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Verfahren zur Herstellung eines magnetischen Bandringkernes Beim Bau
von magnetischen Verstärkern und magnetischen Vorrichtungen anderer Art müssen Kerne
mit magnetischen Eigenschaften angewendet werden. Solche Kerne können in verschiedenster
Art aufgebaut sein. Eine bekannte Kernkonstruktion besteht aus einem ringförmigen
Körper aus keramischem Material, auf welchen ein Band aus magnetisierbarem Material
in Form einer oder mehrerer Windungen gewickelt ist, so daß ein magnetischer Bandringkern
entsteht. Der mit dem Band bewickelte Spulenkörper wird dann in einer Richtung senkrecht
zu der des magnetisierbaren Bandes mit einer oder mehreren Spulenwicklungen versehen.
Die auf dem Toroidkern aufgebrachte Spulenwicklung umschließt dabei nicht nur das
magnetische Material des Bandes selbst, sondern auch das Material des Spulenkörpers
sowie den nicht mit magnetischem Band ausgefüllten Luftraum innerhalb der Wicklung.
Ein durch eine so ausgebildete Spule fließender Strom erzeugt somit nicht nur in
dem magnetischen Band ein Magnetfeld, sondern auch im Luftraum und in dem Material
des Spulenkörpers, wodurch die Induktions-Strom-Charakteristik des magnetischen
Kernes in nachteiliger Weise beeinflußt wird. Daher ist es wünschenswert, innerhalb
der Spulenwicklung den Luft-und Spulenkörperquerschnitt im Vergleich zu dem Querschnitt
des umschlossenen magnetischen Bandes so klein wie möglich zu halten. Bei Verwendung
keramischer Spulen als Tragkörper für ein magnetisierbares Band ergibt sich aus
Festigkeitsgründen ein Grenzwert für den minimalen Querschnitt der Spule. Derartige
Magnetkerne besitzen verhältnismäßig schlechte Induktionsfluß-Strom-Charakteristiken,
insbesondere dann, wenn für die Kernanordnung eine rechteckförmige Charakteristik
erwartet wird.
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Dementsprechend liegt ein wesentliches Ziel der Erfindung darin, eine
Tragkörperanordnung für einen aus magnetisierbarem Band gewickelten Magnetkern zu
bilden, welche geringeren Querschnitt aufweist als bekannte keramische Körper, um
die Rechteckigkeit der Hysteresisschleife des aus Band gewickelten Magnetkernes
wesentlich zu verbessern.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Herstellung eines gewickelten
ferromagnetischen Kernes einen hohlzylinderförmigen Wickelkörper aus metallischem
nichtmagnetischem Material zu verwenden, welcher nach außen gerichtete Endflansche
besitzt, die nach Aufwickeln des ferromagnetischen Bandes auf den Hohlzylinder parallel
zur Zylinderfläche und mit Abstand von dieser aufeinander zu gebogen werden. Die
Erfindung geht ebenfalls von einem einstückigen, ringförmigen Tragkörper aus metallischem
nichtmagnetischem Werkstoff für ein Band aus magnetisierbarem Material mit im wesentlichen
rechteckiger Hysteresisschleife aus. Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird ein
ringförmiger Tragkörper mit abgerundeten seitlichen Begrenzungsflächen nach dem
Bewickeln mit dem Magnetband ohne weitere Verformung geglüht und anschließend die
Drahtwicklung aufgebracht. Dadurch, daß man einen Tragkörper aus nichtmagnetischem
Metall verwendet, welcher nach Aufbringung des magnetisierbaren Bandes nicht mehr
verformt zu werden braucht, kann der Querschnitt des Tragkörpers klein im Vergleich
zu dem Querschnitt des magnetisierbaren Bandmaterials gewählt werden, so daß der
von der elektrischen Wicklung umschlossene Querschnitt zu einem großen Teil mit
magnetischem Material ausgefüllt ist und dadurch die resultierende Induktions$uß-Strom-Charakteristik
der gesamten Kernanordnung im wesentlichen gleich der des Bandes allein wird.
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Dieses vorteilhafte Ergebnis wird ohne Beeinträchtigung der mechanischen
Festigkeit des Aufbaus erreicht. Da der Tragkörper aus Metall besteht, ist der gesamte
Aufbau leichter herzustellen und kann mit engeren Toleranzen und in geringerer Größe
gefertigt werden, als bei der Anwendung von keramischen Spulen als Trägerkonstruktion
möglich war.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen
erläutert. Es zeigt F i g. 1 A eine Induktionsfluß-Strom-Charakteristik eines mit
einer Spulenwicklung versehenen aus einem magnetischen Band gewickelten Kernes ohne
Tragkörper, F i g. 1 B eine Induktionsfluß-Strom-Charakteristik der Luft und des
Trägermaterials bei einem keramischen Tragkörper ohne magnetisches Band, F i g.
1 C eine Induktionsfluß-Strom-Charakteristik eines keramischen Tragkörpers mit einem
aufgewikkelten Band aus magnetischem Material, F i g. 2 eine teilweise Schnittdarstellung
eines mit einem magnetischen Band bewickelten, aus nichtmagnetischem Metall bestehenden
spulenförmigen Tragkörper gemäß der Erfindung, F i g. 3 einen Querschnitt eines
'Pragkörpers nach F i g. 2 ohne magnetisches Band, F i g. 4 eine Draufsicht auf
einen aus nichtmagnetischem Metall bestehenden Tragkörper gemäß der Erfindung, betrachtet
aus der in F i g. 3 mit 4-4 bezeichneten Richtung, F i g. 5 eine Tabelle möglicher
Dimensionen für den in F i g. 3 und 4 dargestellten nichtmagnetischen metallischen
Tragkörper.
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Die für magnetische Bandkerne bisher benutzten keramischen Tragkörper
haben aus Festigkeitsgründen eine Wandstärke von mindestens 0,25 mm und häufiger
sogar eine solche von ungefähr 0,38 bis 0,50 mm. Wenn auf einen solchen Tragkörper
eine oder mehrere Windungen eines magnetischen Bandes von etwa 0,003 bis 0,006 mm
Stärke beispielsweise aus einer hochpermeablen Legierung mit 4% Molybdän, 79 % Nickel,
Rest Eisen, aufgebracht werden, so nimmt das Material des Tragkörpers einen wesentlichen
Teil des von der elektrischen Drahtwicklung umschlossenen Kernquerschnitts ein.
Die Folge dieser Verhältnisse ersieht man aus den F i g. 1 A, 1 B und 1 C. F i g.
1 A zeigt die im wesentlichen rechteckige Induktionsfluß-Strom-Charakferistik eines
magnetischen Bandes von hoher Permeabilität, wie beispielsweise aus Legierungen
mit 5007,9 Nickel und 50% Eisen oder mit 4% Molybdän, 79 % Nickel, Rest Eisen. Wie
F i g. 1 B zeigt, nimmt der Streufluß in dem Raum innerhalb der Spulenwicklung,
aber außerhalb des magnetischen Bandes linear mit dem Strom in der Spulenwicklung
zu. Obwohl daher bei Sättigung des Bandes eine Zunahme der magnetischen Feldstärke
den Induktionsfluß im Band nur unwesentlich vergrößert, ergibt sich eine Zunahme
des Induktionsflusses durch den keramischen Tragkörper und durch den von der Drahtwicklung
umschlossenen Luftraum. Aus diesem Grunde nimmt der gesamte Induktionsfluß im Gebiet
der Sättigung des Bandes zu (F i g. 1 C). Das von der Drahtwicklung umschlossene
Material der Tfägerspule bewirkt daher, daß bei Sättigung im Band die Induktivität
des Kernes zunimmt. Bei Verwendung eines nichtmagnetischen metallischen Tragkörpers
gemäß der Erfindung kann die Hysteresisschleife des Bandkernes wesentlich stärker
der wahren Rechteckform angenähert werden, als dies bei keramischen Spulenkörpern
und ähnlichen Trägeranordnungen möglich war. Mit nach dem Verfahren der Erfindung
hergestellten Speicherkernen erhält man ein besseres 1: 0-Verhältnis.
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Bei der Ausführungsform nach F i g. 2 ist ein magnetisches Band
13 auf einen Tragkörper 10 gewickelt, der zwei Umfangsflansche
11 und 12 besitzt, die im wesentlichen parallel zueinander verlaufen
und einen Abstand voneinander haben, so daß sie eine rechteckige Nut 18 bilden,
die die Windungen des magnetischen Bandes 13 aufnimmt. Der Tragkörper
10 ist ringförmig und besitzt eine große Halere Öffnung 14. Es können daher
eine oder mehrere Wicklungen 15 in einer Richtung senkrecht zu dem Band 13 durch
die mittlere Öffnung 14 gewickelt werden. Die Flansche 11, 12 müssen nicht
notwendigerweise vorgesehen sein, vielmehr kann der Tragkörper 10 auch die Form
eines flachen Ringes besitzen, auf dessen äußere Umfangsfläche das Magnetband 13
gewickelt wird.
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Wie aus dem oberen geschnittenen Teil der F i g. 2 ersichtlich ist,
umgibt die Wicklung 15 sowohl die Windungen des Bandes 13 als auch den Querschnitt
des Körpers 10. Der tatsächliche Querschnitt des Tragkörpers, der von der Wicklung
15 umgeben ist, ist im Verhältnis zu der Querschnittsfläche des magnetischen Bandes
sehr klein. Infolge der größeren mechanischen Festigkeit eines metallischen Tragkörpers,
verglichen mit einem aus keramischem Material, kann ein metallischer Tragkörper
eine Stärke von nur 0,05 mm besitzen, während ein keramischer Spulenkörper mindestens
0,25 mm Stärke besitzen mußte.
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Die Verringerung der Querschnittsfläche des Trabkörpers 10 verringert
die Induktivität des gesamten Kernes bei Sättigung. Die Beziehung zwischen den Dimensionen
eines Toroidkernes und der Induktivität seiner Wicklung ergibt sich durch die nachfolgende
Formel:
Dabei bedeutet: L = die Selbstinduktion der Wicklung, K =eine dein Maßsystem angepaßte
Konstante, A = die Fläche des von der Wicklung umschlossenen Querschnitts, ,u =
die magnetische Permeabilität des Kernes, Z = die Weglänge des magnetischen Flusses
(mittlerer Umfang des Torroidkernes), N =die Windungszahl der Drahtwicklung. Eine
Verringerung der Querschnittsfläche der gesamten Kernanordnung, die sich innerhalb
der Wicklung 15 befindet, ergibt somit eins Verringerung der Induktivität des Kernes
bei Sättigung. Dadurch eMbt sich nicht nur eine höhere Amplitude des Ausgangssignals
in einem magnetischen Verstärker, es nimmt viehmehr auch die Anstiegszeit ab, wobei
die Abnahme der Anstiegszeit des Ausgangsimpulses bedingt ist durch die Abnahme
des Verhältnisses der Kerninduktivität zu der Induktivität der Belastung. Im Falle
eines magnetischen Verstärkers erhöht daher die Erfindung den Verstärkungsfaktor
und die Bandbreite des Verstärkers.
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Zur Herstellung eines metallischen Tragkörpers nach den F i g. 2 bis
4 können in erster Linie nichtrostender Stahl sowie Chrom-Nickel-Legierungen oder
metallisches Titan benutzt werden.
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Das Verfahren nach der Erfindung besteht darin, das magnetische Material
auf dem Tragkörper aus nichtmagnetischem Metall aufzubringen und anschließend den
Tragkörper und das magnetische
Material gemeinsam zu glühen. Bei
diesem Verfahren wird das magnetische Band, nachdem es auf den Tragkörper aufgewickelt
ist, nicht mehr verformt; es ist dann bei dem späteren Aufwickelvorgang der elektrischen
Wicklung vollständig geschützt. Das Material des Tragkörpers muß indessen so gewählt
werden, daß das magnetische Material bei dem Glühvorgang nicht verunreinigt wird.
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Die in den F i g. 2 und 3 dargestellten Tragkörper aus nichtmagnetischem
Metall besitzen Flanschflächen 11 und 12 einer Dicke Ein einem Abstand F voneinander.
Die Materialstärke des Tragkörpers ist mit C bezeichnet, die radiale Ausdehnung
der Flansche 11 und 12 mit B, so daß die Tiefe der Nut B-C beträgt. Die Üffnung
14 im ringförmigen Tragkörper 10 ist mit A bezeichnet. Die Kanten des Tragkörpers
10 sind vorzugsweise, wie bei 16 und 17 zu ersehen ist, abgerundet, und zwar mit
einem Radius G, so daß die Wicklung 15, die senkrecht zu dem magnetischen Band verläuft
und die mittlere Öffnung 14 durchsetzt, nicht durch scharfe Ecken des Tragkörpers
verletzt wird.
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Wie die Tabelle F i g. 5 zeigt, kann die wichtige Dimension C, nämlich
die Stärke des Tragkörpers 10, sehr klein gemacht werden, ohne daß die mechanische
Widerstandsfähigkeit der gesamten Kernanordnung leidet, wie es der Fall ist, wenn
keramische Spulenkörper verwendet werden. Die Größe C kann zwischen 0,05 und 0,13
mm liegen; sie beträgt vorzugsweise 0,08 mm. Die Größen C und B können einander
etwa gleichgewählt werden; sind die Größen B und C gleich, dann besitzt der Tragkörper
keine vertiefte Mittelpartie 18 zur Aufnahme des Bandes, vielmehr im wesentlichen
die Form eines flachen Ringes, auf dessen Umfang das Band gewickelt wird.
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Zur Fertigung eines aus einem gewickelten Magnetband bestehenden Kernes
der in F i g. 2 dargestellten Art sind folgende Verfahrensschritte erforderlich:
Der Tragkörper 10 wird zunächst aus nichtmagnetischem Metall der zuvor erörterten
Art hergestellt und dann durch Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen gesäubert,
beispielsweise in einer Atmosphäre von erst feuchtem Wasserstoff und dann trockenem
Wasserstoff. Dieser Reinigungsvorgang beseitigt Verunreinigungen, die an dem Tragkörper
selbst vorhanden sind. Die inneren Teile zwischen den Flanschen und die äußere Umfangsfläche,
auf welche das magnetische Band gewickelt wird, werden dann mit nichtleitendem hitzebeständigem
Oxyd bekleidet oder mit anderem geeignetem Isoliermaterial in einer an sich bekannten
Weise. Zweckmäßig werden sämtliche Außenteile des Tragkörpers 10 mit isolierendem
Material bekleidet, um die Oberfläche von den Windungen der elektrischen Wicklung
und Streukapazität zwischen den Windungen und dem metallischen Tragkörper zu verringern.
Ein Band 13 aus magnetischem Material, welches auf beiden Seiten oder auch nur auf
einer Seite mit isolierendem Material bekleidet ist, wird dann mit einem seiner
Enden an der Spule durch Kleben, Punktschweißen od. dgl. befestigt. Wie F i g. 2
zeigt, wird das Band in einer oder mehreren Windungen auf den Tragkörper 10 aufgewickelt.
In Anbetracht der isolierenden Schicht auf dem Band sind die verschiedenen Windungen
des magnetischen Bandes voneinander isoliert. Die letzte Windung des magnetischen
Bandes wird mit der vorangehenden Windung durch Schweißen, Kleben oder auch dadurch
verbunden, daß ein Befestigungsdraht um die Bandwicklung gewickelt wird. Sodann
wird die gesamte Anordnung, bestehend aus Tragkörper 10 und Band 13, zusammen geglüht.
Die anzuwendende Temperatur, der Druck und die atmosphärischen Bedingungen des Glühvorganges
hängen von dem speziellen Material ab, das für den Tragkörper und für das Magnetband
gewählt wurde, und von der Zeitdauer des Glühens. Da das Band und der Tragkörper
zusammen geglüht werden, müssen die Materialien beider so gewählt werden, daß der
metallische Tragkörper nicht beim Glühvorgang das magnetische Band verunreinigt.
Nach dem Glühvorgang wird der magnetische Kern auf seine Hysteresiseigenschaften
bei niedrigen und hohen Temperaturen untersucht. Wenn der Kern den Erfordernissen
entspricht, wird er mit der Drahtwicklung versehen.
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Wie bereits erwähnt, werden die Kanten des Tragkörpers, wie bei den
Punkten 16 und 17 zu ersehen ist, abgerundet, so daß keine scharfen Kanten oder
Grate vorhanden sind, welche die Isolierung der Spulenwicklung durchschneiden und
dadurch einen Kurzschluß zwischen Wicklung und metallischem Spulenkörper bewirken
könnten. Eine Methode, um scharfe Ecken oder Kanten des Tragkörpers zu entfernen,
besteht in der Anwendung einer Kugelmühle oder eines Hämmerwerkes, sofern man nicht
vorzieht, gekrümmte Flächen anzufräsen. Da die Außenfläche des Spulenkörpers mit
einem isolierenden Lack oder nichtleitenden Oxyd bekleidet ist, ergibt sich eine
glatte Oberfläche für das Wickeln der elektrischen Spule.
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Um zu vermeiden, daß sich Kurzschlüsse zwischen den Windungen des
magnetischen Bandes ergeben, wenn eine Schicht magnetischen Bandes beide Flanschenflächen
des Spulenkörpers berührt, wird die Dimension F des Tragkörpers etwas größer gewählt
als die Breite des magnetischen Bandes 13. Dadurch wird die Gefahr eines Berührens
des Bandes an beiden Seiten des Spulenkörpers und eines damit verbundenen Kurzschlusses
verringert. Sie wird vollständig vermieden, wenn die Flanschen 11, 12 weggelassen
werden. In bezug auf das Auftreten von Verlusten, bedingt durch Wirbelströme in
dem metallischen Tragkörper, hat es sich gezeigt, daß solche Verluste vernachlässigbar
sind, da der metallische Tragkörper sehr dünnwandig ist und bei nicht zu großer
Aussteuerung im Mittel eine um mehrere Größenordnungen niedrigere Permeabilität
als das magnetische Band aufweist. Wenn daher ein nichtmagnetischer metallischer
Spulenkörper bei der Erfindung verwendet wird, so kann in dieser Tatsache nicht
weiter ein Nachteil der Tragkörperkonstruktion erblickt werden.