer Methode zur Charakterisierung der PM dar. Da der Einfluss von verschiedenen Belastungen auf den PM untersucht wird, wird eine schnelle und kostengünstige Methode zur Identifizierung der Haupteigenschaften des PM benötigt, nämlich der Remanenz und der Permeabilität. Diese Parameter werden mit Hilfe eines magnetischen Ersatzschaltbilds sowie 3D Finite- Elemente-Simulationen identifiziert ohne die gesamte Hysteresekurve messen zu müssen. Die Anwendbarkeit wird mit einem Messaufbau gezeigt, der für Temperaturen bis zur maximalen Arbeitstemperatur des PM und höher ausgelegt ist. Der Messaufbau ist auch für höhere Frequenzen ausgelegt, da ein Ferrit als Kernmaterial eingesetzt wird. Der Nachteil dieses Materials ist, dass es eine niedrigere Sättigung aufweist als die Remanenz des PM. Die entwickelte Methode ermöglicht dennnoch die Identifizierung des PM und die Untersuchung dynamischer Einflüsse. Des weiteren wird die Auslegung des Messaufbaus beschrieben, wobei ein besonderes Augenmerk auf der niedrigen Sättigung des Kerns und der Messung der magnetischen Feldstärke liegt. Schließlich werden die vorgestellten Methoden und das Wissen aus den Simulationen auf eine E-Kern Drossel und ihre PM angewandt. Die PM werden einerseits magnetisch belastet und andererseits thermisch. Die Ergebnisse werden hinsichtlich reversibler und irreversibler Verluste und der beiden Belastungsarten behandelt. Eine weitere wichtige Eigenschaft der PM ist die elektrische Leitfähigkeit, die für die Bildung von Wirbelströmen verantwortlich ist und daher für eine Erwärmung der PM in der Anwendung. Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit und ihre Auswirkungen werden in dieser Arbeit ebenfalls behandelt. Schließlich wird auf die Verringerung der Wirbelströme eingegangen basierend auf demselben Prinzip wie die Schichtung von magnetischen Kernen. Die Unterteilung der PM in kleinere Teile führt zu einer erheblichen Verringerung der elektrischen Leistung der Wirbelströme.

In this thesis, the magnetic behavior of biased chokes is analyzed. Those are inductors biased by permanent magnets (PM) in order to compensate the static component of the magnetic flux. A magnetic flux with a high static component occurs e.g. in converters, where the electric current has a high DC component additionally to its AC component. Biasing a choke can lead to a potential reduction of the size of the choke by a factor of 2. The PM is a main focus, since it is the most important component for the functionality, but also the most fault-prone component. Therefore, the characteristics of the choke are discussed in combination with the characteristics of the PM. The most important considerations regarding the simulation of chokes are pointed out, as there are many parameters which affect the magnetic as well as the electric characteristics of the choke, where some of them are interdependent. The second important part of the thesis is the development of a method to characterize the PMs. Since the influence of different load conditions on the PMs is investigated, a fast and inexpensive method is needed to identify the main characteristic quantities of the PMs, which are the remanence and the permeability. These parameters are identified based on a magnetic equivalent circuit and 3D finite element simulations without the necessity of measuring the complete hysteresis curve. The applicability of the method is demonstrated with a measurement setup that is designed for temperatures up to, and even higher than, the maximum operating temperature of the PMs. The setup is also designed for higher frequencies, as ferrite is chosen as a core material. The disadvantage of this material is that it has a lower saturation than the remanence of the samples under test. Nevertheless, the method developed allows for an identification of the PM and enables the investigation of dynamic conditions. The design of the measurement setup is also described, which is especially interesting with respect to the low-saturation core and the measurement of the field intensity. Finally, the methods and knowledge from the simulations are applied to a biased Ecore choke and its PMs. On the one hand, the PMs are magnetically loaded, and on the other hand, they are loaded thermally. The results are discussed in terms of reversible and irreversible losses and the two different types of load. Another important property of the PM is the electric conductivity, which leads to eddy currents and is therefore responsible for a temperature rise of the PMs in the application. The measurement and the effects of the electric conductivity are also adressed in this thesis. Finally, the reduction of the eddy currents is discussed based on the same principle as the lamination of magnetic cores. The subdivision of the PM into smaller parts leads to a significant reduction of the electric power of the eddy currents.