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WO2006102972A1 - Magnetkern - Google Patents

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WO2006102972A1
WO2006102972A1 PCT/EP2006/002152 EP2006002152W WO2006102972A1 WO 2006102972 A1 WO2006102972 A1 WO 2006102972A1 EP 2006002152 W EP2006002152 W EP 2006002152W WO 2006102972 A1 WO2006102972 A1 WO 2006102972A1
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WO
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magnetic
magnetic core
elements
magnetic elements
core
Prior art date
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Ceased
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PCT/EP2006/002152
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English (en)
French (fr)
Inventor
Wulf GÜNTHER
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Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Original Assignee
Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Publication date
Application filed by Vacuumschmelze GmbH and Co KG filed Critical Vacuumschmelze GmbH and Co KG
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Priority to AT06723305T priority patent/ATE556418T1/de
Publication of WO2006102972A1 publication Critical patent/WO2006102972A1/de
Priority to US11/863,956 priority patent/US7782169B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/04—Cores, Yokes, or armatures made from strips or ribbons
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type
    • H01F17/0006—Printed inductances
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    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H01F2017/0066—Printed inductances with a magnetic layer

Definitions

  • the invention relates to magnetic cores for inductive components.
  • Magnetic cores are needed for many high-performance inductive components, such as transformers, transformers, electric motors, electromagnets and antennas. Magnetic cores made of soft magnetic materials serve to bundle and direct the magnetic flux and thus to guide it effectively.
  • a special design and subject of the invention are cores with air gap, in which the magnetic flux so at least once within the magnetic circuit leaves the magnetic material.
  • the magnetic core In rod cores, the magnetic core is elongated, the magnetic flux exits at least partially from the rod ends and is returned by the environment, here is the path length in Vietnamesemagneti Service medium (eg air) longer than in the magnetic material.
  • Vietnamesemagneti Service medium eg air
  • other mixed forms eg U-cores. In all these forms, the flow does not occur only at the core ends (facing the air gap), but also at the sides. In the case of the realization of the core of elongate sheet-like or fibrous elements considered here, flow thus occurs not only from the end faces of the elements, but also from the side surfaces, which leads to additional problems in comparison to the known solid, isotropic magnetic materials.
  • the invention thus relates to all open (the magnetic flux exits the magnetic material at least once) magnetic cores made of laminated magnetic elements. Because of their ease of presentation and their greatest relevance, rod kernels will be considered below.
  • the embodiments can be transformed, for example, to slotted annular band cores by the rod core is curved so that the rod ends face each other.
  • Bar cores are used, for example, as an antenna core. They bundle the magnetic flux more effectively in both transmit and receive antennas than in air coils.
  • Such an effective effect of a magnetic core in conjunction with a winding surrounding it is necessary, for example, for achieving an optimized transmission or reception power. This may be necessary, for example, for the transmission of information, but also for the transmission of energy.
  • Corresponding inductive components are used both for anti-theft, identification and access systems for information exchange over distances of about 5 m, as well as for inductive energy transfer, such as battery charging (see GB 2388715 A) or for power supply of sensors or actuators (see US 3938018 ).
  • the design of the antenna and its control are decisive.
  • a maximum flux must be generated in the magnetic core.
  • Core core losses or losses in the antenna coils due to ohmic power, Proximity effect etc. are to be minimized in order to optimize the efficiency as a result.
  • Ummagnetleitersverlus- te would lead to a reduction of the transmission power also to a self-heating of the magnetic core, which can lead to damage to the winding or other components in its environment.
  • Such a magnetic core as is required for an antenna, is usually constructed as a rod core in the form of a cuboid, which is surrounded by one or more coils.
  • the flow mostly comes from the end faces in the direction of the longitudinal axis of the cuboid, but partly also from the side faces and especially at the edges of the core ends.
  • the solution is known, bevel the edges (EP 762535 Bl).
  • ferrites or soft magnetic metals are known as material for the magnetic core.
  • Such materials are typically homogeneous and isotropic such that the permeability is a scalar and not a tensor 2nd stage. This means that the flux in the magnetic core propagates in a straight line and according to an expected field in air.
  • Typical magnetic reversal losses can be described in metallic material in the frequency range to be considered here, which is for example between 15 and 150 kHz, by the formula: P ⁇ B 2 f 2 d 2 .
  • B induction amplitude
  • f frequency
  • d spatial extent, ie smallest diameter of the eddy current path.
  • the first positive effect is that the formation of air gaps or insulating layers between the individual magnetic elements of the magnetic flux is mainly within the core in a single magnetic element holds, which is basically desirable. Due to this effect, however, because of the flux lines entering the side surfaces of the magnetic core, an increased flux accumulates in the outermost layers of magnetic elements, which may lead to saturation overshoot there. Since the Ummagneti- s istsbuche depend on the induction amplitude square and thus are not linear, resulting from such an uneven flow distribution over the cross section of the magnetic core, an avoidable increase in the loss rate. Another object is therefore to distribute the magnetic flux as evenly as possible over the cross section of the magnetic core.
  • the present invention has the object of a magnetic core to which is particularly efficient in terms of avoiding eddy current losses or Ummagneti- s istszelen and on a uniform distribution of the flow to avoid saturation effects. Furthermore, the invention has for its object to provide an arrangement with a magnetic core according to the invention, which allows a particularly effective use as an inductive element for an antenna or similar device.
  • the invention is based on the finding that both eddy current losses can be effectively limited, and the flux distribution to the various magnetic elements within a magnetic core can be optimized if the elements are not equal to one another, ie. H. if at least one of the magnetic elements differs from the others by one or more of the following characteristics: material permeability, curvature, length,
  • Shape and / or size of the cross-sectional area, presence, type and location of incisions in the magnetic elements are shape and / or size of the cross-sectional area, presence, type and location of incisions in the magnetic elements.
  • Magnetic cores and arrangements according to the invention are suitable for a frequency range of 5 kHz to 10 MHz, in particular from 15 kHz to 150 kHz. In this area, the advantages of the invention are also particularly effective.
  • the outer magnetic elements in rod-shaped elements around the outer layer in strip or band-shaped elements, the two outer bands are provided with a lower material permeability than the other bands, so pull the centrally arranged magnetic elements by their higher permeability of the incoming flow at.
  • the overloaded by the obliquely incident in the side surfaces of the magnetic core flow components outer magnetic elements are relieved and this leads to an overall homogenization of the flow distribution.
  • This design can also be modified to increase the material permeability continuously or in stages from the outside to the inside of the individual magnetic elements.
  • the flux lines entering laterally into the magnet core meet only partially the outermost magnet elements and partially where the inner magnet elements are longer than the outer magnet elements.
  • the obliquely incident flow components are distributed over a plurality of magnetic elements and do not occur exclusively in the outer magnetic elements.
  • the flux distribution is made uniform on the cross section of the magnetic core. Any eddy-current losses that may occur are distributed more uniformly over the cross-section, so that even any heating that may occur is distributed uniformly over the magnetic core.
  • tender flux may enter the faces of the shortened elements rather than the area of sheet-like elements, thereby reducing eddy current losses.
  • the magnetic elements are expediently arranged so that the outer shortened magnetic elements of the bundle remain symmetrically at both ends behind the ends of the centrally arranged magnetic elements. It can also be provided that not only the outermost magnetic elements are shortened, but that from the inside to the outside or from the center to a side in band-shaped magnetic elements or on both sides of a continuous shortening of the magnetic elements is provided.
  • a magnetic core which consists of band-shaped magnetic elements having different dimensions.
  • this measure is not related to an improvement in the power loss associated there and there is a yoke body for a transformer, the magnetic elements also differ not in length, but the width.
  • WO 03/096361 A1 and GB 2399227 A refer to the problem that the mean flux density in the center of the core is highest because of the lateral flow at the ends. This is to be counteracted by the core cross-section is enlarged by suitable folding of the core material in the middle, which in the result also corresponds to a shortening of individual tape layers. Since no consideration is given here to the consequences elaborated here on the flow distribution over the cross section and in particular the eddy currents, the proposed measures are not sufficient to adequately solve the problem underlying the invention.
  • the proposed folding technique creates such even more problems: To avoid eddy currents, the invention requires that the flow occurs at the front and side edges. However, these are kinked in the writings mentioned, ie the effective eddy current path at least doubles, which leads to an undesirable increase in the eddy currents.
  • the outer of the magnetic elements are curved away from the central longitudinal axis of the magnetic core at their ends.
  • the magnetic core is particularly well adapted to the typical fan-shaped flow pattern of a dipole field outside the magnetic core. Obliquely entering into the end face of the magnetic core flux lines meet almost perpendicular to the end faces of the fan-shaped expanded magnetic elements, if they have as usual cuboid or cylindrical shape. This has, as described above, advantageous effects on the reduction of eddy current losses and on a uniform distribution of the flux density across the cross section of the magnetic core.
  • the magnetic core can be designed so that only the outer layer of the magnetic elements is correspondingly curved, but it can also be provided that from the outer layer towards the center, the individual magnetic elements have a decreasing curvature away from the longitudinal axis, so that in a longitudinal section results in a typical fan-shaped course of the magnetic elements, either in three dimensions in rod-shaped magnetic elements or in only two dimensions in strip or band-shaped magnetic elements. It can also be provided that the magnetic elements are formed in the outermost position or at the greatest distance from the central longitudinal axis of the magnetic core thinner or with a smaller cross-sectional area than the central magnetic elements of the magnetic core.
  • the outer magnetic elements may be in a magnetic core, the outer magnetic elements have a lower material permeability than the inner and at the same time be bent outwardly at their ends.
  • the thickness of the individual magnetic elements can decrease toward the outside.
  • the outer magnetic elements have an increasing curvature towards the outside with decreasing thickness.
  • thin strip conductors for example, which are present as nanocrystalline, soft-magnetic materials and, for example, can also be produced in rapid solidification technology, can be kept in stock with correspondingly different features.
  • different magnetic elements are then assembled in terms of material permeability, thickness and length. It is also possible to keep already pre-curved magnetic elements in stock.
  • curvature of the ends of magnetic elements it may also be provided, after the assembly of a magnetic core, to fan out the outer magnetic elements at their ends by a tool and thereby to produce a corresponding curvature away from the longitudinal axis.
  • the features mentioned can also be asymmetrically distributed in a magnetic core, in order to take account of corresponding ambient conditions which produce an asymmetrical flux distribution.
  • one half of a magnetic core can be constructed homogeneously with respect to all features, while the other half is designed inhomogeneous according to the invention.
  • Another advantage is the reduction in effective bandwidth in areas where flux components enter the tape layers vertically. For these components, it is not the strip thickness that determines the re-magnetization losses, but the width, which must then be used in the formula given above for the losses for the bandwidth.
  • the interruption of the eddy current paths is sufficient, ie in the simplest case a cutting of the tape layers parallel to the tape longitudinal axis. Ideal, but technically more difficult is the cutting exactly along the field lines, ie obliquely away from the belt center axis.
  • the reduction in losses is particularly effective when the resulting bandwidth is small, technically feasible e.g. in the order of 0.3-2 mm.
  • a noticeable reduction can be achieved even if e.g. a 12 mm wide strip is divided into three.
  • the potential for improvement increases with increasing frequency: at e.g. 10 kHz, with the same subdivision, a lower benefit is achieved than with e.g. 1 MHz.
  • the division can be done in addition to cutting by sawing, etching, eroding, etc. Of course, this measure can be combined as desired with all other measures mentioned.
  • an inductive element is constructed with the magnetic core according to the invention and a coil in the form of a winding
  • the effect according to the invention can be enhanced by virtue of the winding density being applied to at least one of the ends of the winding
  • Magnetic core increases and / or the winding extends beyond one of the ends of the magnetic core addition.
  • an asymmetric variant of the magnetic core is designed and arranged with respect to the asymmetrical magnetic field. that on the one hand minimizes the entry of flux lines through lateral boundary surfaces of the magnetic core and on the other hand, the distribution of the flow on the cross section of the magnetic core as a whole is made as uniform as possible. This is the case, for example, in arrangements where a transmitting antenna and a receiving antenna are located at a small distance in order to transmit energy via an air gap, for example for charging a rechargeable battery.
  • the resulting magnetic field profile is highly asymmetrical and this fact can be taken into account by the embodiment described.
  • a magnetic core consisting of band-shaped or strip-shaped magnet elements in such a way that the obliquely arranged on one side of the magnet core in its side surfaces encounter flow lines on the narrow sides of the corresponding band-shaped magnetic elements.
  • the magnetic core only needs to be aligned so that the interfaces between the band-shaped magnetic elements are aligned parallel to the incident flux lines.
  • the individual magnetic elements of a magnetic core have a varying over its length cross section. Especially with band-shaped magnetic elements, these can become thicker towards the ends.
  • the thickened ends act as a kind of pole piece through which flow lines increasingly enter the respective magnetic element.
  • Such thickened at the ends of magnetic elements may be arranged in particular in the inner region of a magnetic core to capture in this area a particularly large number of flux lines and thus to equalize the flux density, since in the outer region, the magnetic elements, as described above, additionally capture the obliquely incoming flow lines.
  • the outer magnetic elements are thinned at their ends, so that as a whole results in a cuboid cross-section of the magnetic core.
  • the described thickening of individual magnetic elements can be provided without problems, in particular when the ends are fanned out, when they are curved away from the longitudinal axis of the magnetic core.
  • FIG. 1 shows a cuboid laminated magnetic core
  • FIG. 2a shows a laminated magnet core with winding and the field surrounding it
  • FIG. 2b shows the field distribution around a magnetic core with an adjacent soft-magnetic body
  • FIG. 2c shows the magnetic distribution around a magnetic core with an adjacent non-magnetic metallic body
  • FIG. 2 d shows the magnetic distribution around an annular
  • FIG. 3 a shows the flow path on the edge of an isotropic magnetic core, eg ferrite,
  • 3b shows the flow path at the edge of a laminated magnetic core
  • FIG. 4 shows flow lines running in a magnetic element and exiting from the element and corresponding relevant eddy current paths
  • FIGS. 5a, 5b each show a laminated core with shortened magnetic elements
  • FIGS. 6a, 6b each show a magnetic core with curved magnetic elements
  • FIG. 7a shows a magnetic core with magnet elements of different thickness
  • FIG. 7b shows a magnetic core with thickened magnetic elements at its ends
  • FIG. 8a shows a magnetic core with magnetic elements which carry incisions
  • FIG. 8b shows a magnetic core with magnetic elements which carry continuous cuts
  • FIG. 9 shows a magnetic core with a winding extending beyond it at one end and shirred at the other end;
  • Figures 10a, 10b the different conditions in the
  • Figure 1 shows a magnetic core 1, which is made as a laminate of many rectangular, equal-sized, strip-shaped magnetic elements 2 to 8, which are connected, for example, with the interposition of thin plastic layers by means of adhesive.
  • the individual magnetic elements 2 to 8 may consist, for example, of an amorphous or nanocrystalline metallic material having soft-magnetic properties, from which high-performance magnets can be produced.
  • Such magnetic cores can be used to form inductive components, for example using a surrounding winding.
  • a component for an antenna for transmitting information or for transmitting energy can serve such powerful magnetic cores.
  • FIG. 2 a schematically shows in this respect a simple structure with a magnetic core 1 ', which is surrounded by a winding 9 with the two terminals 10, 11.
  • the flux lines 12, 13, 14 are shown, which correspond to the course of a normal magnetic dipole field.
  • the longitudinal axis 15 of the magnetic core is registered.
  • FIG. 2b shows the same magnetic core 1 ', wherein the laminated construction is not shown separately, and in addition to the magnetic core on its left side, a further soft magnetic body 16 is shown with high permeability, which attracts the magnetic flux.
  • asymmetrical field pattern is shown in FIG. 2b.
  • FIG. 2c shows the magnetic core 1 'in an arrangement with a non-magnetic metal plate 17, which displaces the magnetic flux because of the eddy currents induced in the metallic body, which counteract the magnetic field. Accordingly, the flux lines 18 preferably close over the air gap via the right side of the magnetic core 1 '.
  • Figure 2d shows the magnetic core 1 'in an annular configuration with a gap, in the vicinity of which flow lines 19 emerge from the core material.
  • FIG. 3 a schematically shows the emergence of flow lines 21, 22, 23 and 24 in the case of a solid magnetic core 20, for example a ferrite core.
  • a solid magnetic core 20 for example a ferrite core.
  • most flux lines 21, 22 pass through the end face 25 of FIG Magnet core 20 off.
  • some of the flux lines 23, 24 also exit through the side surfaces 26, 27 of the magnetic core 20.
  • the flux lines are bundled with increasing distance from the end faces and evenly distributed over the core cross section.
  • FIG. 3b shows a similar distribution of the flux lines in the case of a magnetic core 28 which is constructed from individual band-shaped magnet elements 29, 30. It can be seen that in the outer region of the magnetic core 28, the distribution of the flux lines 31, 32 approximately corresponds to the distribution in a solid magnetic core as shown in FIG. 3a.
  • FIGS. 3a and 3b also apply to toroidal cores according to FIG. 2d, provided that only one of the end faces of the toroidal core is considered.
  • 4 shows the extent to which and how the flow components 32 extending within and in the longitudinal direction of a magnetic element 29 are more favorable than the components of the flux lines 31 running obliquely to the plane of the strip, in particular perpendicular to the strip plane, entering the wall plane obliquely ,
  • the eddy current losses which typically occur due to magnetization reversal are caused in each case by the annular flow of electrical currents perpendicular to the direction of flow in the material.
  • the eddy current paths, designated 33, 34 in FIG. 4 are essentially circular in shape and the loss occurring is proportional to the square of the maximum diameter d ', d "available for an eddy current path.
  • Magnetic elements in strip or strip form are available in thicknesses of less than 10 ⁇ m. Typical are thicknesses between 10 and 30 microns.
  • the aim of the various measures according to the invention is to concentrate the flow within the magnetic core substantially in flow directions extending longitudinally thereof and to distribute the flow to the individual magnetic elements as evenly as possible.
  • 5a shows a magnetic core 70 for a symmetrical dipole field in which the outer band layers are shortened in relation to the inner ones. Accordingly, obliquely entering into the core flow lines do not enter all in the lateral boundary surface of the outermost magnetic element 35, but partially also in the second outermost magnetic element 36, where it projects beyond the outermost magnetic element 35.
  • FIG. 5b shows a step-like construction with a trapezoidal longitudinal sectional view of a magnetic core IQ ', which is useful when the corresponding magnetic core is to be used in an asymmetrical magnetic field.
  • the flux density above the magnetic body is substantially greater than below, for example because above the magnetic body, a soft magnetic further body is positioned, which is not shown.
  • the differences in length between the individual magnetic elements 35, 36 can vary over the entire stack of a magnetic core more than 5%, in particular more than 10%.
  • FIG. 6 a shows a variant in which the ends of the magnetic elements are curved away from the longitudinal axis 41 in a core 80 of magnetic elements 38, 39, 40.
  • This allows the flow lines 42, 43 an entrance preferably in the end faces of the magnetic elements 38, 40, so that there the flow within the respective magnetic element initially extends in the longitudinal direction and correspondingly retained eddy current losses.
  • the flux then substantially follows its curvature, so that the flux lines are also bundled with the centered in the center magnetic elements.
  • FIG. 6a shows such a configuration for a symmetrical flow-line course
  • FIG. 6b shows an optimized design for an asymmetrical flow-line course.
  • the body 44 may be a nonmagnetic metal plate that displaces the magnetic flux so that the density of the magnetic flux above the magnetic core 80 'is greater than below.
  • the lowermost magnetic element 45 may then be formed straight, the magnetic elements 46, 47 arranged above are each curved at their ends away from the longitudinal axis of the magnetic core in order to allow an optimized entry of the flux lines into the magnetic elements.
  • FIG. 1 shows such a configuration for a symmetrical flow-line course
  • FIG. 6b shows an optimized design for an asymmetrical flow-line course.
  • the body 44 may be a nonmagnetic metal plate that displaces the magnetic flux so that the density of the magnetic flux above the magnetic core 80 'is greater than below.
  • the lowermost magnetic element 45 may then be formed straight, the magnetic elements 46, 47 arranged above are each curved at their ends away from
  • these magnetic elements 2 to 8 can also be equipped with different material permeability, wherein either only the outermost, 2 and 8 are provided with a reduced material permeability or over several of the magnetic elements 2 to 8 provided from inside to outside with decreasing material permeability are.
  • the highest material permeability should be achieved in the central region of the stack, for example in the magnetic elements 4, 5 and 6.
  • the differences between the permeabilities ( ⁇ max - ⁇ min) should be at least 10% over the entire core, preferably more than 100% relative to the average Permeability.
  • the central magnetic elements because of their higher permeability, attract the flow more strongly, so that the effect that the laterally incident flow is additionally captured in the outer magnetic elements is somewhat compensated. Thereby, a uniform distribution of the flow can be achieved on the cross section of the magnetic core.
  • FIG. 7a shows a magnetic core consisting of magnetic elements of different thicknesses, with the thickness decreasing from the inside to the outside in order to achieve optimized magnetic properties.
  • the outermost magnetic element 48 is thus thinner than the remaining magnetic elements.
  • an asymmetric structure analogous to that shown in Figure 5b and Figure 6b are provided.
  • Figure 7b shows an embodiment of a magnetic core in which at the ends of the magnetic elements 49 are respectively provided thickenings 50, 51 at one or both ends of each magnetic element to facilitate the entry of flux lines. It can also be provided that only certain of the magnetic elements have corresponding thickenings, namely those magnetic elements into which the flow is to be preferably directed, for example, only the centrally arranged magnetic elements.
  • the magnetic elements each increase in thickness from its center with respect to the length towards the ends and that in the stack and magnetic elements are provided with different contour to this in the Compensate total stack and come to a cuboid magnetic body.
  • the magnetic elements becoming thicker towards their end would optimally be arranged in the center of the stack, while the magnetic elements becoming thinner towards their ends should be provided in the outer layers in order to achieve a uniform flux distribution with low power loss.
  • FIG. 8a shows a stack of magnetic elements 52, 53 which form a magnetic core 90, incisions 54, 55 being provided in the outermost magnetic element 52, which pass through the magnetic element 52 perpendicular to its band plane. These incisions limit the effective width of the magnetic element 52 for eddy currents of vertical flow components (see FIG Gaps 56, 57 between the cuts 54, 55 are available for an eddy current path and thus the diameter of the eddy current paths is effectively reduced.
  • FIG. 8b shows a further development in which incisions in the longitudinal direction of the magnetic elements penetrate them completely, which here leads to a bundle of rod-shaped magnetic elements or magnetic elements of lesser width, which are arranged above and next to one another.
  • Figure 9 shows two measures that can be provided in an inventive arrangement with a magnetic core 58 and a winding 59. Since at the end of a winding, especially when it does not coincide with the end of the magnetic core, especially many flux lines emerge laterally from the magnetic core, this area is particularly critical for the unwanted flux components perpendicular to the side surfaces of the magnetic core. It may therefore be provided on the one hand, as is the case at the upper end of the coil 59 shown, to guide the winding beyond the end of the magnetic core. This can be done, for example, that the magnetic core is surrounded by a sleeve on which the winding is wound and which projects beyond this at both ends or at one end of the magnetic core.
  • the winding 59 is strongly gathered, that is, the winding density per unit length in the longitudinal direction of the magnetic core is greatly increased there.
  • An advantage is an increase of at least 10% of the winding density.
  • the flux lines running in the magnetic core are bundled particularly effectively, so that the Leakage of oblique field components at the edges of the end face of the magnetic core is reduced.
  • FIG. 9 is to be understood by way of example and it is understood that both measures, gathering of the winding and the projection of the winding over the ends of the magnetic core, can also be applied to both ends of the magnetic core and combined with one another. Incidentally, these two measures can also be advantageous independently of the measures mentioned in claim 1.
  • FIG. 10a shows a base plate 60 which is made, for example, of aluminum or another metal which is non-magnetic and displaces the magnetic field lines.
  • a magnetic core 61 can be arranged, which consists of band-shaped magnetic elements which rest flat on the plate 60 and are arranged above the plate parallel thereto.
  • the magnetic flux will tend to close on the side of the magnetic core 61 facing away from the plate 60, that is, the majority of the flux lines 62, 63 will emerge in arc from the magnetic core 61, out of the plane of the drawing and upwards , This inevitably leads to the increased occurrence of flux components perpendicular to the plane of the band-shaped magnetic elements, which is associated with an increased flux density at the top magnetic elements and an increase in the eddy current losses just there.
  • the stack height that is to say the extent of the magnetic core perpendicular to the planes of the band-shaped magnetic elements, can be greater than the width of the stack, that is to say the dimensions of the core perpendicular to this direction in the direction of the width of the individual Magnetic elements.
  • the antennas according to the invention were compared as far as possible with the exception of the respective modifications described.
  • an antenna core of 200 layers of co-amorphous band with ⁇ ⁇ 1800 and a thickness of 22 microns (thus taking into account a thin insulating layer and a conventional band-filling factor of 80%, a stack height of approx. 6 mm), width 12.5 mm, length 300 mm.
  • a 70 kHz sinusoidal drive and an average modulation of 100 mT a power consumption of 4.5 W and an antenna quality of 35 were measured. The power consumption is a measure of the re-magnetization losses.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetkern (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) für ein magnetisches Bauelement mit einer Längsachse, parallel zu der ein magnetischer Fluss innerhalb des Magnetkerns im wesentlichen geführt werden soll, wobei der Magnetkern aus einer Mehrzahl von pa- rallel zueinander stab- oder streifenförmig ausgebildeten Magnet elementen (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) zusammengesetzt ist, wobei wenigstens eines der Magnet elemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) sich von den übrigen durch eines oder mehrere der Merkmale Materialpermeabilität, Krümmung, Länge, Form und/oder Größe der Querschnittsfläche, Vorhandensein, Art und Lage von Einschnitten in die Magnetelemente unterscheidet .

Description

Magnetkern
Die Erfindung betrifft Magnetkerne für induktive Bauelemente.
Magnetkerne werden für viele leistungsfähige induktive Bauelemente benötigt, beispielsweise für Übertrager, Transformatoren, Elektromotoren, Elektromagneten und Antennen. Magnetkerne aus weichmagnetischen Materialien dienen dazu, den magnetischen Fluss zu bündeln und zu richten und somit effektiv zu führen.
Eine besondere Bauform und auch Gegenstand der Erfindung sind Kerne mit Luftspalt, bei denen der magnetische Fluss also mindestens einmal innerhalb des magnetischen Kreises das Magnetmaterial verläset. Bei geschlitzten Ringband-, Ovalband-, Rechteckkernen o.a. ist der Luftspalt gegenüber der sich im Magnetmaterial befindlichen so genannten Eisenweglänge klein, entsprechend muss der magnetische Pfad im Magnetmaterial und damit der Kern gekrümmt sein.
Bei Stabkernen ist der Magnetkern langgestreckt, der magnetische Fluss tritt zumindest teilweise aus den Stabenden aus und wird durch die Umgebung zurückgeführt, hier ist die Weglänge im nichtmagnetisehen Medium (z.B. Luft) länger als im Magnetmaterial . Daneben sind weitere Mischformen bekannt (z.B. U-Kerne). Bei allen diesen Formen tritt der Fluss nicht nur an den Kernenden (dem Luftspalt zugewandt) aus, sondern auch an den Seiten. Bei der hier betrachteten Realisierung des Kerns aus langgestreckten blech- oder faserförmigen Elementen tritt damit Fluss nicht nur aus den Stirnseiten der Elemente aus, sondern auch aus den Seitenflächen, was im Vergleich zu den bekannten massiven, isotropen Magnetmaterialien zu zusätzlichen Problemen führt. Die Erfindung betrifft damit alle offenen (der magnetische Fluss tritt mindestens einmal aus dem Magnetmaterial aus) Magnetkerne aus laminierten Magnetelementen. Wegen der einfachen Darstellbarkeit und größten Relevanz werden im Folgenden vor allem Stabkerne betrachtet. Die Ausführungen können z.B. auf geschlitzte Ringbandkerne transformiert werden, indem der Stabkern so gekrümmt wird, dass sich die Stabenden gegenüber stehen. Stabkerne werden beispielsweise als Antennenkern benutzt. Durch sie wird der magnetische Fluss sowohl in Sende- als auch Empfangsantennen effektiver gebündelt als in Luft- spulen.
Eine solche effektive Wirkung eines Magnetkerns in Verbindung mit einer ihn umgebenden Wicklung ist beispielsweise für die Erzielung einer optimierten Sende- oder Empfangsleistung notwendig. Dies kann beispielsweise zur Übertragung von Information, jedoch auch zur Übertragung von Energie notwendig sein. Entsprechende induktive Bauelemente sind nämlich sowohl bei Diebstahlsicherungs- , Identifikations- und Zugangssystemen zum Informationsaustausch über Entfernungen von ca. 5 m eingesetzt, als auch zur induktiven Energieübertragung, beispielsweise Batterieladung (vergleiche GB 2388715 A) oder zur Energieversorgung von Sensoren oder Aktoren (vergleiche US 3938018) .
Für eine Funktionsoptimierung eines derartigen induktiven E- lementes, insbesondere Optimierung der übertragenen Leistung ist das Design der Antenne und ihre Ansteuerung entscheidend. Im Bereich der Antenne, die wenigstens einen Magnetkern und eine Wicklung aufweist, muss möglichst ein maximaler Fluss im Magnetkern erzeugt werden. Ummagnetisierungsverluste im Kern oder Verluste in den Antennenspulen durch ohmsche Leistung, Proximityeffekt usw. sind zu minimieren, um im Ergebnis den Wirkungsgrad zu optimieren. Speziell Ummagnetisierungsverlus- te würden außer zu einer Verringerung der Übertragungsleistung auch zu einer Eigenerwärmung des Magnetkerns führen, was zu Schädigungen der Wicklung oder anderer Bauelemente in seiner Umgebung führen kann.
Ein derartiger Magnetkern, wie er für eine Antenne benötigt wird, ist üblicherweise als Stabkern in Form eines Quaders aufgebaut, der von einer oder mehreren Spulen umgeben ist. Der Fluss tritt zum größten Teil aus den Stirnflächen in Richtung der Längsachse des Quaders aus, jedoch teilweise auch aus den Seitenflächen und besonders an den Kanten der Kernenden. In diesen Bereichen der Ecken und Kanten am Kernende kommt es üblicherweise zu einer Flusskonzentration und damit einer Übersteuerung durch Sättigung. Es ist hierzu die Lösung bekannt, die Kanten abzuschrägen (EP 762535 Bl) .
Aus dem Stand der Technik sind als Material für den Magnetkern beispielsweise Ferrite oder weichmagnetische Metalle bekannt. Derartige Materialien sind typisch homogen und i- sotrop, so dass die Permeabilität ein Skalar und kein Tensor 2. Stufe ist. Das bedeutet, dass der Fluss im Magnetkern sich gradlinig und entsprechend einem in Luft erwarteten Feldverlauf ausbreitet. Magnetkerne aus dünnen Lagen weichmagnetischer Bänder, wie sie oft für Kerne mit Luftspalt und neuerdings auch für Kerne von Antennen verwendet werden, weisen dagegen durch ihre Anisotropie hiervon abweichende Eigenschaften auf. Insbesondere was die Verluste durch Wirbelströme angeht, ergibt sich bei einem Fluss in Längsrichtung eines derartigen Bandes eine Verringerung der Wirbelstromstärke dadurch, dass senkrecht zur Flussrichtung durch die geringe Dicke des Bandes nur sehr eingeschränkter Raum zur Verfügung steht. Hierdurch können sich Wirbelströme nur sehr schwach ausprägen. Lediglich die senkrecht zur Flachseite eines derartigen magnetischen Bandes eintretenden magnetischen Flüsse können Wirbelströme in der Ebene des Bandes in wesentlichem Ausmaß erzeugen.
Typische Ummagnetisierungsverluste lassen sich in metallischem Material in dem hier zu betrachtenden Frequenzbereich, der beispielsweise zwischen 15 und 150 kHz liegt, durch die Formel: P ~ B2 f 2 d 2 beschreiben. (B = Induktionsamplitude, f = Frequenz, d = räumliche Ausdehnung, das heißt kleinster Durchmesser des Wirbelstrompfades) . Die Analyse dieser Formel führt zu der Einsicht, dass einerseits die Induktionsamplitude möglichst gleichmäßig über den Kernquerschnitt verteilt werden muss und dass andererseits die Ausdehnung einzelner Magnetelemente senkrecht zum Flussverlauf möglichst gering sein sollte.
Zu einer Optimierung der Magnetkernausnutzung ist daher dafür Sorge zu tragen, dass ein größtmöglicher Teil des magnetischen Flusses sich innerhalb des Magnetkerns tatsächlich in Längsrichtung der Bänder oder auch entsprechender stabförmi- ger Magnetelemente ausbreitet. Dem entgegen wirkt der Effekt, dass in der oben erwähnten typischen quaderförmigen Kernform der magnetische Fluss nicht überall parallel zur Antennenachse verläuft. Beispielsweise treten bei einem typischen Dipol- feld auch in die Seitenflächen eines Magnetkerns Flusslinien ein, die dementsprechend Komponenten senkrecht zu einem Magnetelement in Form eines Magnetstreifens oder einem Magnet- Stabes beziehungsweise dessen Längsachse aufweisen und entsprechend höhere Verluste erzeugen. Positiv wirkt zunächst, dass durch die Ausbildung von Luft- spalten beziehungsweise Isolierlagen zwischen den einzelnen Magnetelementen der magnetische Fluss sich vorwiegend innerhalb des Kerns in einem einzelnen Magnetelement hält, was grundsätzlich erwünscht ist. Durch diesen Effekt ergibt sich jedoch wegen der in die Seitenflächen des Magnetkerns eintretenden Flusslinien, dass sich in den äußersten Lagen von Magnetelementen ein erhöhter Fluss ansammelt, was dort zu einer Übersteuerung durch Sättigung führen kann. Da die Ummagneti- sierungsverluste von der Induktionsamplitude quadratisch abhängen und damit nicht linear sind, ergibt sich durch eine solche ungleichmäßige Flussverteilung über den Querschnitt des Magnetkerns eine vermeidbare Erhöhung der Verlustrate . Eine weitere Aufgabe ergibt sich daher daraus, den magnetischen Fluss möglichst gleichmäßig über den Querschnitt des Magnetkerns zu verteilen.
Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn durch das Vorhandensein von magnetisch aktiven Teilen in der Umgebung des Magnetkerns wie beispielsweise Metallbleche, die den magnetischen Fluss verdrängen können, oder weichmagnetische Werkstoffe, die den magnetischen Fluss anziehen, eine asymmetrische Ausprägung des magnetischen Flusses entsteht. Auch einer derartigen asymmetrischen Ausprägung inner- und außerhalb des Kerns soll durch eine entsprechende Gestaltung des Magnetkerns Rechnung getragen werden.
In Ferriten ergeben sich solche Anisotropieeffekte einerseits wegen der Isotropie des Materials nicht, andererseits sind überhaupt Ummagnetisierungsverluste durch Wirbelströme wegen des hohen spezifischen ohmschen Widerstands nicht besonders ausgeprägt. In Ansehung des oben Dargelegten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Magnetkern zu schaffen, der besonders leistungsfähig in Bezug auf die Vermeidung von Wirbelstromverlusten beziehungsweise Ummagneti- sierungsverlusten und auf eine gleichmäßige Verteilung des Flusses zur Vermeidung von Sättigungseffekten ausgelegt ist . Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Magnetkern zu schaffen, die eine besonders effektive Verwendung als induktives Element für eine Antenne oder ähnliches Bauelement erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Magnetkern gemäß Patentanspruch 1 beziehungsweise Anordnungen gemäß den Patentansprüchen 15 und 18.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl Wirbelstromverluste effektiv begrenzt werden können, als auch die Flussverteilung auf die verschiedenen Magnetelemente innerhalb eines Magnetkerns optimiert werden kann, wenn die E- lemente untereinander nicht gleich sind, d. h. wenn wenigstens eines der Magnetelemente sich von den übrigen durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale unterscheidet : Materialpermeabilität, Krümmung, Länge ,
Form und/oder Größe der Querschnittsfläche, Vorhandensein, Art und Lage von Einschnitten in die Magnetelemente.
Dabei kann jedes dieser Merkmale für sich allein schon eine Verbesserung bewirken, besonders wirksam ist jedoch die Kombination von zwei, drei oder vier dieser Merkmale in einem Magnetkern. Die Magnetelemente können dabei lose aneinandergefügt sein, aber auch beispielsweise durch Kleben aneinander befestigt sein. Erfindungsgemäße Magnetkerne und Anordnungen eignen sich für einen Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 MHz, insbesondere von 15 kHz bis 150 kHz. In diesem Bereich werden die Vorteile der Erfindung auch besonders wirksam.
Wenn in einem Magnetkern die äußeren Magnetelemente, bei stabförmigen Elementen rundum die äußere Schicht, bei streifen- oder bandförmigen Elementen die beiden außenliegenden Bänder mit einer geringeren Materialpermeabilität versehen werden als die übrigen Bänder, so ziehen die zentral angeordneten Magnetelemente durch ihre höhere Permeabilität den eintretenden Fluss an. Hierdurch werden die durch die in die Seitenflächen des Magnetkerns schräg einfallenden Flusskomponenten überbelasteten äußeren Magnetelemente entlastet und dies führt insgesamt zu einer Vergleichmäßigung der Flussverteilung. Diese Gestaltung kann auch dahin abgeändert werden, dass von außen nach innen bei den einzelnen Magnetelementen die Materialpermeabilität kontinuierlich oder in Stufen ansteigt.
Werden in einem Magnetkern außen kürzere Magnetelemente verwendet als im Zentralbereich, so treffen die seitlich in den Magnetkern eintretenden Flusslinien nur teilweise die äußersten Magnetelemente und teilweise, dort wo die inneren Magnet- elemente länger sind als die äußeren, auf weiter innen liegende Magnetelemente. Dies führt dazu, dass insbesondere die schräg einfallenden Flusskomponenten sich auf mehrere Magnet- elemente verteilen und nicht ausschließlich in den äußeren Magnetelementen auftreten. Auch durch diese Maßnahme wird die Flussverteilung auf den Querschnitt des Magnetkerns vergleichmäßigt. Eventuell auftretende Wirbelstromverluste werden gleichmäßiger auf den Querschnitt verteilt, so dass auch eine eventuell eintretende Erwärmung sich gleichmäßig über den Magnetkern verteilt. Seitwärts in den Kern eintre- tender Fluss kann außerdem statt in die Fläche von blechför- migen Elementen in die Stirnseiten der verkürzten Elemente eintreten, sodass damit die Wirbelstromverluste abgesenkt werden. Sinnvollerweise werden die Magnetelemente so angeordnet, dass die äußeren verkürzten Magnetelemente des Bündels symmetrisch an beiden Enden hinter den Enden der zentral angeordneten Magnetelemente zurückbleiben. Es kann auch vorgesehen sein, dass nicht nur die äußersten Magnetelemente verkürzt sind, sondern dass von innen nach außen beziehungsweise vom Zentrum zu einer Seite bei bandförmigen Magnetelementen oder zu beiden Seiten eine stetige Verkürzung der Magnetelemente vorgesehen ist.
Aus der US 2003/000 5570 ist ein Magnetkern bekannt, der aus bandförmigen Magnetelementen besteht, die unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Diese Maßnahme ist dort jedoch nicht mit einer Verbesserung der Verlustleistung in Zusammenhang gebracht und es handelt sich dort um einen Jochkörper für einen Transformator, wobei die Magnetelemente zudem nicht in der Länge, sondern der Breite differieren.
In der WO 03/096361 Al und GB 2399227 A wird auf das Problem hingewiesen, dass die mittlere Flussdichte in der Kernmitte wegen des an den Enden seitlich eintretenden Flusses am höchsten ist. Dem soll begegnet werden, indem der Kernquerschnitt durch geeignetes Falten des Kernmaterials in der Mitte vergrößert wird, was im Ergebnis auch einer Verkürzung einzelner Bandlagen entspricht. Da dort auf die hier ausgearbeiteten Konsequenzen auf die Flussverteilung über den Querschnitt und insbesondere die Wirbelströme keine Rücksicht genommen wird, sind die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht ausreichend, um das der Erfindung zu Grunde liegende Problem hinreichend zu lösen. Die vorgeschlagene Falttechnik schafft so- gar weitere Probleme: Zur Vermeidung von Wirbelströmen wird erfindungsgemäß verlangt, dass der Fluss an den Stirn- und Seitenkanten eintritt . Diese werden aber in den genannten Schriften geknickt, d.h. der effektive Wirbelstrompfad mindestens verdoppelt, was zu einer unerwünschten Erhöhung der Wirbelströme führt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die äußeren der Magnetelemente (bei stabförmigen Magnetelementen die radial äußerste Schicht, bei streifenförmigen Magnetelementen die beiden äußeren Lagen) von der mittleren Längsachse des Magnetkerns an ihren Enden weggekrümmt sind.
Dies hat zur Folge, dass der Magnetkern besonders gut an den typisch fächerförmigen Flussverlauf eines Dipolfeldes außerhalb des Magnetkerns angepasst ist. Schräg in die Stirnseite des Magnetkerns eintretende Flusslinien treffen nahezu senkrecht auf die Stirnseiten der fächerförmig aufgeweiteten Magnetelemente, wenn diese wie üblich Quader- oder Zylinderform aufweisen. Dies hat, wie oben beschrieben, vorteilhafte Auswirkungen auf die Verringerung von Wirbelstromverlusten und auf eine gleichmäßige Verteilung der Flussdichte über den Querschnitt des Magnetkerns .
Der Magnetkern kann dabei so gestaltet sein, dass lediglich die äußere Lage der Magnetelemente entsprechend gekrümmt ist, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass von der äußeren Lage zum Zentrum hin die einzelnen Magnetelemente eine geringer werdende Krümmung von der Längsachse weg aufweisen, so dass sich in einem Längsschnitt ein typisch fächerförmiger Verlauf der Magnetelemente ergibt, entweder in drei Dimensionen bei stabförmigen Magnetelementen oder in nur zwei Dimensionen bei streifen- oder bandförmigen Magnetelementen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Magnetelemente in der äußersten Lage beziehungsweise in größter Entfernung von der mittleren Längsachse des Magnetkerns dünner oder mit geringerer Querschnittsfläche ausgebildet sind als die zentralen Magnetelemente des Magnetkerns . Auch hierbei kann einerseits vorgesehen sein, dass nur die äußersten Magnetelemente sich von den übrigen im Bezug auf die Dicke oder den Querschnitt unterscheiden oder auch andererseits, dass von außen nach innen ein stufenweiser oder mehr oder weniger kontinuierlicher Anstieg der Dicke der einzelnen Magnetelemente vorgesehen ist.
In der Folge sollen einige Beispiele für Kombinationen von Merkmalen, die der Patentanspruch 1 vorsehen kann, aufgezählt werden, ohne dass dies bedeuten soll, dass nicht aufgezählte Kombinationen nicht vorteilhaft wären.
Es können in einem Magnetkern die äußeren Magnetelemente eine geringere Materialpermeabilität aufweisen als die inneren und gleichzeitig an ihren Enden nach außen gekrümmt sein.
Es kann auch bei einer nach außen abnehmenden Materialpermeabilität vorgesehen sein, dass lediglich die Länge der Magnetelemente nach außen hin abnimmt. Gleichzeitig kann auch wahlweise die Dicke der einzelnen Magnetelemente nach außen hin abnehmen .
Vorteilhaft ist auch, wenn die äußeren Magnetelemente bei geringer werdender Dicke eine zunehmende Krümmung nach außen hin aufweisen. Beim Zusammenbau von erfindungsgemäßen Magnetkernen aus den Magnetelementen können beispielsweise dünne Bandleiter, die als nanokristalline weichmagnetische Materialien vorliegen und beispielsweise auch in Rascherstarrungstechnologie hergestellt sein können, mit entsprechend unterschiedlichen Merkmalen auf Lager gehalten werden. Beim Zusammenbau werden dann unterschiedliche Magnetelemente in Bezug auf Materialpermeabilität, Dicke und Länge zusammengebaut. Es können auch bereits vorgekrümmte Magnetelemente vorrätig gehalten werden.
Bei der Krümmung der Enden von Magnetelementen kann jedoch auch vorgesehen sein, nach dem Zusammenbau eines Magnetkerns die äußeren Magnetelemente an ihren Enden durch ein Werkzeug aufzufächern und dadurch eine entsprechende Krümmung von der Längsachse weg zu erzeugen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .
Insbesondere können die genannten Merkmale in einem Magnetkern auch unsymmetrisch verteilt sein, um entsprechenden Umgebungsbedingungen, die eine unsymmetrische Flussverteilung hervorrufen, Rechnung zu tragen.
Beispielsweise kann auch eine Hälfte eines Magnetkerns in Bezug auf alle Merkmale homogen aufgebaut sein, während die andere Hälfte gemäß der Erfindung inhomogen gestaltet ist.
Einen weiteren Vorteil hat die Reduzierung der effektiven Bandbreite in Gebieten, in denen Flusskomponenten senkrecht in die Bandlagen eintreten. Für diese Komponenten ist nicht die Banddicke für die Ummagnetisierungsverluste maßgeblich, sondern die Breite, die dann auch in der weiter oben angegebenen Formel für die Verluste für die Bandbreite eingesetzt werden muss. Für die gewünschte Wirkung genügt die Unterbrechung der Wirbelstrompfade, d.h. im einfachsten Fall ein Einschneiden der Bandlagen parallel zur Bandlängsachse. Idealer, aber technisch schwieriger ist das Einschneiden genau entlang der Feldlinien, d.h. schräg von der Bandmittelachse weg.
Aus der Verlustformel folgt, dass die Verringerung der Verluste besonders effektiv ist, wenn die resultierende Bandbreite klein ist, technisch realisierbar z.B. in der Größenordnung 0,3-2 mm. Eine spürbare Verringerung erzielt man aber auch schon, wenn z.B. ein 12 mm breiter Streifen gedrittelt wird. Das Verbesserungspotenzial steigt mit wachsender Frequenz: bei z.B. 10 kHz wird bei gleicher Unterteilung ein geringerer Nutzen erzielt als bei z.B. 1 MHz.
Den größten Gewinn bringt diese Methode in Bereichen mit merklichen Flusskomponenten senkrecht zur Bandfläche, d.h. an den Streifenenden der äußersten Bandlagen. Es genügt also, nur wenige äußere oder sogar nur die äußersten Bandlagen von den Enden her einzuschneiden. Technologisch kann es aber günstiger sein, alle Bandlagen und/oder auf der gesamten Länge zu schneiden. Dadurch entsteht kein Nachteil.
Die Unterteilung kann neben Einschneiden auch durch Einsägen, Ätzen, Erodieren etc. geschehen. Diese Maßnahme kann natürlich mit allen anderen genannten Maßnahmen beliebig kombiniert werden.
Wird ein induktives Element mit dem erfindungsgemäßen Magnetkern und einer Spule in Form einer Wicklung aufgebaut, so kann der erfindungsgemäße Effekt dadurch verstärkt werden, dass die Wicklungsdichte zu wenigstens einem der Enden des Magnetkerns hin zunimmt und/oder die Wicklung sich über eines der Enden des Magnetkerns hinaus erstreckt. Durch jede dieser Maßnahmen wird der den Magnetkern durchsetzende Fluss am Ende des Magnetkerns gebündelt und in Längsrichtung gerichtet, so dass der Anteil von schräg durch die Seitenflächen des Magnetkerns ein- oder austretenden Flusslinien verringert wird. Insbesondere am Ende einer Wicklung treten, wenn der Magnetkern über diese hinausreicht, besonders viele Flusslinien schräg durch die Seitenflächen des Magnetkerns aus oder ein. Dies kann durch die genannten Merkmale zielgerichtet verhindert werden.
In einer Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Magnetkern und anderen magnetisch aktiven Teilen, die die Verteilung des magnetischen Flusses im Umgebungsbereich des Magnetkerns a- symmetrisch verändern, ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine asymmetrische Variante des Magnetkerns gestaltet und in Bezug auf das asymmetrische Magnetfeld so angeordnet wird, dass einerseits der Eintritt von Flusslinien durch seitliche Begrenzungsflächen des Magnetkerns minimiert und andererseits die Verteilung des Flusses auf den Querschnitt des Magnetkerns insgesamt möglichst vergleichmäßigt wird. Dies ist beispielsweise in Anordnungen der Fall, wo eine Sende- und eine Empfangsantenne sich in geringem Abstand gegenüber stehen, um über einen Luftspalt Energie beispielsweise zum Aufladen eines Akkus zu übertragen. Der resultierende magnetische Feldverlauf ist hoch unsymmetrisch und dieser Tatsache kann durch die beschriebene Ausgestaltung Rechnung getragen werden.
Im Fall einer stark asymmetrischen Feldgestaltung kann auch vorgesehen sein, einen aus band- oder streifenförmigen Magnetelementen bestehenden Magnetkern derart anzuordnen, dass die schräg auf einer Seite des Magnetkerns in dessen Seiten- flächen eintretenden Flusslinien auf die Schmalseiten der entsprechenden bandförmigen Magnetelemente treffen. Hierzu muss der Magnetkern lediglich so ausgerichtet werden, dass die Grenzflächen zwischen den bandförmigen Magnetelementen parallel zu den einfallenden Flusslinien ausgerichtet werden.
Die in den Magnetelementen hervorgerufenen Wirbelströme finden bei dieser Eintrittsrichtung wegen der geringen Dicke der Magnetelemente nur sehr wenig Raum (vergleiche oben genannte Formel, d entspricht der Dicke der Bänder) und somit werden Wirbelstromverluste effektiv begrenzt.
Neben dieser Ausgestaltung der Anordnung können natürlich wahlweise auch die Merkmale aus Patentanspruch 1 einzeln oder gemeinsam erfüllt sein. Es sei jedoch angemerkt, dass auch durch ausschließliche Anwendung einer derartigen Positionierung ohne die Erfüllung der Merkmale des Patentanspruchs 1 schon ein Vorteil in Bezug auf die erfindungsgemäße Aufgabe erzielt wird.
Im übrigen kann auch für sich allein oder im Zusammenhang mit den in Patentanspruch 1 aufgezählten Merkmalen vorgesehen sein, dass die einzelnen Magnetelemente eines Magnetkerns einen über ihre Länge variierenden Querschnitt aufweisen. Insbesondere bei bandförmigen Magnetelementen können diese zu den Enden hin dicker werden.
Dadurch wirken die verdickten Enden als eine Art Polschuh, durch den vermehrt Flusslinien in das jeweilige Magnetelement eintreten. Derart an den Enden verdickte Magnetelemente können insbesondere im inneren Bereich eines Magnetkerns angeordnet sein, um in diesem Bereich besonders viele Flusslinien einzufangen und somit die Flussdichte zu vergleichsmäßigen, da im Außenbereich die Magnetelemente, wie oben beschrieben, zusätzlich die schräg einlaufenden Flusslinien einfangen.
Es kann in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass die außenliegenden Magnetelemente an ihren Enden verdünnt sind, so dass sich im Ganzen ein quaderförmiger Querschnitt des Magnetkerns ergibt .
Die beschriebene Verdickung von einzelnen Magnetelementen kann insbesondere bei einer Auffächerung der Enden, wenn diese von der Längsachse des Magnetkerns weggekrümmt sind, problemlos vorgesehen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt :
Figur 1 einen quaderförmigen laminierten Magnetkern,
Figur 2a einen laminierten Magnetkern mit Wicklung und das ihn umgebende Feld,
Figur 2b die Feldverteilung um einen Magnetkern mit einem benachbarten weichmagnetischen Körper,
Figur 2c die Magnetverteilung um einen Magnetkern mit einem benachbarten nichtmagnetischen metallischen Körper,
Figur 2d die Magnetverteilung um einen ringförmigen
Magnetkern mit Spalt, Figur 3a den Flussverlauf am Rande eines isotropen Magnetkerns, z.B. Ferrit,
Figur 3b den Flussverlauf am Rande eines laminierten Magnetkerns ,
Figur 4 in einem Magnetelement verlaufende sowie aus dem Element austretende Flusslinien und entsprechende relevante Wirbelstrompfade,
Figuren 5a, 5b je einen laminierten Kern mit verkürzten Magnete1ementen,
Figuren 6a, 6b je einen Magnetkern mit gekrümmten Magnet- elementen,
Figur 7a einen Magnetkern mit unterschiedlich dicken Magnetelementen,
Figur 7b einen Magnetkern mit an ihren Enden verdickten Magnetelementen,
Figur 8a einen Magnetkern mit Magnetelementen, die Einschnitte tragen,
Figur 8b einen Magnetkern mit Magnetelementen, die durchgehende Einschnitte tragen,
Figur 9 einen Magnetkern mit einer an einem Ende über diesen hinausgehenden und am anderen Ende gerafften Wicklung, Figuren 10a, 10b die unterschiedlichen Verhältnisse beim
Flussaustritt aus einem laminierten Körper in zwei gegeneinander verdrehten Orientierungen relativ zum asymmetrischen äußeren.
Figur 1 zeigt einen Magnetkern 1, der als Laminat aus vielen rechteckigen, gleich großen, streifenförmigen Magnetelementen 2 bis 8 hergestellt ist, die beispielsweise unter Zwischenlage von dünnen Kunststoffschichten mittels Klebstoff verbunden werden .
Die einzelnen Magnetelemente 2 bis 8 können beispielsweise aus einem amorphen oder nanokristallinen metallischen Material mit weichmagnetischen Eigenschaften bestehen, aus dem sich hochleistungsfähige Magneten herstellen lassen.
Derartige Magnetkerne können zur Bildung von induktiven Bauelementen beispielsweise unter Verwendung einer diese umgebenden Wicklung eingesetzt werden. Insbesondere als Bauteil für eine Antenne zur Informationsübermittlung oder zur Übertragung von Energie können derartige leistungsfähige Magnetkerne dienen.
Figur 2a zeigt diesbezüglich schematisch einen einfachen Aufbau mit einem Magnetkern 1' , der von einer Wicklung 9 mit den beiden Anschlüssen 10, 11 umgeben ist. Außerdem sind die Flusslinien 12, 13, 14 eingezeichnet, die dem Verlauf eines normalen magnetischen Dipolfeldes entsprechen. Zusätzlich ist die Längsachse 15 des Magnetkerns eingetragen.
In der Figur 2b ist derselbe Magnetkern 1' dargestellt, wobei die laminierte Bauweise nicht gesondert angezeigt ist, und wobei neben dem Magnetkern auf dessen linker Seite ein weite- rer weichmagnetischer Körper 16 mit hoher Permeabilität eingezeichnet ist, der den magnetischen Fluss anzieht. Somit ergibt sich, wenn man den Verlauf der Flusslinien betrachtet, ein asymmetrischer Feldverlauf, der in der Figur 2b gezeigt ist. Es führen mehr Flusslinien vom dem Magnetkern 1' nach links als zur rechten Seite, da der Magnetkreis im wesentlichen links von dem Magnetkern 1' über den magnetischen Luftspalt und den weichmagnetischen Körper geschlossen wird.
Figur 2c zeigt den Magnetkern 1' in einer Anordnung mit einer unmagnetischen Metallplatte 17, die den magnetischen Fluss wegen der im metallischen Körper induzierten Wirbelströme, die dem Magnetfeld entgegenwirken, verdrängt. Entsprechend schließen sich die Flusslinien 18 bevorzugt über die rechte Seite des Magnetkerns 1' über den Luftspalt.
In den Fällen gemäß Figur 2b und 2c findet im Bereich des Magnetkerns 1 eine unsymmetrische Verteilung der Flusslinien statt. Dies hat grundsätzlich bei einem laminiert aufgebauten Magnetkern auch die Folge, dass die einzelnen Magnetelemente den Fluss in unterschiedlicher Intensität führen. Die Effektivität kann hier dadurch gesteigert werden, dass der Magnetkern analog Figur 10b so gedreht wird, dass die Bandagen parallel zur Zeichenebene verlaufen.
Figur 2d zeigt den Magnetkern 1' in einer ringförmigen Ausgestaltung mit einem Spalt, in dessen Nachbarschaft Flusslinien 19 aus dem Kernmaterial austreten.
Figur 3a zeigt bei einem massiv aufgebauten Magnetkern 20 z.B. einen Ferritkern schematisch den Austritt von Flusslinien 21, 22, 23 und 24. Wie deutlich zu erkennen ist, treten die meisten Flusslinien 21, 22 durch die Stirnseite 25 des Magnetkerns 20 aus. Wegen der in den Figuren 2a, 2b, 2c gezeigten typischen Feldverteilung treten jedoch einige der Flusslinien 23, 24 auch durch die Seitenflächen 26, 27 des Magnetkerns 20 aus. Innerhalb des Magnetkerns 20 werden die Flusslinien mit wachsendem Abstand von den Stirnseiten gebündelt und über den Kernquerschnitt gleichmäßig verteilt.
Figur 3b zeigt eine ähnliche Verteilung der Flusslinien bei einem Magnetkern 28, der aus einzelnen bandförmigen Magnet - elementen 29, 30 aufgebaut ist. Es zeigt sich, dass im Außenbereich des Magnetkerns 28 die Verteilung der Flusslinien 31, 32 in etwa der Verteilung bei einem massiven Magnetkern wie in Figur 3a gezeigt entspricht.
Bei Analyse des Verlaufs der Flusslinien innerhalb der einzelnen Magnetelemente 29, 30 ergibt sich jedoch, dass wegen der Trennflächen zwischen den einzelnen Magnetelementen der Fluss nach dem Eintritt in eines der Magnetelemente die Tendenz hat, dort weiter zu verlaufen, ohne Trennflächen zu einem anderen Magnetelement zu überspringen. Dies führt dazu, dass die Flusslinien 31, 32, die außerhalb des Magnetkerns 28 getrennt sind, beide innerhalb des Magnetkerns 28 in einem einzigen Magnetelement 29 verlaufen. Dies ist ein Problem, das vor allem bei den äußersten Magnetelementen eines Magnetkerns auftritt, und das jedenfalls zu den zentralen Magnet- elementen hin stark abnimmt. Es ergibt sich eine Übersteuerung beziehungsweise magnetische Sättigung der äußeren Magnetelemente, die durch die Erfindung vermieden werden soll.
Die in den Figuren 3a und 3b gezeigten Verläufe gelten auch für Ringkerne gemäß Figur 2d, sofern nur eine der Stirnseiten des Ringkerns betrachtet wird. Anhand der Figur 4 soll dargestellt werden, inwieweit und auf welche Weise die innerhalb und in Längsrichtung eines Magnet- elementes 29 verlaufenden Flusskomponenten 32 günstiger sind als die schräg zur Bandebene, insbesondere senkrecht zur Bandebene verlaufenden Komponenten der Flusslinien 31, die schräg in die Wandebene eintreten.
Die typisch durch Ummagnetisierung auftretenden Wirbelstromverluste werden jeweils durch den ringförmigen Fluss von e- lektrischen Strömen senkrecht zur Flussrichtung in dem Material hervorgerufen. Die Wirbelstrompfade, die in der Figur 4 mit 33, 34 bezeichnet sind, haben im wesentlichen Kreisform und der auftretende Verlust ist proportional zum Quadrat des für einen Wirbelstrompfad maximal zur Verfügung stehenden Durchmessers d' , d' ' .
Wie in der Figur 4 zu erkennen, steht bei den in der Bandebene verlaufenden Flusslinien 32 für entsprechende Wirbelstrompfade nur ein Durchmesser des Kreises 33 d' zur Verfügung, der maximal der Dicke des Magnetelementes 29 entspricht. Derartige Wirbelstromverluste lassen sich somit durch die Auswahl von dünnen Magnetelementen effektiv begrenzen. Hier stehen Magnetelemente in Band- oder Streifenform in Dicken bis unter 10 μm zur Verfügung. Typisch sind Dicken zwischen 10 und 30 μm.
Für Komponenten 31 von Flusslinien, die senkrecht zur Bandebene verlaufen, steht dagegen ein Wirbelstrompfad 34 in Kreisform mit einem großen Durchmesser d' ' zur Verfügung, der die gesamte Breite des Bandleiters 29 ausnutzen kann. Somit sind die Wirbelstromverluste von senkrecht zur Bandebene verlaufenden Flusskomponenten wegen deren quadratischer Abhängigkeit von d wesentlich größer als bei den längsverlaufenden Flüssen 32. Es zeigt sich somit, dass aus dem Bandmaterial austretender Fluss wegen der damit zwangsläufig verbundenen im Bandmaterial schräg verlaufende Flusskomponenten um Größenordnungen größere Verluste verursachen als die längsverlaufenden Flusskomponenten mit Austritt aus den Stirnseiten.
Die verschiedenen Maßnahmen gemäß der Erfindung haben zum Ziel, den Fluss innerhalb des Magnetkerns im wesentlichen auf in diesem längs verlaufende Flussrichtungen zu konzentrieren und den Fluss auf die einzelnen Magnetelemente möglichst gleichmäßig zu verteilen. Hierzu zeigt Figur 5a einen Magnetkern 70 für ein symmetrisches Dipolfeld, bei dem die äußeren Bandlagen gegenüber den inneren verkürzt sind. Entsprechend schräg in den Kern einlaufende Flusslinien laufen daher nicht alle in die seitliche Begrenzungsfläche des äußersten Magnetelementes 35 ein, sondern teilweise auch in das zweitäußerste Magnetelement 36, dort wo es über das äußerste Magnetelement 35 übersteht. Die gleiche Verteilung zeigt sich auf der anderen Seite der Längsachse 37, so dass damit eine Vergleichmäßigung der Verteilung der Flussdichte auf die verschiedenen Magnetelemente 35, 36 erreicht wird und insbesondere - anders als nach Stand der Technik in Figur 3b gezeigt - auch die schräg einfallenden Komponenten auf verschiedene Magnetelemente verteilt sind. Hierdurch ergibt sich auch eine effektive Verteilung der Verlustleistung und damit eine geringere Wahrscheinlichkeit von lokaler Überhitzung des Magnetkerns.
Figur 5b zeigt einen stufenförmigen Aufbau mit einem im Längsschnitt trapezförmigen Ansicht eines Magnetkerns IQ' , der dann sinnvoll ist, wenn der entsprechende Magnetkern in einem asymmetrischen Magnetfeld eingesetzt werden soll. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Flussdichte oberhalb des Magnetkörpers wesentlich größer als unterhalb beispielsweise weil oberhalb des Magnetkörpers ein weichmagnetischer weiterer Körper positioniert ist, der nicht dargestellt ist.
Die Längenunterschiede zwischen den einzelnen Magnetelementen 35, 36 können über den gesamten Stapel eines Magnetkerns mehr als 5%, insbesondere auch mehr als 10% variieren.
Figur 6a zeigt eine Variante, bei der in einem Kern 80 von Magnetelementen 38, 39, 40 die Enden der Magnetelemente von der Längsachse 41 weggekrümmt sind. Dies erlaubt den Flusslinien 42, 43 einen Eintritt vorzugsweise in die Stirnflächen der Magnetelemente 38, 40, so dass dort der Fluss innerhalb des jeweiligen Magnetelementes zunächst in dessen Längsrichtung verläuft und entsprechend WirbelStromverluste gering gehalten werden. Innerhalb des Magnetelementes folgt dann der Fluss im wesentlichen dessen Krümmung, so dass die Flusslinien mit den in der Mitte gebündelten Magnetelementen ebenfalls gebündelt werden.
Zeigt die Figur 6a eine derartige Gestaltung für einen symmetrischen Flusslinienverlauf , so ist in der Figur 6b eine optimierte Gestaltung für einen asymmetrischen Flusslinienverlauf dargestellt. Beispielsweise kann der Körper 44 eine nichtmagnetische Metallplatte sein, die den magnetischen Fluss verdrängt, so dass die Dichte des magnetischen Flusses oberhalb des Magnetkerns 80' größer ist als unterhalb. Das unterste Magnetelement 45 kann dann gerade ausgebildet sein, die darüber angeordneten Magnetelemente 46, 47 sind jeweils an ihren Enden von der Längsachse des Magnetkerns weg gekrümmt, um einen optimierten Eintritt der Flusslinien in die Magnetelemente zu erlauben. Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Ausgestaltung soll im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert werden, bei der gemäß dem Stand der Technik geometrisch gleichartig ausgeprägte Magnetelemente 2 bis 8 geschichtet sind.
Gemäß der Erfindung können diese Magnetelemente 2 bis 8 aber auch mit unterschiedlicher Materialpermeabilität ausgestattet sein, wobei entweder nur die äußersten, 2 und 8 mit einer verringerten Materialpermeabilität ausgestattet sind oder a- ber mehrere der Magnetelemente 2 bis 8 von innen nach außen mit absinkender Materialpermeabilität versehen sind. Die höchste Materialpermeabilität sollte im zentralen Bereich des Stapels erreicht sein, beispielsweise bei den Magnetelementen 4, 5 und 6. Die Unterschiede zwischen den Permeabilitäten (μmax - μmin) sollten über den gesamten Kern wenigstens 10%, vorzugsweise mehr als 100% bezogen auf die durchschnittliche Permeabilität betragen.
Durch diese Ausgestaltung ziehen die zentralen Magnetelemente wegen ihrer höheren Permeabilität den Fluss stärker an, so dass der Effekt, dass in die äußeren Magnetelemente zusätzlich der seitlich einfallende Fluss eingefangen wird, einigermaßen ausgeglichen wird. Dadurch kann eine gleichförmige Verteilung des Flusses auf den Querschnitt des Magnetkerns erreicht werden.
Figur 7a zeigt zur Erzielung optimierter magnetischer Eigenschaften einen Magnetkern, der aus Magnetelementen unterschiedlicher Dicke besteht, wobei die Dicke von innen nach außen abnimmt. Das äußerste Magnetelement 48 ist damit dünner als die übrigen Magnetelemente. Außer dem dort gezeigten symmetrischen Aufbau einer derartigen Dickenverteilung kann na- türlich auch ein asymmetrischer Aufbau analog zu dem in Figur 5b und Figur 6b gezeigten vorgesehen werden.
Figur 7b zeigt eine Ausgestaltung eines Magnetkerns, bei dem an den Enden der Magnetelemente 49 jeweils Verdickungen 50, 51 an einem oder beiden Enden eines jeden Magnetelementes vorgesehen sind, um den Eintritt von Flusslinien zu erleichtern. Es kann auch vorgesehen sein, dass nur bestimmte der Magnetelemente entsprechende Verdickungen aufweisen, und zwar diejenigen Magnetelemente, in die der Fluss bevorzugt hineingelenkt werden soll, beispielsweise auch nur die zentral angeordneten Magnetelemente .
Außer der Konstruktion mit verdickten Enden 50, 51 kann auch vorgesehen sein, dass die Magnetelemente jeweils von ihrer Mitte bezüglich der Länge her nach den Enden hin stetig an Dicke zunehmen und dass in dem Stapel entsprechend auch Magnetelemente mit unterschiedlicher Kontur vorgesehen sind, um dies im GesamtStapel auszugleichen und zu einem quaderförmigen Magnetkörper zu kommen. Dabei wären optimal die zu ihrem Ende hin dicker werdenden Magnetelemente in der Mitte des Stapels angeordnet während die zu ihren Enden hin dünner werdenden Magnetelemente in den äußeren Lagen vorgesehen werden sollten, um eine gleichmäßige Flussverteilung bei geringer Verlustleistung zu erzielen.
Die Figur 8a zeigt einen Stapel von Magnetelementen 52, 53, die einen Magnetkern 90 bilden, wobei in dem äußersten Magnetelement 52 Einschnitte 54, 55 vorgesehen sind, die das Magnetelement 52 senkrecht zu seiner Bandebene ganz durchsetzen. Durch diese Einschnitte wird die effektive Breite des Magnetelementes 52 für Wirbelströme von senkrechten Flusskomponenten (vgl. Figur 4) begrenzt, da jeweils nur noch die Zwischenräume 56, 57 zwischen den Einschnitten 54, 55 für einen Wirbelstrompfad zur Verfügung stehen und damit der Durchmesser der Wirbelstrompfade effektiv verringert ist .
Figur 8b zeigt eine Weiterentwicklung, bei der Einschnitte in Längsrichtung der Magnetelemente diese ganz durchsetzen, was hier zu einem Bündel von stabförmigen Magnetelementen beziehungsweise Magnetelementen geringerer Breite führt, die über- und nebeneinander angeordnet sind.
Figur 9 zeigt zwei Maßnahmen, die bei einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Magnetkern 58 und einer Wicklung 59 vorgesehen sein können. Da am Ende einer Wicklung, insbesondere wenn diese nicht mit dem Ende des Magnetkerns zusammenfällt, besonders viele Flusslinien seitlich aus dem Magnetkern austreten, ist dieser Bereich für die ungewollten Flusskomponenten senkrecht auf die Seitenflächen des Magnetkerns besonders kritisch. Es kann deshalb einerseits vorgesehen sein, wie dies am oberen Ende der gezeigten Spule 59 der Fall ist, die Wicklung über das Ende des Magnetkerns hinaus zu führen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Magnetkern von einer Hülse umgeben ist, auf die die Wicklung aufgewickelt ist und die an beiden Enden oder an einem Ende des Magnetkerns über diesen übersteht .
Am unteren Ende der in der Figur 9 dargestellten Anordnung ist die Wicklung 59 stark gerafft, das heißt die Wicklungs- dichte pro Längeneinheit in Längsrichtung des Magnetkerns ist dort stark erhöht. Vorteilhaft ist eine Erhöhung um wenigstens 10% der Wicklungsdichte. Die Wicklung endet an diesem unteren Ende an der Stirnseite des Magnetkerns. Durch die Raffung der Wicklung werden die in den Magnetkern verlaufenden Flusslinien besonders effektiv gebündelt, so dass das Austreten von schrägen Feldkomponenten an den Kanten der Stirnfläche des Magnetkerns reduziert wird. Die Figur 9 ist exemplarisch zu verstehen und es versteht sich, dass beide Maßnahmen, Raffung der Wicklung und das Überstehen der Wicklung über die Enden des Magnetkerns jeweils auch an beiden Enden des Magnetkerns angewendet und miteinander kombiniert werden können. Diese beiden Maßnahmen können im übrigen auch unabhängig von den im Anspruch 1 genannten Maßnahmen vorteilhaft sein.
Figur 10a zeigt eine Grundplatte 60, die beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen Metall besteht, das nichtmagnetisch ist und die magnetischen Feldlinien verdrängt. Mit oder ohne Abstand zu dieser Platte kann ein Magnetkern 61 angeordnet werden, der aus bandförmigen Magnetelementen besteht, die flach auf der Platte 60 aufliegen beziehungsweise oberhalb der Platte parallel zu dieser angeordnet sind. Den Gesetzen des Magnetismus folgend wird der magnetische Fluss sich eher auf der von der Platte 60 abgewandten Seite des Magnetkerns 61 schließen, das heißt der Großteil der Flusslinien 62, 63 wird im Bogen aus dem Magnetkern 61 austreten und zwar aus der Zeichenebene heraus und nach oben. Dies führt zwangsläufig zu dem vermehrten Auftreten von Flusskomponenten senkrecht zur Ebene der bandförmigen Magnetelemente, was mit einer erhöhten Flussdichte bei den obersten Magnetelementen und einer Erhöhung der WirbelStromverluste eben dort verbunden ist.
Erfindungsgemäß kann daher in einer solchen Anordnung gemäß Figur 10b vorgesehen sein, dass bei dieser geometrischen Konstellation die Bandebenen der magnetischen Elemente senkrecht zu der Platte 60 stehen, so dass die schräg auslaufenden Flusslinien 64, 65 keine Komponenten senkrecht zur Band- Z /
ebene bilden, sondern nur Komponenten in der Bandebene, deren WirbelStromverluste durch die geringe Dicke der einzelnen Magnetelemente begrenzt werden kann (vergleiche oben Erläuterungen zu Figur 4) . Auch diese Maßnahme kann mit den übrigen anhand der Ausführungsbeispiele dargestellten Maßnahmen kombiniert werden.
Bei der Ausgestaltung gemäß Figur 10b kann die Stapelhöhe, das heißt die Ausdehnung des Magnetkerns senkrecht zu den E- benen der bandförmigen Magnetelemente, größer sein als die Breite des Stapels, das heißt die Abmessungen des Kerns senkrecht zu dieser Richtung in Richtung der Breite der einzelnen Magnetelemente .
In der Folge werden noch einige Messergebnisse aus eigenen Messungen und aus der Literatur für drei Modellantennen dargelegt, deren Kerne aus 30 Lagen MgO-isolierten Streifen (im Mittel 15 cm lang, 12,5 mm breit, 20 μm dick) aus amorphem Co-Basis-Material (μi ca. 2000) bestanden. Die Wicklungszahl der Bewicklung lag um 60, wobei versucht wurde, eine Induktivität von ca. 110 μH bei 100 kHz beizubehalten. Eine Referenzantenne bestand entsprechend dem beschriebenen Stand der Technik aus rechteckigen gleichartigen Streifen. Bei einer asymmetrischen gerichteten Flussführung zwischen Sende- und Empfangsantenne, begünstigt durch die Kerne selbst und durch Abschirm- und Flussleitteile, wurde die Referenzanordnung entsprechend dem Stand der Technik so gewählt, dass der Fluss bevorzugt aus der Fläche der Bänder herausgeführt wurde. Die erfindungsgemäßen Antennen waren im Vergleich bis auf die jeweiligen beschriebenen Modifikationen soweit wie möglich gleich aufgebaut. Als Sendeantenne wurden die Antennen so angesteuert, dass bei 100 kHz eine räumlich gemittelte Aussteuerung von BA = 100 mT, also ein Fluss von ca. 0,75 μWb er- zeugt wurde. Angegeben sind jeweils die Güte der Antenne sowie die Leistungsaufnahme, wobei erstere zu maximieren und letztere zu minimieren ist. Als Empfangsantenne wurden die Antennen in das Feld einer Sendeantenne gebracht und die induzierte Spannung gemessen. Das Feld wurde durch eine Referenzantenne erzeugt, der Fluss in ihr betrug bei 100 kHz ΦΛ = 1 μWb. Beide Antennen wurden nebeneinander, dabei zueinander parallel und zentriert mit einem Abstand beider Achsen von 20cm betrieben. Bei Verwendung von Aluminiumblech als Abschirmung befand sich dieses auf der der Sendeantenne abgewandten Seite.
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Als Beispiel für den Stand der Technik wurde ein Antennenkern aus 200 Lagen Co-amorph-Band mit μ± = 1800 und einer Dicke von 22 μm (damit ergibt sich unter Berücksichtigung einer dünnen Isolationsschicht und eines üblichen Band-Füllfaktors von 80% eine Stapelhöhe von ca. 6 mm) , Breite 12.5 mm, Länge 300 mm aufgebaut. Der Kern wurde mit einer homogenen Bewicklung N = 20 versehen und in einem Abstand von 10 mm - von der Kernoberfläche aus gemessen - auf einem großflächigen Aluminiumblech gelagert, wobei die Bandebenen parallel zur Blechebene lagen. Damit erfolgt eine vorzugsweise Abstrahlung des Magnetfeldes von der Platte weg, verbunden mit einem erhöhten Flussaustritt aus den Bandflächen. Bei einer sinusförmigen Ansteuerung mit 70 kHz und einer mittleren Aussteuerung von 100 mT wurden eine Leistungsaufnahme von 4.5 W und eine Antennengüte von 35 gemessen. Die Leistungsaufnahme ist hierbei ein Maß für die Ummagnetisierungsverluste .
Durch Einschneiden der Bänder wird nun die effektive Bandbreite verringert. Besonders wirksam ist dies in den Bereichen, in denen Flusskomponenten senkrecht zur Bandoberfläche wirksam werden, also an den Enden der äußeren Bandlagen. Aus Gründen einer rationellen Fertigung können aber auch alle Bänder an den Enden oder durchgehend geteilt sein, wobei die Wirkung mit der Anzahl der Schnitte zunimmt. Als Beispiel hierfür wurden die Enden (3 cm) der unter Beispiel 1 genannten Antenne nach Stand der Technik entlang der Bandachse gedrittelt . Die Leistungsaufnahme sank auf 3.8 W, die Güte stieg auf 38.

Claims

Patentansprüche
1. Magnetkern (1, 1' , 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) aus metallischer Legierung mit einer geraden oder gekrümmten Längsachse, parallel zu der ein magnetischer Fluss innerhalb des Magnetkerns im wesentlichen geführt werden soll, wobei der Magnetkern aus einer Mehrzahl von parallel zueinander stab- oder streifenförmig ausgebildeten Magnetelementen (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) sich von den übrigen durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale unterscheidet:
- Materialpermeabilität, Krümmung,
Länge ,
- Form und/oder Größe der Querschnittsfläche, Vorhandensein, Art und Lage von Einschnitten in die Magnetelemente .
2. Magnetkern gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich mehrere der Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) in Abhängigkeit von ihrer Position innerhalb des Magnetkerns (1, 1', 20, 28,
29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) von anderen Magnetelemen- ten in Bezug auf eines der genannten Merkmale unterscheiden.
3. Magnetkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29,
30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) unter den übrigen Magnetelementen in Bezug auf den Querschnitt des Magnetkerns
(1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) bezüglich einer Mittelachse oder einer Mittelebene symmetrisch verteilt sind.
4. Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der in der Mitte des Magnetkerns (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) verlaufenden Längsachse aus gesehen zu wenigstens einer Seite hin die Magnetelemente (2, 3,
4. 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) mit steigendem Abstand eine abnehmende Materialpermeabilität und/oder eine abnehmende Länge und/oder - eine steigende Krümmung von der Längsachse weg und/oder eine geringer werdende Dicke und/oder eine steigende Anzahl und/oder wachsende Tiefe von Ein- schitten aufweisen.
5. Magnetkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) in Bezug auf eine Mittelebene, die die Längsachse (15, 37, 41) enthält, spiegelsymmetrisch aufgebaut ist.
6. Magnetkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) in Bezug auf seine Längsachse radial symmetrisch aufgebaut ist.
7. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 6 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die an einer oder mehreren Seitenflächen (26, 27) des Magnetkerns (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, -70', 80, 80', 90) gelegenen Magnetelemente von den übrigen Magnetelementen in Bezug auf wenigstens eines der genannten Merkmale unterscheiden. 8. Magnetkern nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den an den Seitenflächen des Magnetkerns (1, 1' , 20,
28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) gelegenen Magnetelemen- ten (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) und der Längsachse des Magnetkerns ein stetiger oder stufenweiser Übergang in Bezug auf das Ausmaß der Unterschiede bezüglich eines der genannten Merkmale vorgesehen ist.
9. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die unmittelbar an einer Seitenfläche des Magnetkerns gelegenen Magnetelemente (46, 47) an ihren Enden von der Längsachse des Magnetkerns weg gekrümmt sind.
10. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (52) streifenförmig ausgebildet sind und dass wenigstens die äußeren Magnetelemente des Magnetkerns einen oder mehrere parallel zueinander verlaufende, das jeweilige Magnetelement vollständig durchsetzende Einschnitte (54, 55) aufweisen, die sich vom Ende des jeweiligen Magnetelementes in dieses hinein erstrecken und dieses der Breite nach unterteilen.
11. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8,
29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einem nanokristalli- nen Material oder aus einem durch Rascherstarrungstechnologie hergestellten glasartigen magnetischen Material bestehen.
12. Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Magnetelemente (49) zu ihren Enden (50, 51) hin eine vergrößerte Querschnittsfläche auf- weisen und dass insbesondere andere der Magnetelemente zu ihren Enden hin eine verringerte Querschnittsfläche aufweisen.
13. Magnetkern nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Magnetelemente, die zu ihren Enden hin vergrößerte Querschnittsflächen aufweisen, im Zentrum des Magnetkerns angeordnet sind, während an den Außenseiten des Magnetkerns Magnetelemente mit über ihre Länge gleichbleibender Querschnittsfläche oder sich zu den Enden hin verringernder Querschnittsfläche angeordnet sind.
14. Anordnung mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1
- 13 und mit einer diesen umgebenden elektrisch leitenden Wicklung (59) , dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsdichte zu wenigstens einem der Enden des Magnetkerns (58) hin zunimmt .
15. Anordnung mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1
- 13 und mit einer diesen umgebenden elektrisch leitenden Wicklung (59) , dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (59) sich axial an wenigstens einem Ende des Magnetkerns über dessen Ende hinaus erstreckt .
16. Anordnung mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1
- 13 und mit einer diesen umgebenden elektrisch leitenden Wicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsdichte zu wenigstens einem Ende des Magnetkerns (58) hin zunimmt und dass die Wicklung (59) sich axial an wenigstens einem der Enden des Magnetkerns über dessen Ende hinaus erstreckt .
17. Anordnung mit einem Magnetkern, nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher magnetisch wirksamer Körper (16, 17, 44, 60) vorgesehen ist, durch dessen Anwesenheit der magnetische Fluss in den Magnetkern unsymmetrisch ein- und/oder austritt.
18. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein elektrisch leitfähiger Körper (17) ist.
19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (16) aus einem eine magnetische Permeabilität > 1 aufweisenden Material besteht.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern so ausgebildet und angeordnet ist, dass der magnetische Fluss überwiegend an Kanten der magnetischen Elemente austritt.
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