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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen magnetischen Ringkern sowie
ein Verfahren zur Herstellung von magnetischen Ringkernen. Die vorliegende Erfindung
betrifft insbesondere einen gespaltenen magnetischen Ringkern mit
genau bestimmten und besonders stabilen Eigenschaften sowie ein
Verfahren zur Herstellung von solchen magnetischen Ringkernen.
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Gespaltene
magnetische Ringkerne werden zum Beispiel zur Herstellung von Drosseln
verwendet. Ein gespaltener magnetischer Ringkern weist auf seinem
Umfang einen Spalt, welcher leer gelassen oder mit einer nicht magnetisierbaren
Materie gefüllt
wird. Eine Spule wird mit diesem Kern gebildet, indem ein elektrisch
leitender Draht um den Ringkern gewickelt wird. Die Spule wird dann
zum Beispiel in einer elektrischen Schaltung, zum Beispiel in einem Schwingkreis,
integriert, indem beide Enden der Wicklung mit der Schaltung elektrisch
verbunden werden. Der elektrische Strom durch die Winklung verursacht
einen magnetischen Fluss im Ringkern, welcher beim Spalt unterbrochen
wird, und somit aus dem Ringkern ausstrahlt.
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Im
Stand der Technik wird der Spalt meistens gemacht, indem ein Ring
aus einem magnetischen Material in seinem Umfang vorzugsweise radial
geschnitten wird. Manchmal wird der Spalt dann mit einem magnetisch
isolierenden Material gefüllt,
zum Beispiel indem eine dünne
Scheibe mit den gewünschten
magnetischen Eigenschaften in den Spalt eingeschoben wird.
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Während eine
solche Spule eine magnetische Ausstrahlung erzeugen kann, kann sie
auch externe magnetische Störungen
empfangen. Solche Störungen
erzeugen beim Spalt ein Störfeld,
welches in den magnetischen Kern eindringt und somit Störungen in
der elektrischen Schaltung verursacht.
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Um
diese Störungen
zu vermeiden werden zum Beispiel Drosseln mit mehreren voneinander magnetisch
isolierten gespaltenen Ringkernen gebildet. Solche Spulen bestehen
zum Beispiel aus einer Wicklung, die um mehrere koaxial angeordnete
gespaltene Ringkerne gewickelt wird. Die Spalte der jeweiligen Ringkerne
sind vorzugsweise so zueinander versetzt, dass die in der Wicklung
wegen der Störungen
in den verschiedenen magnetischen Ringkernen entstehenden Störströme sich
ausgleichen. Es werden zum Beispiel Drosseln mit zwei gespaltenen Ringkernen
gebaut, deren Spalte um 180° versetzt sind.
Es ist aber auch denkbar, Spulen mit drei oder mehr gespaltenen
Ringkernen zu bilden, deren Spalte jeweils zum Beispiel um 120° versetzt
sind.
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Damit
die Eigenschaften der Drossel konstant bleiben, müssen die
magnetischen und physischen Eigenschaften der Ringkerne stabil sein.
Insbesondere müssen
die Spalte der Ringkerne eine bestimmte Breite aufweisen und diese
Abmessung muss unter allen möglichen
Gebrauchsbedingungen möglichst
konstant bleiben. In bestimmten Anwendungen werden jedoch die Drosseln
unter extremen mechanischen Bedingungen eingesetzt. Solche Drosseln
könnten
zum Beispiel in elektrischen Schaltungen in Reifen integriert werden,
um Informationen über
den Zustand des Reifens – zum
Beispiel Luftdruck und – temperatur – an einen
Autobordcomputer zu übertragen.
Die Drossel würde
durch eine Datenverarbeitungsschaltung mit Sensoren im Reifen verbunden
und als Anpassschaltung für
eine Antenne wirken, deren Impedanz durch die äußere Bedingungen stark beeinflusst
werden kann. Die Antenne strahlt dann Signale mit den gewünschten
Informationen aus, welche durch den Bordcomputer empfangen und verarbeitet
werden.
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In
solchen Anwendungen wären
sehr hohe Kräfte
auf die Ringkerne ausgeübt,
die zu ihrer Verformung führen
könnten.
Uni eine Verformung zu vermeiden, könnten die Spalte nach dem Schneiden
mit einer harten nicht magnetisierbaren Materie gefüllt werden.
Es wäre
zum Beispiel denkbar, eine flüssige und
möglicherweise
klebende härtende
Materie in die Spalte zu spritzen. Besonders bei sehr schmalen Spalten
wäre es
aber schwierig sicher zu sein, dass der ganze Spalt gefüllt wird.
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Möglich wäre auch,
einen Distanzgeber – zum
Beispiel eine stabile harte Scheibe mit einer bestimmten Dicke – in den
geschnittenen Spalt einzuschieben. Der Distanzgeber müsste aber
leicht schmaler als der Spalt sein, um eingeschoben werden zu können. Somit
gäbe es
für den
Spalt immer eine gewisse Möglichkeit
sich zu verkleinern. Ein solcher Distanzgeber verfügt auch über keinen
Schutz gegen eine Verbreiterung des Spaltes.
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Damit
die Effekte der äußeren magnetischen Störungen sich
vollständig
ausgleichen, müssen
außerdem
die Spalte um einen genauen Winkel zu einander versetzt werden.
Die geschnittenen Ringkerne müssen
also voneinander magnetisch isoliert und genau zueinander angeordnet
werden. Diese Anordnung der Ringkerne ist ein aufwendiger und somit teuerer
Vorgang, welcher meistens mindestens teilweise manuell durchgeführt werden
muss.
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Ein
Ziel der Erfindung ist also, einen gespaltenen magnetischen Ringkern
mit genauen mechanischen und magnetischen Eigenschaften so wie ein Verfahren
zur Herstellung von solchen Ringkernen vorzuschlagen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist auch, einen gespaltenen magnetischen
Ringkern mit stabilen mechanischen und magnetischen Eigenschaften
so wie ein Verfahren zur Herstellung von solchen Ringkernen vorzuschlagen.
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Diese
Ziele werden mit einem Ringkern und mit einem Verfahren erreicht,
welche die Merkmale des entsprechenden unabhängigen Anspruchs aufweisen.
Erreicht werden diese Ziele insbesondere mit einem gespaltenen magnetischen
Ringkern, welcher mindestens zwei zueinander koaxial angeordnete
Ringe aus einem magnetisierbaren Material umfasst, welche voneinander
mit einer Isolierscheibe aus einem nicht magnetisierbaren Material
magnetisch isoliert sind, wobei mindestens ein Ring einen Spalt
aufweist, welcher mit einer mit der Isolierscheibe fest verbundenen
Trennwand gefüllt
ist. Erreicht werden diese Ziele insbesondere auch mit einem Verfahren
zur Herstellung von gespaltenen magnetischen Ringkernen, welches
folgende Schritte umfasst:
- – Einspritzung einer Spritzgussmasse
aus einem Bindemittel mit nicht magnetisierbarem Pulvermaterial
zur Bildung eines ersten Vorspritzlings mit mindestens einer Isolierscheibe
und mindestens einer zur Isolierscheibe senkrecht stehenden Trennwand,
- – Einspritzung
einer Spritzgussmasse aus einem Bindemittel mit magnetisierbarem
Pulvermaterial zur Bildung mindestens eines magnetischen Rings gegen
die Isolierscheibe, wobei der Ring durch die Trennwand gespalten
bzw. unterteilt wird.
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Die
magnetischen Ringe des gespaltenen Ringkerns der Erfindung werden
vorzugsweise auf der Isolierscheibe und die Trennwände überspritzt. Somit
ist die Breite der Spalte genau durch die Breite der Trennwände bestimmt.
Der Ringkern der Erfindung besteht vorzugsweise aus zwei Verbundmaterialen,
die zusammen gesintert werden. Somit werden diese Materialien fest
zusammen verbunden, was auch eine Verbreiterung der Spalte vermeidet.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform und
mit Hilfe der Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
gespaltenen magnetischen Ringkern gemäss einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 einen
Vorspritzling zur Herstellung des magnetischen Ringkerns der 1;
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3 einen
weiteren Vorspritzling zur Herstellung des magnetischen Ringkerns
der 1.
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Gemäss einer
bevorzugten Ausführungsform,
welche in 1 dargestellt ist, umfasst der
gespaltene magnetische Ringkern der Erfindung zwei zueinander koaxial
angeordnete ringförmige
Teile 2, 3 aus einem magnetischen Verbundmaterial,
zum Beispiel aus gesintertem Ferritpulver. Zwischen den magnetischen
Ringteilen 2, 3 liegt ein scheibenförmiges Teil 1 aus
einem nicht magnetisierbaren Verbundmaterial, zum Beispiel aus gesintertem
Aluminiumoxyd- oder
Keramikpulver, welches die magnetischen Ringe 2, 3 von
einander magnetisch und elektrisch isoliert. Die nicht magnetisierbare
Isolierscheibe 1 weist vorzugsweise zwei Trennwände 12 und 13 auf,
die sich je in einen der magnetischen Ringe 2, 3 erstrecken.
Jede Trennwand 12 oder 13 bildet somit einen nicht
magnetisierbaren Spalt in einem der magnetischen Ringe 2 bzw. 3.
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Die
Trennwände 12 und 13 erstrecken
sich vorzugsweise senkrecht von der Scheibe 1 und befinden
sich beide auf dem gleichen Durchmesser des magnetischen Ringkerns.
Somit sind die entsprechenden Spalte in den magnetischen Ringen 2,3 genau
um 180° versetzt.
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Der
magnetische Ringkern der Erfindung besteht vorzugsweise aus zwei
Verbundmaterialien mit vorzugsweise unterschiedlichen 15 magnetischen
Eigenschaften, die durch aufeinanderfolgenden oder gleichzeitigen
weiter unten erläuterten
Zwei-Komponenten-Spritzgussverfahren
so verteilt werden, um im fertigen Ringkern die beschriebenen Teile 1, 2, 3 zu
bilden.
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Der
in 1 dargestellte gespaltene Ringkern der Erfindung
wird in einem weiteren nicht dargestellten Schritt mit einem isolierten
elektrisch leitenden Draht zum Beispiel mit einem Kupferdraht umwickelt,
um eine nicht dargestellte Spule oder Drossel zu bilden. In einer
Ausführungsform
wird eine zusätzliche
elektrische Isolierungsschicht vor der Bildung der Wicklung auf
den Ringkern gelegt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Spule als Streuinduktivität zur Anpassung der Impedanz
einer Antenne in einen Reifen integriert. Sie wird in einen Schwingkreis
integriert, der zum Beispiel mit einem Druck- und/oder mit einem
Temperatursensor verbunden ist, um Informationen über den Zustand
des Reifens zum Beispiel an einen Autobordcomputer zu senden. Vorzugsweise
ist die im Reifen integrierte Schaltung ein Transponder, das heißt eine
passive Schaltung, welche die nötige
Energie zur Sendung der Information durch das Abfragesignal vom
Bordcomputer bekommt.
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Bei
einer solchen Anwendung weist vorzugsweise der magnetische Kern
der Erfindung sehr kleine Abmessungen auf. Typischerweise ist die
Breite von jedem magnetischen Ring 2, 3 ungefähr 1,5 mm. Die
Breite der nicht magnetischen Isolierscheibe 1 ist ungefähr 0,1 mm.
Somit ist die Breite des magnetischen Kerns der Erfindung insgesamt
ungefähr
3,1 mm. Der Außendurchmesser
beträgt
vorzugsweise ungefähr
6 mm während
der Innendurchmesser etwa 3,5 mm ist. Die Dicken der Trennwände 12 und 13 liegen
vorzugsweise zwischen 0,07 mm und 0,1 mm.
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Die
oben erwähnten
Abmessungen werden als illustratives, aber keinesfalls limitatives
Beispiel angegeben. Der Fachmann wird leicht ersehen, dass magnetische
Ringkerne mit anderen Abmessungen im Rahmen der Erfindung auch möglich sind.
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Gemäss der Erfindung
wird der magnetische Kern der 1 durch
ein Spritzgießverfahren
mit zwei verschiedenen Spritzgussmassen hergestellt.
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Gemäss einer
Ausführungsform
der Erfindung wird in einem ersten Schritt vorzugsweise die Isolierscheibe 1 mit
den beiden Trennwänden 12 und 13 als
ein Einzelstück
gebildet (2), indem eine flüssige Spritzgussmasse,
die aus einem nicht magnetisierbaren Pulvermaterial – zum Beispiel
aus einem Aluminiumoxydpulver, Keramikpulver oder aus einem synthetischen
Pulver – und
einem Bindemittel besteht, in eine Form gespritzt wird. Dieser erste
Vorspritzling 1 wird vorzugsweise gehärtet und möglicherweise zum Ausbringen
des Bindemittels geheizt. Dazu wird der Vorspritzling 1 typischerweise
auf 300°C
bis 400°C
geheizt.
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Danach
werden die magnetischen Ringe 2, 3 nacheinander
oder gleichzeitig auf dem vorzugsweise gehärteten Vorspritzling 1 in
die gleiche oder in verschiedene Formen überspritzt.
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In
einer ersten Variante wird zum Beispiel der Vorspritzling 1 in
eine Form eingesteckt, wobei eine Seite der Isolierscheibe gegen
eine Wand der Form zur mechanischen Haltung gelegt wird. Eine Spritzgussmasse
aus einem Bindemittel mit einem Pulvermaterial aus einer magnetisierbaren
Materie – zum Beispiel
aus Ferritpulver – wird
auf die andere Seite der Isolierscheibe in die Form eingespritzt,
um einen ersten gespaltenen magnetischen Ring 2 zu bilden (2).
Der Vorspritzling 1 und 2 wird vorzugsweise gehärtet und
möglicherweise
zum Ausbringen des Bindemittels geheizt.
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Der
zweite Vorspritzling 1 und 2 wird dann zum Beispiel
in einer weiteren Form zur Spritzung des zweiten magnetischen Rings 3 durch
seine fertige Seite gehalten. Der fertige Spritzling 1, 2, 3 wird gehärtet und
zum Ausbringen des Bindemittels geheizt.
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Nach
dem Formen von allen Teilen 1, 2, 3 des
magnetischen Kerns wird der Spritzling gesintert. Dieser Verfahrensschritt
zum Verbinden der Metal-, Metalloxyd- und/oder Keramikpartikel wird üblicherweise
in einem Sinterofen mit einer Temperatur von ungefähr 1200°C durchgeführt. Somit
entsteht ein gespaltener magnetischer Kern gemäss der Erfindung mit zwei von
einander magnetisch isolierten magnetischen Ringen 2, 3,
deren Spalte genau um 180° zueinander
versetzt sind.
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In
einer weiteren Variante werden die beiden magnetischen Ringe 2, 3 in
eine gleiche Form und vorzugsweise in einem einzigen Verfahrensschritt
auf beiden Seite der Isolierscheibe 1 gleichzeitig gespritzt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung werden alle Teile 1, 2, 3 des
magnetischen Kerns der Erfindung durch Einspritzen beider Verbundmaterialien
in eine einzige Form, wobei diese zum Beispiel durch provisorische
Wände aufgeteilt wird.
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Vorzugsweise
sind die Verbundmaterialien zur Bildung der verschiedenen Teile 1, 2, 3 des
Ringkerns so gewählt,
dass sich ihre Oberflächen
während
der Sinterung fest binden. Somit ist der gespaltene Ringkern der
Erfindung ein kompaktes Element mit bestimmten und stabilen physischen
und somit magnetischen Eigenschaften. Durch eine solche Bindung
der Verbundmaterialien wird insbesondere vermieden, dass die Spalte
in den Ringen 2, 3 sich verbreitern, weil ihre
Oberfläche
fest mit den Oberflächen
der jeweiligen Trennwände 12, 13 durch
die Sinterung gebunden sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist es zum Beispiel auch möglich die gespaltenen magnetischen
Ringe 2, 3 in einem ersten Schritt herzustellen
und dann den nicht magnetisierbaren Teil 1, 12, 13 zubilden.
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Der
gespaltene magnetische Kern der Erfindung ist ein kompaktes Element,
dessen verschiedene Teile 1, 2, 3 durch
die Sinterung vorzugsweise miteinander integriert sind. Vorzugsweise
sind also alle Teile 1, 2, 3, 12, 13 des
Ringkerns der Erfindung fest miteinander verbunden.
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Da
die Isolierscheibe 1 mit den Trennwänden 12 und 13 vorzugsweise
in einem einzigen Verfahrensschritt gebildet wird, kann die Dicke
der Isolierung zwischen den beiden magnetischen Teilen 2, 3 sowie
die Dicke der Trennwände 12, 13 und
ihre relative Versetzung relativ einfach mit einer hohen Genauigkeit
und Reproduzierbarkeit bestimmt werden. Diese Genauigkeit hängt direkt
von der Genauigkeit der Abmessungen der entsprechenden Form ab.
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Außerdem sind,
da die Spalte in den magnetischen Ringen 2, 3 durch
Einspritzung der magnetisierbaren Spritzgussmasse um die Trennwände 12 bzw. 13 gebildet
werden, die Abmessungen dieser Spalte genau und besonders stabil.
Selbst wenn sehr hohe äußere Kräfte auf
den fertigen magnetischen Kern der Erfindung ausgeübt werden,
wird sich der Spalt nicht schließen oder öffnen können.
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Vorzugsweise
werden die Verbundmaterialien so gewählt, dass sie ähnliche
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, damit beide Spalte sich zum
Beispiel unter besonders warmen Einsatzbedingungen gleich ausdehnen.
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In
den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
umfasst der magnetische Kern zwei gespaltene magnetische Ringe 2, 3,
die voneinander durch eine Isolierscheibe 1 aus einem nicht
magnetisierbaren Verbundmaterial magnetisch isoliert sind, wobei
jeder magnetische Ring 2, 3 einen Spalt aufweist,
welcher durch eine nicht magnetisierbare Trennwand 12, 13 gebildet
ist. Der Fachmann wird aber leicht einsehen, dass weitere Konfigurationen
des magnetischen Kerns im Rahmen der Erfindung möglich sind. Insbesondere kann der
magnetische Ringkern der Erfindung mehr als zwei magnetische Ringe
umfassen, die zum Beispiel ebenfalls koaxial zueinander angeordnet
sind und jeweils durch eine nicht magnetisierbare Scheibe voneinander
isoliert sind. Jeder magnetische Ring kann eine verschiedene Anzahl
von Spalten aufweisen. Bestimmte Ringe können insbesondere keine Spalte aufweisen,
während
andere Ringe zwei oder drei Spalten an ihrem Umfang aufweisen.
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Die
entsprechenden Verfahrensschritte zur Herstellung von solchen magnetischen
Ringkernen werden zur Konfiguration des Kerns angepasst, wobei die
Isolierscheibe oder -scheiben vorzugsweise in einem ersten Schritt
gespritzt, gehärtet
und zum Ausbringen des Bindemittels geheizt werden. Die jeweiligen
magnetischen Ringe werden in diesem Fall vorzugsweise in einem oder
mehreren Schritten in eine oder mehrere weitere Formen zwischen
die Isolierscheiben und um die Trennwände gespritzt.