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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetanordnung
mit einem bewickelten flachen Magnetkern, die Magnetanordnung sowie einen
Stützkörper zur
Verwendung bei diesem Verfahren.
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Derartige
Magnetanordnungen weisen einen Magnetkern auf, der eine Leiterwicklung
trägt und eine
hohe Güte
haben kann, was für
einen Frequenzbereich von 1 kHz bis etwa 20 MHz und darüber interessant
ist. Beispielsweise können
die Magnetanordnungen als Antennenstäbe bei RFID- (Radio Frequency
Identification) Systemen, Diebstahlssicherungen, bei Erkennungssystemen,
zur drahtlosen Energieübertragung,
beispielsweise zur Aufladung von Akkumulatoren, sowie zur Informationsübertragung
dienen. Typische Arbeitsfrequenzen in diesen Einsatzgebieten liegen
bei ca. 20 bis 150 kHz oder bei 13,5 MHz.
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Ein
entsprechender Magnetkern ist flach und streifenförmig, wobei
die Dicke sehr viel kleiner als die Breite und diese wiederum sehr
viel kleiner als die Länge
der Magnetanordnung beziehungsweise des Magnetkerns ist. Typische
Dicken reichen dabei von Bruchteilen von Millimetern bis zu einigen
Millimetern, die Breite liegt beispielsweise zwischen 2 und 30 Millimetern
und die Länge
liegt bei etwa 10 bis 150 Millimeter.
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Als
Material für
die entsprechenden Magnetkerne kommen einerseits Ferrite in Frage,
andererseits jedoch auch laminierte dünne Streifen amorphen oder
nanokristallinen Magnetmaterials. Nanokristalline oder amorphe Materialien
haben den Vorteil einer hohen Sättigungsmagnetisierung
und als Laminat zudem eine hohe Biegbarkeit und mechanische Unempfindlichkeit.
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Die
Bewicklung wird als Toroid-Spule um den Kern ausgeführt, wobei
die Längsachse
von Kern und Toroid zusammenfallen. Die Wicklungszahlen betragen
typisch 10-1000. In vielen Fällen sind
besonders flache Kerne beziehungsweise Magnetanordnungen erwünscht, beispielsweise
mit einer Gesamtdicke der Magnetanordnung im Bereich von einem bis
wenigen Millimetern. Die minimal erreichbare Dicke der Magnetanordnung
setzt sich aus der Summe zweier Wicklungslagen (oberhalb und unterhalb
des Magnetkerns) und der Dicke des Magnetkerns zusammen. Bei besonders
flachen Bauformen stellt sich das Problem, dass ein sehr dünner Magnetkern
mit einem möglichst
dünnen
isolierten Leiter eng und straff bewickelt werden muss. Das Ausweichen
auf streifenförmige
Leiter, z. B. Flachdraht oder Folie ist mangels Raum bei einer bestimmten
geforderten Wicklungsdichte und Leiterquerschnitt nicht möglich. Es
besteht also die Gefahr, dass insbesondere bei elektrisch leitenden
Magnetkernen die Isolierung des Wicklungsleiters beim Bewickeln
oder auch später
im Betrieb beschädigt
wird, wodurch es zu Kurzschlüssen
kommt, welche die Funktionsweise der Magnetanordnung stark beeinträchtigen.
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Auch
wenn dieses Problem beherrscht werden könnte, kommt das weitere Problem
hinzu, dass bei der Bewicklung der Wicklungsleiter ziemlich straff auf
den Magnetkern gewickelt werden muss, so dass auf diesen während der
Bewicklung unerwünschte Lateralkräfte wirken,
die ihn verformen. Dies macht eine zuverlässige Bewicklung ohne das Risiko
einer Beschädigung
und mit der gewünschten
Genauigkeit nahezu unmöglich.
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Flache
Magnetkerne, die aus laminierten Bändern von amorphen magnetischen
Legierungen bestehen, sind beispielsweise aus der
DE 195 13 607 für verschiedene Anwendungen,
beispielsweise auch für
den Einbau in EC-Karten, bekannt. Aus der
EP 0 762 535 sind ebenfalls entsprechend
flache laminierte Bauformen mit einer Leiterbewicklung bekannt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, ein Verfahren zum Herstellen einer Magnetanordnung
mit einem flachen Magnetkern, dessen Breite größer ist als seine Höhe, und
mit einer spulenförmigen
Bewicklung aus wenigstens einem Leiter anzugeben, bei der die Magnetanordnung
ohne die Gefahr von Beschädigungen
der Wicklung oder des Magnetkerns in möglichst flacher Bauform hergestellt
werden soll.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1, eine Magnetanordnung
gemäß Patentanspruch
14 sowie einen Stützkörper gemäß Patentanspruch
17 gelöst.
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Es
wird dabei ein Magnetkern mit einem isolierten Runddraht, der beispielsweise
einen Durchmesser zwischen 0,1 und 0,4 Millimeter aufweist, bewickelt,
wobei die Dicke des Magnetkerns zwischen 0,1 und 1 Millimeter betragen
kann. Der Magnetkern wird in eine Wickelmaschine eingespannt und
um die Längsachse
zum Bewickeln gedreht. Dabei wird eine bestimmte Mindestzugkraft
auf den Wicklungsleiter ausgeübt,
um ein straffes Anliegen an den Magnetkern zu erreichen. Um nun
während
des Wickelvorgangs den Magnetkern zu stabilisieren, ohne seine spätere Bauhöhe unnötig zu vergrößern, ist
vorgesehen, den Magnetkern durch einen Stützkörper während der Bewicklung mit dem
Leiter zu stützen
und nach der Bewicklung den Stützkörper zu
entfernen.
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Dabei
kann der Stützkörper beispielsweise gemeinsam
mit dem Magnetkern bewickelt und danach aus der Wicklung herausgezogen
werden. Die nach dem Herausziehen des Stützkörpers über den Magnetkern frei hinausstehenden
Teile der einzelnen Windungen der Wicklung werden vorteilhaft in Längsrichtung,
das heißt
in Richtung der Spulenlängsachse
beziehungsweise der Magnetkernlängsachse,
an den Magnetkern mit einer Schwenkbewegung angeklappt und dort
beispielsweise mittels eines Klebers befestigt.
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Bei
dem Verfahren wird vorteilhaft ein Stützkörper verwendet, der bezüglich der
Breite den Ausmaßen
des Magnetkernes entspricht, wobei die Länge des Stützkörpers größer sein kann als die des Magnetkerns
um eine einfache Einspannung in eine Wickelmaschine zu erleichtern.
Es wird auf diese Weise also erreicht, dass während des Wickelungsvorgangs
der Magnetkern stabilisiert ist, ohne dass die Bauhöhe der Magnetanordnung
zunimmt. Das Problem der verlängerten
Windungen kann dann wie beschrieben durch das Anklappen der Windungen
an den Magnetkern gelöst
werden.
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Soll
zusätzlich
noch die Gefahr der Verletzung der Wicklungsleiterisolation an den
Kanten des Magnetkerns verringert werden, so kann auch vorgesehen
sein, dass der Stützkörper bezüglich der
Breite über
den Magnetkern hinaussteht.
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Der
Stützkörper kann
dann auch im Querschnitt eine u-förmige Kontur aufweisen, so
dass er auf wenigstens einer Seite den Magnetkern wannenförmig einschließt und somit
ein Anliegen des Wicklungsleiters zumindest auf dieser Seite des
Magnetkerns verhindert. Die Außenkonturen
des Stützkörpers können derart
abgerundet sein, dass dort eine Verletzung des Wicklungsleiters
nicht zu befürchten ist.
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Der
Stützkörper kann
auch auf der dem Magnetkern abgewandten Unterseite einen erhöhten und
in Längsrichtung
des Magnetkerns verlaufenden Steg aufweisen. Dieser sorgt für erhöhte Stabilität der Anordnung
und kann zur leichteren Entfernung des Stützkörpers aus der fertig gewickelten
Wicklung beispielsweise an den Stützkörper anklappbar oder in anderer
Weise entfernbar sein.
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Es
kann auch vorteilhaft sein, wenn der Stützkörper nach der Bewicklung und
vor seiner Entfernung von dem Magnetkörper durch äußere Einwirkung bezüglich seiner
Höhe und/oder
Breite verkleinert werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch verwirklicht
werden, dass der Stützkörper nach
der Bewicklung zusammengeklappt oder zusammengeschoben wird.
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Nach
dem Herausziehen des Stützkörpers aus
der Wicklung werden die Windungen entweder segmentweise in dieselbe
Richtung oder in unterschiedliche Richtungen parallel zur Längsachse des Magnetkerns
an diesen angeklappt. Dabei kann gleichzeitig ein Kleber aufgebracht
werden, um die Windungen zu fixieren oder es kann ein doppelseitiges
Klebeband verwendet werden, um die angeklappten Windungsteile auf
dem Magnetkern zu fixieren.
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Eine
erfindungsgemäße Magnetanordnung hat
als Ergebnis des gesamten Herstellungsverfahrens einen flachen Magnetkern,
dessen Breite größer ist
als seine Höhe
und dessen Länge
wesentlich größer ist
als seine Breite, und eine spulenförmige Bewicklung mit einem
Wicklungsleiter, wobei die Windungen des Leiters um wenigstens 30
% der Dicke des Magnetkerns (entspricht der doppelten minimalen
Dicke des Stützkörpers) länger sind
als es der engstmöglichen
spiraligen Bewicklung des Magnetkerns entspricht und wobei die Windungsteile
je einer Windung an der Ober- und Unterseite des Magnetkerns gegeneinander
in Richtung der Längsachse des
Magnetkerns versetzt an diesem anliegen.
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Die
magnetischen Eigenschaften der Anordnung werden durch die beschriebene
Gestaltung der Wicklung nicht beeinträchtigt. Die erfindungsgemäße Magnetanordnung
ist, wenn der Kern als Laminat aus verschiedenen nur wenige um dicken
amorphen oder nanokristallinen Magnetwerkstoffen besteht, hochflexibel,
ohne dass sich dieses nachteilig während des Herstellungsprozesses
auswirken würde.
Durch die Anisotropie des laminierten Kerns wirkt sich auch die Formänderung
der Wicklung praktisch nicht auf die Richtung der Magnetisierung
aus. Besonders vorteilhaft ist diese Anordnung, wenn der Magnetkern
weniger als 2 Millimeter dick ist. Noch vorteilhafter ist es, wenn
der Magnetkern weniger als 1 Millimeter dick ist.
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Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Stützkörper zur Verwendung bei dem
oben beschriebenen Verfahren. Der Stützkörper kann dabei als sogenannte
zusammenfallende Konstruktion ausgeführt sein, beispielsweise aus
zwei Teilkörpern
bestehend, die nach dem Bewickeln gegeneinander so be wegt werden,
dass sich die effektive Höhe und/oder
Breite des Stützkörpers verringern
und der Stützkörper bzw.
seine Einzelteile leicht entfernt werden können.
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Es
kann auch vorgesehen werden, den Stützkörper aus einem Material mit
sogenanntem Temperaturgedächtnis
herzustellen, derart, dass der Stützkörper bei einer ersten Temperatur,
wenn er mit dem Magnetkern zusammengefügt ist, mehr Raum beansprucht
als bei einer zweiten Temperatur. Die Bewicklung findet dann bei
der ersten Temperatur statt, danach wird die Temperatur auf die
zweite Temperatur geändert
und der Stützkörper herausgezogen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispielen
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
beim Bewickeln verformten Magnetkern,
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2 einen
durch einen Stützkörper stabilisierten
Magnetkern,
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3 einen
Magnetkern mit einem Stützkörper in
einer Draufsicht,
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4 das
Abziehen eines Stützkörpers von einem
Magnetkern,
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5 das
Abklappen verschiedener Wicklungsteile auf einen Magnetkern zu verschiedenen Richtungen,
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6 schematisch
einen Magnetkern mit zwei Windungen zur Verdeutlichung der Maße und Winkel,
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7 schematisch
einen Stützkörper, der aus
mehreren Teilen besteht und bezüglich
der Breite verkleinert werden kann,
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8 einen
Stützkörper wie
in 7 im Querschnitt,
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9 einen
Magnetkern mit einem Stützkörper in
Draufsicht,
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10 die
Konstellation wie in 9 im Längsschnitt,
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11 einen
Magnetkern und einen Stützkörper im
Querschnitt,
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12 die
Konstellation aus 11 nach Verformung des Stützkörpersund
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13 einen
Magnetkern und einen Stützkörper im
Querschnitt.
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1 zeigt
einen Magnetkern 1, auf den eine Wicklung 2 aufgewickelt
wird. Dies geschieht indem der Magnetkörper 1, wie durch
den Pfeil 3 angedeutet, um seine Längsachse gedreht wird. Er ist dazu
in zwei Lagern 4, 5 drehbar gelagert. Während des
Bewickelns des Magnetkerns wird auf den Leiter 6 der Wicklung 2 in
Richtung des Pfeils F eine Zugkraft ausgeübt um eine stramm sitzende
Wicklung zu erzielen. Durch diese Kraft wird gleichzeitig der Magnetkörper 1 in
Richtung der Kraft F verformt, so dass er sich während seiner Drehung in diese
Richtung hin durchbiegt. Dies schadet der Stabilität des Magnetkerns
und kann bis zu dessen Zerstörung
führen.
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2 zeigt
den Magnetkörper 1,
der durch einen Stützkörper 7 gestützt ist.
Der Stützkörper 7 besteht
dabei aus zwei Teilen, einem Basiskörper 8 und einem Anschlusskörper 9,
wodurch der Stützkörper nach
dem Aufbringen der Wicklung 10 aus dieser leichter herausgezogen
werden und der Anschlusskörper 9 von
dem Stützkörper getrennt
werden kann. Jedoch ist eine einteilige Ausführung des Stützkörpers ebenso
möglich,
jedoch bei längeren
Wicklungen schlechter herauszuziehen. Es können auch noch zusätzliche
Befestigungselemente für
den Kern am Stützkörper vorgesehen
werden, diese sind der Einfachheit halber jedoch nicht in der Zeichnung
gezeigt. Der Stützkörper 7 ist
insgesamt an seinen beiden Enden 11, 12 drehbar
in Lagern eingespannt, so dass sich der Magnetkörper 1 und der Stützkörper 7 gemeinsam
um eine Längsachse 13 zum
Aufbringen der Wicklung 10 drehen können.
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Die 3 zeigt
in einer Draufsicht einen Stützkörper 7,
der bezüglich
der Breite B über
den Magnetkern 1 etwas hinausragt, um beim Bewickeln eine
Berührung
des Leiters mit den unteren Kanten des Magnetkerns zu verhindern.
Es kann die Breite des Stützkörpers 7 jedoch
auch bei Bedarf genau mit der Breite des Magnetkerns 1 übereinstimmen.
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Die 4 zeigt
einen Stützkörper 7 beziehungsweise
einen Teil 8 des Stützkörpers, der
in Richtung des Pfeils 14 aus der Wicklung 10 herausgezogen
worden ist, so dass jetzt Teile 15, 16 von Windungen
der Wicklung 10 über
den Magnetkern 1 nach unten hinausstehen.
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In
der 5 ist dargestellt, dass die Segmente 17, 18 der
Wicklung 10 unterschiedlich behandelt worden sind. Die überstehenden
Teile der Windungen des Segmentes 17 der Wicklung 10 sind
in Richtung des Pfeils 19, die Windungen des Segmentes 18 der
Wicklung 10 sind in Richtung des Pfeils 20 an
den Magnetkern 1 durch Schwenken angeklappt und dort mittels
eines Klebstoffs befestigt worden.
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Es
ist auch denkbar, dass noch mehr Segmente mit unterschiedlichen
Abklapprichtungen gebildet werden. Grundsätzlich können jedoch auch alle Windungen
der Wicklungen zu derselben Seite in Längsrichtung beziehungsweise
Axialrichtung des Magnetkerns 1 geklappt werden.
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Anhand
der 6 lassen sich die verschiedenen Abmessungen der
Windungen, des Magnetkerns und des Stützkörpers in Bezie hung zueinander setzen.
Zunächst
bedeuten in der Zeichnung a die Höhe des Magnetkerns, w die Höhe des Stützkörpers, d
den Durchmesser des Wicklungsleiters, b den Abstand der Windungen
an der Oberfläche
des Magnetkerns, x den Abstand der Windungen senkrecht zu ihrem
Verlauf an den Schmalseiten des Magnetkerns und y den Winkel zwischen
der Längsachse 13 des
Magnetkerns und den Windungen der Wicklung im Bereich der Schmalseiten
des Magnetkerns.
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Dabei
gilt: x = ((b + d)·(a
+ d))/(a + w + d)) – d
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Ein
komplettes Verkippen der Windungen bis zum Aufliegen auf der Unter-
und Oberseite des Magnetkerns ist nur dann möglich, wenn der Abstand b zwischen
zwei Windungen auf der Oberfläche
des Magnetkerns ausreichend groß ist.
Als Mindestwert für
b ergibt sich, wenn x = 0 gesetzt wird: b = w/((a/d)
+ 1)
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Der
Winkel y, den die schrägen
Teile der Windungen mit der Längsachse 13 des
Magnetkerns einschließen,
kann kleiner als 70° sein.
Dadurch ist die Symmetrieachse jeder einzelnen Windung nicht mehr
parallel zur Längsachse
des Magnetkerns. Der Effekt ist jedoch vertretbar, selbst für Feritkerne.
Besonders vorteilhaft verhalten sich unter diesen Bedingungen laminierte
Kerne, die eine Formanisotropie in Richtung der Längsachse
und Materialpermeabilitäten
von mehr als 1000 aufweisen, da bei diesen die Magnetisierung in
die Bandlagen des Laminats geleitet wird, so dass die Schrägstellung
der Windungen praktisch keinen Einfluss auf die Richtung der Magnetisierung
hat. Wichtig hierzu ist, dass die Schichtung des Laminats entlang
der Breite und Länge
des Magnetkerns verläuft
wie in 5 ansatzweise dargestellt.
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7 zeigt
einen Stützkörper, der
aus zwei Teilkörpern 21, 22 besteht,
die in der Draufsicht keilförmig
zusammengesetzt sind. Um die Breite des Stützkörpers 21, 22 zu
verringern, wird der erste Teilkörper 21 in
Richtung des Pfeils 23 und der zweite Teilkörper 22 in
Richtung des Pfeils 24 bewegt. Um eine verlässliche
Führung
der beiden Teilkörper
aneinander zu erzielen, sind diese in dem Bereich, in dem sie aneinander
anliegen, mittels eines Steges und einer Nut, wie in 8 dargestellt,
aneinander angepasst. Hierdurch ist nach dem Aufbringen der Bewicklung
verlässlich
eine Verringerung der Breite und damit das Herausziehen des Stützkörpers aus
der Wicklung möglich.
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Eine
andere Variante hierzu zeigt die 9 in einer
Draufsicht und die 10 in einem Längsschnitt.
Dort ist jeweils der Magnetkern 1 dargestellt gemeinsam
mit einem ersten Teilkörper 25 und
einem zweiten Teilkörper 26,
die ebenfalls keilförmig zusammenpassen,
jedoch in der Längsschnittebene, wie
sie in 10 dargestellt ist. Auch diese
Teilkörper
können
nach dem Aufbringen der Bewicklung in Richtung der Pfeile 27, 28 zur
Verringerung der Höhe des
Stützkörpers auseinandergezogen
werden.
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In
der 11 ist im Querschnitt ein Stützkörper 29 dargestellt,
der den Magnetkern 1 zum Aufbringen der Wicklung abstützt. Nach
dem Aufbringen der Wicklung wird die Temperatur der Konstellation geändert. Der
Stützkörper 29 ist
aus einem Material hergestellt, das ein sogenanntes Temperaturgedächtnis besitzt,
so dass der Körper
bei unterschiedlichen Temperaturen verschiedene Formen selbsttätig annimmt.
Der Stützkörper 29 nimmt
dann nach der Bewicklung und bei der zweiten Temperatur, die in der 12 dargestellte
Form im Querschnitt an, so dass die Gesamthöhe der Anordnung verringert
wird und der Stützkörper 29 leicht
in Längsrichtung
des Magnetkerns 1 aus der Wicklung herausgezogen werden
kann.
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13 zeigt
einen Magnetkern 1 mit einem zweiteiligen Stützkörper 30, 31,
wobei der erste Teilkörper 30 des
Stützkörpers im
Querschnitt eine U-Form aufweist, wobei die einzelnen Schenkel der U-Form
im Querschnitt in Richtung der Breite des Magnetkerns 1 verlaufen.
Zwischen den Schenkeln des ersten Teilkörpers 30 befindet
sich ein Zwischenraum, in den der zweite Teilkörper 31 teilweise
eintaucht. Die beiden Teilkörper 30, 31 weisen
zusammen in etwa die Breite des Magnetkerns auf und können in
dieser Konstellation gegeneinander fixiert sein, beispielsweise
mittels einer Schraube.
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Nachdem
die Wicklung auf den Magnetkern 1 und den Stützkörper 30, 31 aufgebracht
worden ist, kann die Fixierung gelöst werden und der zweite Teilkörper 31 kann
in den ersten Teilkörper 30 weiter
eingeschoben werden, so dass sich die Breite der Konstellation des
Stützkörpers verringert
und dieser aus der Wicklung leicht herausgezogen werden kann.
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Durch
die Erfindung wird somit ein einfach zu handhabendes Verfahren zur
Herstellung einer Magnetanordnung bereitgestellt, bei dem der Magnetkern selbst
mechanisch während
der Bewicklung möglichst
gering beansprucht wird, ohne dass darunter die Qualität der Bewicklung
leidet, und bei dem die Magnetanordnung ein minimales Volumen besitzt.