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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetkernelement, ein Magnetkernmodul, sowie ein das Magnetkernmodul verwendendes induktives Bauelement für den Aufbau von Antennen mit verbesserter Reichweite, insbesondere für Antennen zum Schließen und Entriegeln eines Kraftfahrzeugs und zur Positionserkennung.
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Aus der Automobilindustrie sind drahtlose elektronische Schließ- und Entriegelungssysteme bekannt. Dabei werden beispielsweise magnetische Antennen in Griffen von Kraftfahrzeugtüren, in Türrahmen, Seitenverkleidungen oder Stossfängern von Kraftfahrzeugen zur Abgabe oder Empfang eines elektromagnetischen Signals eingesetzt, um eine drahtlose Kommunikation zu ermöglichen, beispielsweise um mit einer Sende-/Empfangseinrichtung eines Schlüssels zu kommunizieren. Beispielsweise ist zur Unterbringung einer Sende/Empfangsantenne in einem gebogen ausgebildeten Türgriff der magnetische Kern als länglich geformter Stabkern ausgebildet, der aus mehreren bandförmigen Schichten aus einer weichmagnetischen Metalllegierung gebildet ist, wobei der Schichtstapel eine begrenzte bis geringe Biegetoleranz aufweist. Bei diesen Antennen kann es daher zu Verspannungen des Kerns und damit zu einer Veränderung der magnetischen Eigenschaften bei zu starker Verformung kommen, da in den Schichtenebenen hohe Zug- und Druckkräfte im Material auftreten. Ferner sind bei diesen sogenannten Bandkernen die Grundwerkstoffe deutlich teurer als für Ferritkerne und die magnetischen Verluste von preiswerteren, eisenbasierten amorphen Kerne im Vergleich zu Ferriten bei Frequenzen über 100 kHz deutlich größer. Herkömmliche Verfahren zur Herstellung derartiger Antennen, die Bandkerne verwenden, weisen ferner den Nachteil auf, dass die Aufschichtung der Bänder relativ aufwändig ist.
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Antennen mit Kernen aus Ferritstäben mit gebogener oder sehr langer Form sind aufgrund des Herstellungsverfahrens nicht einfach oder gar nicht realisierbar. Beispiele eines gebogenen Ferritkernstabs sind in der
DE 101 28 406 B4 und
DE 10 2007 007 117 A1 gezeigt. Zur Herstellung eines Ferritkerns werden ein vorgesintertes Magnetpulver mit einem speziellen Kunststoffspritzgranulat vermischt und in die gewünschte Form gespritzt.
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Bei der Herstellung gebogener oder langer Antennen kann es durch mechanische Verspannungen im Ferritkernstab selbst oder durch Einwirkungen von außen zu Kernbrüchen und damit zu einer Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften kommen. Ferner unterliegt die Fertigung von besonders langen Stabkernen mit vergleichsweise kleinen Kernquerschnitten begrenzenden, technischen Regeln, nach denen die Länge von Stabkernen in einem bestimmten Verhältnis zum Querschnitt bzw. zur Querschnittsform stehen muss. Die Gründe dafür liegen in der notwendigen, gleichmäßigen Verdichtung des Magnetpulvers, dem technisch möglichen Hub der Presseinrichtungen, der mechanischen Stabilität beim Transport zu den Sintereinrichtungen, der nicht auszuschließenden Verspannung beim Sintern und der mechanischen Stabilität der fertigen Magnetkeramik. Somit ist es schwierig, lange Stabkerne mit Längen von z.B. bis zu 30 cm oder mehr herzustellen, die für eine deutlich größere Reichweite von LF-Antennen z.B. mit einer Frequenz von in etwa 125 kHz notwendig wären.
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Für die Bildung eines gebogenen oder langen Ferritkernstabs ist es auch möglich, mehrere Kernelemente mit geraden oder abgeschrägten, ebenen Endabschnitten zu einer gebogenen oder geraden Form zu verbinden. Derartige Ausführungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass einerseits die Klebestellen der miteinander verklebten Stabkerne aufgehen können bzw. die Kerne andererseits bei sehr guter Klebefestigkeit selbst bei geringer Biegebelastung undefinierbar brechen.. Die entstehenden Luftspalte verändern bzw. verschlechtern die Effizienz der Antennenverglichen mit einem aus einem Stück ausgebildeten Antennenkern. Auch sind derartige Ferritstabkernantennen magnetisch und temperaturmäßig verhältnismäßig instabil und weisen durch sich verändernde Luftspalte hohe Schwankungen in den magnetischen Streufeldern auf.
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Das Dokument
DE 10 2012 014 572 A1 beschreibt ein magnetische Messantenne, welche bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit die Nutzung über einen weiten Frequenzbereich dadurch ermöglicht, dass an einem Grundkörper Zusatzkörper angesteckt werden können, welche Zusatzinduktivitäten und zusätzliche Ferritkerne beinhalten, wobei durch eine Schnellkupplung mit Schleifkontakten die elektrische Einbringung der Zusatzinduktivitäten in Serie und durch bündigen Stoß der Ferritkerne die magnetische Kopplung sichergestellt wird. Die Zusatzkörper verfügen wiederum über geeignete Schnittstellen zur Anbringung weiterer Zusatzkörper und ermöglichen somit eine beliebige Kaskadierung.
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Das Dokument
DE 103 19 674 A1 beschreibt eine Antenne (
2) mit einer amorphen Metallstruktur aufgebaut. Derartige Antennen (
2) bestehen vorzugsweise aus mindestens einem flexiblen und sehr dünnen amorphen Metallstreifen (
8). Sie sind auch in einem Türgriff (
3), einer Mittelkonsole oder in einem Fußraum eines Kraftfahrzeugs integrierbar. Gegenüber einer Verwendung bekannter Ferrite (
5,
6,
7) werden Kosten- und Gewichtseinsparungen bei deutlich erhöhter Applikationsflexibilität und gesteigerter Reichweite erzielt.
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Das Dokument
DE 10 2005 057556 A1 beschreibt eine Antennenanordnung (
4) zum Einbau in einen Türaußengriff eines Kraftfahrzeugs, die einen langgestreckten abgeflachten Ferritkern (
8) mit einer darauf angeordneten Spule umfasst. Der Ferritkern (
8) kann in einem sich in Grifflängsrichtung erstreckenden Hohlraum im Inneren des Türgriffs untergebracht werden, wobei er sich über wenigstens die halbe Grifflänge erstreckt. Die Spule weist einen mit einer dünnen Isolatorschicht umgebenen Spulendraht (
10) auf, an den an zwei Anschlüssen (
11A,
11B) jeweils Zuleitungsdrähte (
7A,
7B) befestigt sind. Die Spule und die Anschlüsse sind von einem Kunststoffmantel (
12) umgeben. Der Ferritkern besteht aus mehreren in Längsrichtung hintereinander angeordneten Segmenten (
8A,
8B), die zur Abstimmung der Antennenanordnung (
4) in einem variablen Abstand angeordnet werden können, wobei nur eines (8A) der Segmente die Spule trägt.
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Das Dokument
DE 101 28 406 B4 beschreibt eine Stabantenne umfassend einen ferromagnetischen Einzelkörperkern (
3), einen den Kern in einem Hohlraum aufnehmenden und mehrere Spulenwicklungen (
11,
12,
13) aufweisenden Spulenkörper (
4), ein Gehäuse (
5), in dem der Kern und der Spulenkörper positioniert sind, und ein Vergussmaterial (
6) in dem Kern und/oder dem Spulenkörper. Das Vergussmaterial isoliert den Kern vor Temperaturänderungen, Feuchtigkeitsänderungen und Schwingungen.
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Das Dokument
DE 198 61 116 C2 beschreibt ein Verfahren zum Einstellen der Empfindlichkeit einer Zugangskontrolleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsempfindlichkeit eines tragbaren Codegebers (
5) erhöht wird, wenn ein Anforderungssignal (
3) zu erwarten ist und der Codegeber (
5) hierzu vorher ein Vorsignal (
25) mit erhöhter Sendeleistung (
18) von einer im Kraftfahrzeug befindlichen Sende- und Empfangseinheit (
1) empfängt und dass die Empfangsempfindlichkeit des Codegebers (
5) eine Zeitdauer nach Aussenden des Antwortsignals oder nach Empfang eines Sondersignals erniedrigt wird.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Magnetkernelement bereitzustellen, das für die kostengünstige Herstellung von biegsamen bzw. sehr langen Stabkernantennen mit geringer magnetischer Streuung geeignet ist. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Magnetkernmodul sowie ein das Magnetkernmodul verwendendes induktives Bauelement für den Aufbau von flexibel einstellbaren Antennen mit großer Reichweite sowie für den Aufbau von langen Stabkernspulen mit kleinen Kernquerschnitten bereitzustellen.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch die Gegenstände der Ansprüche 1, 10 und 17.
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Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung ein stabförmiges Magnetkernelement mit einem ersten Ende mit einer sphärischen oder zylindrischen Ausnehmung oder einem sphärischen oder zylindrischen Verbindungsvorsprung und einem zweiten Ende mit einer sphärischen oder zylindrischen Ausnehmung oder einem sphärischen oder zylindrischen Verbindungsvorsprung, wodurch eine angewinkelten Verbindung von wenigstens zwei Magnetkernelementen variabel einstellbar ist.
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Mithilfe eines derartigen Magnetkernelements ist ein Aufbau von langen, mehrgliedrigen Stabkernkombinationen mit minimaler innerer magnetischer Scherung möglich. Dabei ist beispielsweise die sphärische Ausnehmung eine Kugelschale und der sphärische Verbindungsvorsprung ein Kugelkopf zur Ausbildung einer Pfannen/Kugel-Endkontur.
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Vorzugsweise kann das Magnetkernelement am ersten und am zweiten Ende jeweils eine sphärische oder zylindrische Ausnehmung oder jeweils einen sphärischen oder zylindrischen Verbindungsvorsprung aufweisen. Eine variabel einstellbare, angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei der Magnetkernelemente, die jeweils die sphärische Ausnehmung am ersten und zweiten Ende aufweisen, wird über eine zwischen zwei derartig ausgebildeten stabförmigen Magnetkernelementen angeordnete Kugel aus geeignetem Material, z. B. aus Ferrit, mit einem den Ausnehmungen entsprechendem Radius erzielt. Magnetkernelemente, die am ersten und zweiten Ende jeweils einen sphärischen Verbindungsvorsprung aufweisen, werden mit Hilfe eines bikonkaven Verbindungsstücks aus geeignetem magnetischen Material, z.B. Ferrit, mit zur Aufnahme der Kugelkalotten der stabförmigen Magnetkernelemente passenden Ausnehmungen miteinander verbunden. Eine variabel einstellbare, angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei der Magnetkernelemente, die jeweils die zylindrische Ausnehmung am ersten und zweiten Ende aufweisen, wird über ein zylindrisches Verbindungsstück erzielt.
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Jede der Varianten ermöglicht den Aufbau mehrgliedriger, nahezu luftspaltfreier Kernmodule mit geringer, magnetischer Streuung, wobei die Verbindungsflächen zweier Magnetkernelemente im Vergleich zu Ferritstäben mit ebenen Endabschnittsflächen etwas größere Flächen aufweisen. Die größere Fläche der sphärischen oder zylindrischen Oberfläche gegenüber den ebenen Endabschnittsflächen ermöglicht vorteilhafterweise eine selbstführende Zentrierung und stabilere Verklebung bei der Herstellung eines Magnetkernmoduls aus mehreren Magnetkernelementen oder eine Verbindung mehrerer Magnetkernelemente miteinander ohne Verklebung mit Hilfe axialer Verspannung zueinander, z.B. mittels Federelementen. Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung den Aufbau von langen, flexibel einstellbaren Stabkernen und Stabkernspulen mithilfe der zuvor erwähnten sphärischen oder zylindrischen Endkontur.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Magnetkernelement einen zylindrischen, rechteckigen, quadratischen oder elliptischen Querschnitt auf. Vorteilhafterweise ist die sphärische Endkontur des Magnetkernelements auf jede der Querschnittsformen anwendbar. Ferner kann je nach Anwendungsgebiet der Stabkernspule und/oder baulichen Gegebenheiten, z.B. in einem Kraftfahrzeug, ein entsprechender Querschnitt ausgewählt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung definiert die Differenz zwischen dem Durchmesser des Magnetkernelements und dem jeweiligen Durchmesser der sphärischen oder zylindrischen Ausnehmung und des sphärischen oder zylindrischen Verbindungsvorsprungs eine Schulter, wobei die Differenz 5% bis 10% des Kerndurchmessers beträgt. Auf diese Weise wird einerseits ein ausreichender Winkelbereich für die Verbindung zweier miteinander verbundener Magnetkernelemente ermöglicht, während andererseits eine hohe mechanische Stabilität der Magnetkerne im Bereich der Kopplungsflächen gewährleistet ist.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist diese Schulter abgeschrägt ausgebildet.
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In einer weiteren Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist das Magnetkernelement aus einer Ferritkeramik oder einem Magnetpulver gebildet. Die Ferritkeramik umfasst beispielsweise Mangan-Zink-Ferrit oder Nickel-Zink-Ferrit. Bei Nickel-Zink-Ferrit ergibt sich als weiterer Vorteil, dass dieses Material elektrisch isolierend ist, während beispielsweise bei Mangan-Zink-Ferrit der Kern bei direkter Bewicklung mit einem nicht isolierten Leiter mit einer elektrisch isolierenden Schicht beschichtet werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft ein Magnetkernmodul, das aus einer Vielzahl von Magnetkernelementen, wie zuvor beschrieben, zusammengesetzt ist. Dabei können variabel einstellbare, angewinkelte Verbindungen von wenigstens zwei Magnetkernelementen der Vielzahl von Magnetkernelementen mit einem Winkel (α) geschaffen werden. Ein bevorzugter Bereich des Winkels (α) liegt bei 0° bis 15°. Auf Grund der passend zueinander ausgebildeten Endformen der miteinander verbundenen Magnetkernelemente ist ein Aufbau von langen, mehrgliedrigen Stabkernkombinationen mit minimaler innerer magnetischer Scherung möglich. Sogar bei Anordnung der verbundenen Magnetkernelemente in einer, z.B., bogenförmigen Art ergibt sich ein nahezu spaltfreier Aufbau, wodurch die magnetischen Streufelder reduziert werden. Auf diese Weise kann eine Stabkernantenne geschaffen werden, die in ihrer Form gut an eine Fahrzeugkomponente anpassbar ist und eine lange Lebenszeit aufweist, da sie aufgrund einer verbesserten flexiblen Einstellung unempfindlicher gegenüber Verformungen beim Einbau oder Gebrauch ist.
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In einer weiteren Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung ein induktives Bauelement mit dem zuvor beschriebenen Magnetkernmodul zur Ausbildung einer Stabkernantenne. Das induktive Bauelement ist vorzugsweise ohne Wicklungsträger ausgebildet, sodass die Wicklung direkt auf dem Magnetkernmodul angebracht ist. Dazu muss der Kern gut isoliert sein oder der Kern selbst aus einer Zn-Ni Keramik gebildet sein.
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In weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung wird die Vielzahl von Magnetkernelementen durch ein Spannfedersystem miteinander verbunden. In diesem Fall werden die Kugeln durch Federn in die Schalen vorgespannt und die so miteinander verbundenen Magnetkernelemente durch Reibschluss in Position gehalten, wobei die Position jedoch unter Anwendung von Kraft veränderbar ist. Da keine Verklebung der Kerne notwendig ist, kann die Erzeugung von Luftspalten verhindert und die Bildung magnetischer Streufelder reduziert werden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird beim Verbinden von wenigstens zwei Magnetkernelementen der Vielzahl von Magnetkernelementen zwischen der sphärischen oder zylindrischen Ausnehmung und dem sphärischen oder zylindrischen Verbindungsvorsprung bzw. der Verbindungskugel oder des Verbindungsstücks am zweiten Ende ein magnetisch leitendes Medium eingebracht, um Luftspalte, die beim Verbinden der einzelnen Magnetkernelemente entstehen, zu vermeiden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen angegeben. In der folgenden Beschreibung sind mit Bezug zu den beiliegenden Zeichnungen weitere Ausführungsbeispiele ausführlicher beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
- 1 eine schematische perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform, die ein Magnetkernelement der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2 eine schematische Querschnittsansicht einer variabel einstellbaren angewinkelten Verbindung von wenigstens zwei Magnetkernelementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Querschnittsansicht von wenigstens zwei miteinander verbundenen Magnetkernelementen, die in einem Winkel (α) zueinander angeordnet sind;
- 4 eine schematische Querschnittsansicht von wenigstens zwei miteinander verbundenen Magnetkernelementen, wobei ein Magnetkernelement eine abgeschrägte Schulter aufweist;
- 5 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 6 eine schematische Ansicht des Magnetkernelements der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 7 eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
- 8 eine schematische Querschnittsansicht von wenigstens zwei Magnetkernelementen, die durch ein Spannfedersystem miteinander verbunden sind;
- 9 eine schematische Ansicht eines Magnetkernmoduls, das aus einer Vielzahl von Magnetkernelementen der 1 zusammengesetzt ist; und
- 10 eine schematische Ansicht einer bewickelten Antenne ohne Gehäuse und eine Schnittansicht derselben.
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1 zeigt ein Magnetkernelement 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Magnetkernelement ist stabförmig und definiert eine Längsrichtung 101 und umfasst ein erstes Ende 102 mit einer sphärischen Ausnehmung 110 und ein zweites Ende 103 mit einem sphärischen Verbindungsvorsprung 120, das zur Herstellung einer variabel einstellbaren, angewinkelten Verbindung von wenigstens zwei Magnetkernelementen 100 geeignet ist. Der Kerndurchmesser des Magnetkernelements 100 beträgt typischerweise 1mm bis 10 mm und weist bevorzugt eine Länge von 10 bis 60 mm auf. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Größen der Magnetkernelemente anwendungsspezifisch zu wählen sind.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die sphärische Ausnehmung 110 eine Kugelschale und der sphärische Verbindungsvorsprung 120 einen Kugelkopf zur Ausbildung einer Pfannen/Kugel-Endkontur auf. Die Kugeloberfläche des Verbindungsvorsprungs weist gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten abgeschrägten, ebenen Endabschnittsfläche eine größere Fläche auf, die sich bei einer variabel einstellbaren, angewinkelten Verbindung von wenigstens zwei Magnetkernelementen 100 als vorteilhaft erweist. Zum einen können beim Verbinden die wenigstens zwei Magnetkernelemente 100 bzw. eine Vielzahl von Magnetkernelementen 100 beispielsweise stabiler verklebt werden, wodurch beispielsweise die Häufigkeit von Brüchen an den Klebestellen zwischen jeweils zwei Magnetkernelementen 100 verringert werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da je nach Verwendungszweck und baulichen Anforderungen eine Vielzahl von Magnetkernelementen 100 zur Verwendung in einer Antenne zusammengefügt werden können. Eine angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei Magnetkernelementen 100 bzw. einer Vielzahl von Magnetkernelementen 100 kann beispielsweise in Griffen von Kraftfahrzeugtüren, in Türrahmen, Seitenverkleidungen oder Stossfängern von Kraftfahrzeugen eingebaut werden. Zum anderen gewährleistet das Ausbilden einer Pfannen/Kugel-Endkontur vorzugsweise ein Verbinden der wenigstens zwei Magnetkernelemente 100 ohne Verklebung, wobei das Verbinden von Magnetkernelementen ohne Verklebung später detaillierter beschrieben wird.
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Abgesehen von der Art der Stabilisierung der Endform des aus mehreren Elementen zusammengefügten Stabkerns zur Verwendung in einer Antenne sollte bemerkt werden, dass aufgrund der Pfannen/Kugel-Endkontur beim Zusammenfügen wenigstens zweier oder mehrerer Magnetkernelemente 100 verschiedene Antennenendformen erzielbar sind. D.h., die Magnetkernelemente 100 können zu einem geraden oder gebogenen Stabkern oder zu einer Kombination davon zusammengefügt werden. Da die Pfannen/Kugel-Endkontur um die Längsachse rotationssymmetrisch ist, gibt es beim Verbinden von wenigstens zwei Magnetkernelementen 100 keine Einschränkung bezüglich der gegenseitigen Lage. Somit kann ein aus mehreren Magnetkernelementen 100 zusammengefügter Stabkern verschiedene räumliche Form annehmen.
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Ein weiterer Vorteil der sphärischen Magnetkernenden liegt darin, dass je nach Anwendungsgebiet der Stabkernspule und/oder baulichen Gegebenheiten des Anwendungsgegenstands, z.B., des Kraftfahrzeugs, Magnetkernelemente mit unterschiedlichen Längen miteinander kombinierbar sind.
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Das Magnetkernelement 100 weist vorzugsweise einen zylindrischen, rechteckigen, quadratischen oder elliptischen Querschnitt auf. Vorteilhafterweise ist die sphärische Endform des Magnetkernelements 100 auf jede der Querschnittsformen anwendbar. Magnetische Stabkernelement, insbesondere solche, die aus Ferritmaterial hergestellt sind weisen vorteilhafterweise einen runden Querschnitt auf, da dadurch herstellungsbedingte Verspannungen in Stabkern dadurch minimiert werden im Vergleich zu anderen Stabformen.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren bevorzugten Aspekts der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, definiert die Differenz zwischen dem Durchmesser des Magnetkernelements und dem Durchmesser des Verbindungsvorsprungs eine Schulter 104. Die Differenz zwischen dem Durchmesser des Magnetkernelements und dem jeweiligen Durchmesser der Ausnehmung und des Verbindungsvorsprungs beträgt beispielsweise 5% bis 10% des Kerndurchmessers. Durch Ausbilden der Schulter 104 mit einer vorher festgelegten Größe ist es möglich, im Bereich des Stabkernendes mit der Ausnehmung ausreichend Materialstärke am Rand zu belassen, um eine hohe mechanische Festigkeit zu erreichen.
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Wie ebenfalls in der 2 gezeigt, ist eine Tiefe (T) der Ausnehmung geringer als eine Höhe (H) des Verbindungsvorsprungs ausgebildet. Somit weisen wenigstens zwei zusammengefügte Magnetkernelemente beim Einführen des zweiten Endes 103 mit dem Verbindungsvorsprung 120 des ersten Magnetkernelements 100 in das erste Ende 102 mit der Ausnehmung 110 des zweiten Magnetkernelements 100 einen Ringspalt auf. Das Verhältnis des Kerndurchmessers zur Höhe des Verbindungsvorsprungs beträgt 0,2 bis 0,5. Beispielsweise beträgt das Verhältnis des Kerndurchmessers zur Höhe des Verbindungsvorsprungs 0,3. Ferner ist zwischen dem ersten Ende 102 und der Ausnehmung 110 ein zur Schulter 104 komplementärer Rand 105 definiert. In Abhängigkeit dieses Unterschieds zwischen Tiefe der Ausnehmung und Höhe des Vorsprungs ergibt sich die maximale Verkippung zweier miteinander verbundener Stabkernelemente, ohne dass sich die ganzflächige Anlage des Verbindungsvorsprungs in der Ausnehmung aufhebt.
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Als magnetisches Material für den Kern sind verschiedene Materialien verwendbar, wie beispielsweise eine Ferritkeramik, ein Metallpulver oder eine Metalllegierung. Im Falle einer Ferritkeramik kann Mangan-Zink-Ferrit, Nickel-Zink-Ferrit oder dergleichen verwendet werden. Nickel-Zink-Ferrit weist den Vorteil auf, dass die Legierung elektrisch isolierend ist, während beispielsweise bei Mangan-Zink-Ferrit elektrisch leitend an der Oberfläche ist und im Falle einer direkten Bewicklung zusätzlich eine elektrisch isolierende Beschichtung auf dem Kern vorgesehen werden kann. Obige Materialien sind insbesondere als Stabkerne für Filterspulen, Speicherdrosseln und Stabantennen geeignet, und insbesondere, je nach Materialwahl, für Frequenzen zwischen 10 kHz bis 1000kHz im Falle von Mangan-Zink-Ferrit und 0,1 MHz bis 10MHz im Falle von Nickel-Zink-Ferrit einsetzbar.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung. Die in der 3 vergrößert gezeigte, angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei Magnetkernelementen 100 weist beispielsweise einen Winkel (α) von höchstens 5° auf. Vorzugsweise weist der Bereich für die angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei Magnetkernelementen 100 einen Winkel (α) von 0° bis 15° auf.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren bevorzugten Aspekts der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist die Schulter 104 abgeschrägt ausgebildet, um noch mehr Flexibilität in Bezug auf eine variabel einstellbare, angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei oder mehreren Magnetkernelementen 100 zu gewährleisten. In einer weiteren Ausbildung können die Eckabschnitte des ersten Endes 102 und des zweiten Endes 103 abgerundet ausgebildet sein.
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5 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall weist das Magnetkernelement 100 vorzugsweise am ersten und am zweiten Ende 102, 103 jeweils eine sphärische Ausnehmung 110 auf. Eine variabel einstellbare, angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei der Magnetkernelemente 100, die jeweils die sphärische Ausnehmung 110 am ersten und zweiten Ende 102, 103 aufweisen, wird über eine Verbindungskugel 121 erzielt. Dadurch ist es möglich einen noch größeren Montagewinkel als bei der Kugel/Pfannen-Endkontur zu erzielen. Das Verwenden der Verbindungskugel bzw. Magnetkugel 121 ermöglicht es zudem, mehrere Kerne zu einem Knotenpunkt zusammenzufügen. So können beispielsweise drei oder vier Magnetkernelemente 100 über eine Magnetkugel 121 miteinander verbunden werden.
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6 zeigt eine schematische Ansicht des Magnetkernelements 100 der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das an seinem ersten und zweiten Ende 102, 103 jeweils die sphärische Ausnehmung 110 aufweist. Ferner kann das Magnetkernelement 100 am ersten und am zweiten Ende 102, 103 jeweils einen sphärischen Verbindungsvorsprung 120 aufweisen. Eine variabel einstellbare, angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei der Magnetkernelemente 100, die jeweils den sphärischen Verbindungsvorsprung 120 aufweisen, ist mithilfe eines bikonkaven Verbindungsstücks (nicht gezeigt) realisierbar.
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7 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall weist das Magnetkernelement 100 eine Stabform mit rechteckigem Querschnitt vorzugsweise am ersten Ende 102 eine zylindrische Ausnehmung 110 und am zweiten Ende 103 einen zylindrischen Verbindungsvorsprung 122 auf. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine sehr flache Bauweise bei zugleich hohem magnetischem Querschnitt aus.
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Ferner kann der rechteckige Querschnitt am ersten und am zweiten Ende 102, 103 jeweils eine zylindrische Ausnehmung 110 aufweisen. Eine variabel einstellbare, angewinkelte Verbindung von wenigstens zwei der Magnetkernelemente 100, die jeweils die zylindrische Ausnehmung 110 am ersten und zweiten Ende 102, 103 aufweisen, wird über ein zylindrisches Verbindungsstück erzielt.
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8 zeigt eine Verbindung von mindestens zwei Magnetkernelementen 100 mithilfe eines Spannfedersystems. In diesem Fall weist jedes Magnetkernelement 100 ein vorzugsweise aus Kunststoff gefertigtes Halteelement 130, 131 auf, um die sphärischen Magnetkernenden 110, 120 unter Verwendung eines Gummirings 132, 133 miteinander zu verbinden. Somit ist eine Zentrierung und Kontaktierung mittels Spannfedersystem ohne Verklebung möglich, wodurch je nach baulichen Anforderungen eine äußerst flexibel einstellbare Antenne bzw. Stabkern mit hinreichender Durchbiegung bereitgestellt wird.
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In weiteren Aspekten der vorliegenden Erfindung wird die Vielzahl von Magnetkernelementen durch Verklebung miteinander verbunden. Diese Art der Verbindung ist in Fällen anwendbar, bei denen keine mechanische Flexibilität im Betrieb notwendig ist. Durch die sphärischen Magnetkernenden 110, 120 können die Magnetkernelemente des Magnetkernmoduls, wie beispielsweise zuvor beschrieben, entsprechend den baulichen Gegebenheiten eines Kraftfahrzeugtürgriffs in selbstausrichtender Weise in diesen eingesetzt und miteinander verklebt werden, wodurch die verklebten Kerne an der Klebestelle nicht brechen oder sich lösen können, da mechanische Verspannungen größtenteils verhindert werden.
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9 zeigt die einzelnen miteinander verbundenen Magnetkernelemente 100. 9 stellt somit eine schematische Ansicht eines Magnetkernmoduls 200 der vorliegenden Erfindung, das aus einer Vielzahl von Magnetkernelementen 100 zusammengesetzt ist, dar. Ein induktives Bauelement kann das Magnetkernmodul 200 zur Ausbildung einer Stabkernantenne aufweisen. Zudem ist das induktive Bauelement so ausgebildet, dass der magnetische Kern direkt als Wickelkörper für die Spulenwicklung dienen kann. So kann beispielsweise auf einen separaten Wicklungsträger oder Spulenkörper verzichtet werden.
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Durch den modularen Aufbau der Magnetkernelemente 100 ist es auch möglich, die verschiedenen Magnetkernmaterialien, wie Metallpulver, Sinterkeramik und Metalllegierung in einem Bauteil zu kombinieren.
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Vorteilhafterweise wird beim Verbinden von wenigstens zwei Magnetkernelementen der Vielzahl von Magnetkernelementen zwischen der sphärischen oder zylindrischen Ausnehmung und dem sphärischen oder zylindrischen Verbindungsvorsprung bzw. der Verbindungskugel oder dem zylindrischen Verbindungsstück ein magnetisch leitendes Medium eingebracht. Das magnetisch leitende Medium kann eine Paste umfassen. Beim Verbinden bzw. Fügen von Magnetkernelementen aus Magnetpulver treten auf Grund der Sinterschrumpftoleranzen Mikroluftspalte in den Fügeflächen auf. Luftspalte in den Verbindungsflächen zweier Magnetkernelemente bedingen jedoch eine Verschlechterung der magnetischen Eigenschaften des Stabkernmoduls. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, in den Fügeluftspalt eine magnetisch leitende Paste mit einer definierten Kornstruktur vorzusehen, um diese Effekte weitgehend zu vermeiden. Zur Herstellung einer magnetisch leitenden Paste ist es möglich, Metallpulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von z.B. 100 µ oder kleiner mit einem Trägermedium mit thixotroper Eigenschaft zu vermischen.
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10 zeigt eine schematische Ansicht einer bewickelten Antenne 300 ohne Gehäuse und eine Schnittansicht derselben.
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Zur Ausbildung des induktiven Bauelements wird ein dünnwandiges, elastisches Kunststoffrohr, das eine Wandstärke von beispielsweise 0,3 bis 1,0 mm oder 0,1 bis 0,15 mm aufweist, mit einem Endstopfen 310 verschlossen. Anschließend wird das magnetisch leitende Medium, d.h., die Magnetpaste, auf die sphärische oder zylindrische Ausnehmung 110 der Magnetkernelemente 100 aufgebracht und das Kunststoffrohr mit den Magnetkernelementen bestückt. Als nächstes wird eine Druckfeder in das Kunststoffrohr eingeführt und unter Verwendung eines Endstopfens verschlossen. Das Kunststoffrohr wird vorzugsweise im Durchlaufverfahren mit Wicklungsdraht bewickelt, wobei das Rohr in Abstimmung mit dem Vorschub und der Drehzahl entlang der Vorschubrichtung bewickelt wird und die Drahtenden fixiert werden. Bei dieser Ausführungsform wird der Draht selbst als Kontaktstift verwendet. Der Draht bildet ferner eine Sicke 320, die in eine geeignete Ausnehmung in einem Steckverbindungselement 340 zur Fixierung darin eingreift. Die Montage der Stecker und das Verbinden der Drähte erfolgt vorzugsweise ohne Löten oder Schweißen. Anschließend wird die Induktivität abgeglichen, indem die Feder mehr oder weniger gespannt wird und sich die Magnetkernelemente dabei gegen über der aufgebrachten Wicklung verschieben. Als nächstes wird über das induktive Bauelement ein mit einem Fixiermaterial vorgefülltes Schutz- bzw. Befestigungsrohr darüber gestülpt. Das so fertig gestellte induktive Bauelement wird anschließend einem Aushärtungsprozess und einer Endprüfung unterzogen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das induktive Bauelement während des Herstellungsprozesses einer Zwischenprüfung unterzogen werden.
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Alternativ ist es auch möglich, zur Ausbildung des induktiven Bauelements die Magnetkernelemente elektrisch isoliert in eine Spiralfeder einzustecken, wobei im Bedarfsfall die Magnetpaste auf die sphärische oder zylindrische Ausnehmung 110 der Magnetkernelemente 100 aufgebracht wird. Die Feder dient dann gleichzeitig als Wicklung und Spannelement. Im Anschluss daran erfolgt das Spannen der Wicklungsfeder und somit ein Abgleichen der Induktivität, wie zuvor beschrieben. Nach erfolgtem Abgleich wird das Modul fixiert und die Federenden abgelängt. Bei dieser Ausführungsform wird der Draht selbst als Kontaktstift verwendet und in das vorgesehene Steckergehäuse eingepresst.
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Als nächstes wird über das induktive Bauelement ein mit einem Fixiermaterial vorgefülltes Schutz- bzw. Befestigungsrohr darüber gestülpt und mit dem Steckergehäuse fest verbunden. Wie zuvor beschrieben, erfolgt im Anschluss daran ein Aushärtungsprozess und eine Endprüfung.
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Erfindungsgemäß ist somit der Aufbau von langen mehrgliedrigen Stabkernkombinationen mit einer Länge von beispielsweise 30 cm oder mehr und mit minimaler innerer magnetischer Scherung möglich. Durch das Ausbilden einer Pfannen/Kugel-Endkontur weist die sphärische bzw. zylindrische Oberfläche gegenüber einer ebenen Endabschnittsfläche aus dem Stand der Technik eine größere Fläche auf. Durch die etwas größere Fläche ist ein nahezu spaltfreier Aufbau mit geringerer magnetischer Streuung im Vergleich zu einem Aufbau mit ebenen Endabschnitten möglich. Ferner ist es möglich, die sphärische oder zylindrische Ausnehmung und den sphärischen oder zylindrischen Verbindungsvorsprung bzw. die Verbindungskugel oder das zylindrische Verbindungsstück ohne Verklebung stabiler miteinander zu verbinden. Auf diese Weise ist es möglich, mittels derartiger sphärischer oder zylindrischer Magnetkernenden äußerst vielfältige Anordnungen von langen Stabkernspulen bzw. -antennen herzustellen. Selbst die Ausbildung langer und großer Drosseln zur Energiespeicherung ist mit der vorliegenden Erfindung denkbar. Ferner weisen die kurzen Magnetkernelemente selbst den Vorteil auf, dass sie im Falle einer extern aufgebrachten Druckbelastung aufgrund ihrer geringen Abmessung seltener brechen.
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Somit ist es möglich, ein das Magnetkernmodul verwendendes induktives Bauelement sowohl für den Aufbau von flexibel einstellbaren Antennen mit großer Reichweite sowie für den Aufbau von langen Stabkernspulen mit kleinen Kernquerschnitten bereitzustellen.
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Eine mögliche Anwendung umfasst zum Beispiel Elektroautos, wobei eine im Boden integrierte Primärspule an Ladestationen und eine im Auto untergebrachte Sekundärspule miteinander kommunizieren, um sicherzustellen, dass nur geeignete ladefähige Elektroautos an Ladestationen abgestellt werden oder um ein kabelloses Laden effizient durchzuführen. Ferner gewährleisten die erfindungsgemäßen Antennen eine höhere Empfindlichkeit für die gegenseitige Positionserkennung an Ladestationen.
