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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Beschreibung betrifft das Gebiet der Stromsensoren, insbesondere einen Magnetkern für Closed-Loop-Kompensationsstromsensoren oder Open-Loop-Stromsensoren.
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HINTERGRUND
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Zur berührungslosen und damit potenzialfreien Messung eines elektrischen Stromes in einem Leiter sind zum einen so genannte direktabbildende Stromsensoren bekannt, welche den durch den Strom verursachten magnetischen Fluss, beispielsweise mittels Hallsensoren oder Magnetfeldsonden, in einem magnetischen Kreis erfassen und ein zur Stromstärke proportionales Messsignal erzeugen. Derartige direktabbildende Stromsensoren werden auch als Open-Loop-Stromsensoren bezeichnet, welche keinen geschlossenen Regelkreis aufweisen.
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Des Weiteren sind Kompensationsstromsensoren bekannt, bei denen mit Hilfe eines geschlossenen Regelkreises in einem Magnetkreis (Eisenkern) kontinuierlich ein magnetisches Gegenfeld gleicher Größe wie das Magnetfeld des zu messenden Stromes erzeugt wird, sodass ständig eine (annähernd) vollständige Magnetfeldkompensation bewirkt wird und aus den Parametern zur Erzeugung des Gegenfeldes die Größe des zu messenden Stromes ermittelt werden kann. Bei höherfrequenten Strömen arbeitet ein Kompensationsstromsensor aufgrund seines Eisenkerns im Wesentlichen als Stromtransformator.
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Die Eigenschaften des Stromsensors hängen unter anderem von den magnetischen Eigenschaften des Eisenkerns ab. Bei einem gegebenen Querschnitt des Eisenkerns sind kleine Messfehler und ein großer Messbereich sich widersprechende Designziele. Aus diesem Grund kommen für verschiedene Anwendungen unterschiedliche Legierungen für den Eisenkern in Frage, wobei die Legierung für eine bestimmte Klasse von Anwendungen im Hinblick auf ihre magnetischen Eigenschaften optimiert sein kann.
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Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, einen Magnetkern für Stromsensoren zu schaffen, welcher für verschiedene Anwendungen flexibel eingesetzt und auf einfache Art und Weise hergestellt werden kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gelöst wird diese Aufgabe durch den Gegenstand der Ansprüche 1 und 20. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Im Folgenden wird ein Magnetkern für Stromsensoren beschrieben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Magnetkern einen ersten ringförmigen Kernteil aus einem ersten weichmagnetischen Material und einen zweiten ringförmigen Kernteil aus einem zweiten weichmagnetischen Material auf, welches eine geringere Permeabilität, eine höhere Sättigungsinduktion und eine höhere Koerzitivfeldstärke als das erste Material aufweist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Magnetkern einen ersten ringförmigen Kernteil aus einem ersten weichmagnetischen Material und einen zweiten ringförmigen Kernteil aus einem zweiten weichmagnetischen Material auf wobei: (1) das erste Material eine Nickel-Eisenlegierung mit 69-82 Gewichtsprozent Nickel ist und das zweite Material eine Nickel-Eisenlegierung mit 36-55 Gewichtsprozent Nickel ist oder (2) das erste Material eine Nickel-Eisenlegierung mit 36-55 Gewichtsprozent ist und das zweite Material eine Silizium-Eisenlegierung mit bis zu 4 Gewichtsprozent Silizium ist oder (3) das erste Material eine Nickel-Eisenlegierung mit 69-82 Gewichtsprozent ist und das zweite Material eine Silizium-Eisenlegierung mit bis zu 4 Gewichtsprozent Silizium ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand von Abbildungen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Ausführungsbeispiele sind nicht nur auf die dargestellten Aspekte beschränkt. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die den Ausführungsbeispielen zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
- 1 illustriert anhand eines Blockschaltbildes ein Beispiel eines Kompensationsstromsensors mit Flux-Gate-Sonde;
- 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Magnetkerns für Stromsensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt eine schematische Ansicht eines Magnetkerns gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
- 4 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel mit gewickelten Kernteilen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen einen Magnetkern für Kompensationsstromsensoren. Bevor verschiedene Aspekte des Magnetkerns im Detail diskutiert werden, wird vorab die an sich bekannte Grundstruktur eines Kompensationsstromsensors kurz beschrieben. Ein Beispiel ist in 1 dargestellt.
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Gemäß 1 umfasst der Stromsensor einen weichmagnetischen Kern 3, der mit einer Primärwicklung 5 (oft nur eine einzige Windung), und einer Sekundärwicklung/Kompensationswicklung 4 magnetisch gekoppelt ist. Die Primärwicklung 5 führt den zu messenden Primärstrom iP und die Kompensationswicklung 4 führt den Kompensationsstrom is (Sekundärstrom). Die von Primärstrom iP und Sekundärstrom is verursachten magnetischen Flusskomponenten überlagern sich in dem Kern 3 destruktiv, wobei der resultierende magnetische Fluss im Kern 3 auf null geregelt wird. Die Regelung erfolgt mit Hilfe des später noch beschriebenen Stromreglers für den Sekundärstrom.
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Der verbleibende magnetische Fluss wird mittels einer Magnetfeldsonde 20 gemessen, die einen als „Sensorstreifen“ bezeichneten ferromagnetischen Metallstreifen 21 und eine den Sensorstreifen 21 umschließende Sensorspule 22 umfasst. Die Sensorspule 22 ist mit einer Auswerteschaltung 41 verbunden, die einen den magnetischen Fluss repräsentierenden Messwert B bereitstellt. Verschiedene geeignete Auswerteschaltungen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter erläutert. Meist umfasst die Auswerteschaltung 41 einen Oszillator, der einen Erregerstrom i
M erzeugt, der in die Sensorspule 22 eingespeist wird und diese periodisch mit wechselnder Polarität bis zur Sättigung des Sensorstreifens 21 magnetisiert. Aufgrund der symmetrischen, idealerweise rechteckigen Hysteresekennlinie des Sensorstreifens 21, weist eine eventuell vorhandene Unsymmetrie beim abwechselnden Magnetisieren der Sensorspule 22 auf einen magnetischen Fluss im Kern 3 hin, der ungleich null ist. Diese Unsymmetrie kann ausgewertet werden. Die Auswerteschaltung ist mit dem Stromregler 42 gekoppelt, der den Sekundärstrom is so einstellt, dass die erwähnte Unsymmetrie verschwindet bzw. der Messwert B (idealerweise) null wird. Eine derartige Magnetfeldsonde wird auch als Flux-Gate-Sonde bezeichnet. Ein Beispiel ist unter anderem in
DE 102008029475 A1 beschrieben.
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In diesem Zustand (Messwert B ist null) ist der Kompensationsstrom is proportional zu dem Primärstrom iP, wobei der Proportionalitätsfaktor von dem Verhältnis der Windungszahlen von Primärwicklung 5 und Kompensationswicklung 4 abhängt. Der geregelte Kompensationsstrom is kann sehr genau z.B. mittels eines Messwiderstandes Rs gemessen werden und der resultierende Messwert (z.B. die Ausgangsspannung VO=RS×iS) repräsentiert aufgrund der erwähnten Proportionalität den Primärstrom iP.
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Ein Stromsensor mit Flux-Gate-Sonde benötigt den Magnetkern 3 zur Führung des magnetischen Flusses des zu messenden Primärstroms iP. Für den Magnetkern sind dabei mehrere Eigenschaften wünschenswert. Er sollte beispielsweise aus einem hochpermeablen weichmagnetischem Material bestehen, um möglichst viele Feldlinien zu „sammeln“. Die magnetische Hysterese ist ein die Messgenauigkeit beeinflussender Parameter. Die Hysterese sollte möglichst klein sein. Das hochpermeable weichmagnetische Material des Kerns bietet im Idealfall auch eine hohe Aussteuerbarkeit ohne zu sättigen. Der Kern sollte zudem eine Fehlstelle aufweisen, um an einer definierten Position Streufeld zu erzeugen, welches von der Sonde 20 erfasst werden kann, um den Kompensationsstrom is (Sekundärstrom) nachzuregeln. Wenn der Kompensationsstromsensor zur Messung von Gleichströmen (DC-Ströme) verwendet wird, detektiert die Sonde 20 das Streufeld des Magnetkerns 3 und regelt den Kompensationsstrom is durch die Kompensationswicklung 4 (siehe 1) nach, bis dass der Kern feldfrei wird. Die erwähnte Fehlstelle darf aber nicht so groß sein, dass der Kern zu stark geschert würde, da sonst die Induktivität sinken und sich das Wandler-/Trafoverhalten verschlechtert. Bei höherfrequenten Primärströmen arbeitet der Sensor durch seinen Eisenkern im Wesentlichen als Stromtransformator und die Flux-Gate-Sonde spielt nur noch eine untergeordnete Rolle. Ein geschlossener, nicht gescherter Magnetkreis bietet in dieser Betriebsart die besten Transformatoreigenschaften.
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Eine weitere Klasse von Stromsensoren sind sogenannte Open-Loop-Stromsensoren, bei denen keine Kompensationswicklung 4 und folglich auch kein Stromregler 42 benötigt wird. In diesem Fall wird das Feld, welches der durch die Wicklung 5 fließende Strom iP in einem Luftspalt des Magnetkerns erzeugt, mit Hilfe der Sonde 20 direkt gemessen (und nicht indirekt über den Kompensationsstrom). Die hier beschriebenen Magnetkerne sind für beide Arten von Stromsensoren geeignet.
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In bekannten Sensoren sind Kerne aus einem Material verbaut, welches für das intendierte Einsatzgebiet des Stromsensors im Hinblick auf die magnetischen Materialeigenschaften optimiert sein kann. Wie erwähnt sind bei gegebenem Eisenquerschnitt ein kleiner Messfehler und ein hoher Messbereich sich zumindest teilweise ausschließende Designziele. Die Koerzitivfeldstärke des Kernmaterials wirkt sich direkt auf den Messfehler aus. Bekannte Legierungen mit einer kleinen Koerzitivfeldstärke haben jedoch keine besonders hohen Sättigungspolarisationen, was wiederum den nutzbaren Messbereich einschränkt. Um diesen Auszuweiten müsste der Eisenquerschnitt des Magnetkerns erhöht werden, was aber in vielen Anwendungen keine Option ist. Beim Einsatz von im Hinblick auf die Sättigungspolarisation optimierten Legierungen kann jedoch auch die Koerzitivfeldstärke steigen (um bis zu einem Faktor 3-4). Der Eisenkern sättigt bei großen Feldstärken zwar nicht so schnell und der zu messende Primärstrom kann gesteigert werden, jedoch ist der Messfehler größer.
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Es besteht also ein Bedarf an verbesserten Magnetkernen, welche zumindest einige der oben erläuterten wünschenswerten Eigenschaften so gut wie möglich in sich vereinen.
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2 zeigt eine schematische Ansicht eines Magnetkerns 3 für Kompensationsstromsensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Gemäß 2 weist der Magnetkern 3 einen ersten (inneren) Kernteil 11 sowie einen zweiten (äußeren) Kernteil 12 auf. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen besteht der erste Kernteil 11 aus einem ersten Material, welches eine hohe Permeabilität, eine geringe Sättigungsinduktion und eine sehr niedrige Koerzitivfeldstärke aufweist. Der zweite Kernteil 12 besteht hingegen aus einem zweiten Material, welches - im Vergleich zum ersten Material - eine geringere Permeabilität, eine höhere Sättigungsinduktion und eine höhere Koerzitivfeldstärke als das erste Material aufweist. Der innere Kernteil weist mindestens einen Luftspalt 15 auf, in dessen unmittelbarer Nähe die Magnetfeldsonde 20 angeordnet ist.
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Das erste Material des inneren Kernteils 11 kann beispielsweise eine Nickel-Eisen-Legierung mit einem Nickelanteil von rund 69-82 %, insbesondere rund 80% sein. Kommerziell erhältliche Legierungen dieser Art sind z.B. Mu-Metall und VACOPERM® 100. Diese Werkstoffe bieten niedrigste Koerzitivfeldstärken, aber auch nur geringe Sättigungsinduktionen. Das zweite Material des äußeren Kernteils 12 kann beispielsweise eine Nickel-Eisen- (NiFe-) Legierung mit einem Nickelanteil von rund 36-55% insbesondere rund 50% sein. Eine kommerziell erhältliche Legierung dieser Art ist z.B. PERMENORM® 5000 V5. Dieser Werkstoff bietet eine hohe Sättigungsinduktion, allerdings auch eine höhere Koerzitivfeldstärke. Die Prozentangaben sind in Gewichtsprozent.
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Durch die (relativ) höhere Permeabilität des inneren Kernteils 11 und den daraus resultierenden geringeren magnetischen Widerstand überwiegt der Fluss in diesem und die Magnetfeldsonde 20 kann am Luftspalt 15 den Streufluss messen (siehe 2).
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Der äußere Kernteil 12 weist wie erwähnt eine höhere Sättigungsinduktion auf und sättigt daher nicht so schnell wie der innere Kernteil 11. Dies kann dann der Fall sein, wenn die Primärleiterlage nicht optimal gewählt und der Magnetkern 3 ungleichmäßig ausgesteuert (magnetisiert) wird. Bei höheren Primärströmen kann auch eine Kombination von 50%igem NiFe-Legierung und einer SiFe-Legierung (z.B. TRAFOPERM® N4) eingesetzt werden.
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Die Kernteile 11 und 12 sind ringförmig. Ringförmig bedeutet in diesem Zusammenhang nicht, dass die Kernteile kreisrund sind, sondern sich entlang einer geschlossenen Kurve erstecken, was allerdings das Vorhandensein eines Luftspaltes nicht ausschließt. Ein ringförmiger Kern kann z.B. eine kreisrunde, eine ovale, eine rechteckige, quadratische oder sechseckige Struktur aufweisen.
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Die Kernteile 11 und 12 werden aus einem Metallband hergestellt, welches in verschiedenen Breiten verfügbar ist (Die Bänder können auf die benötigte Breite zugeschnitten werden). Das Band kann auf an sich bekannte Weise zu einem Coil gewickelt werden, geschnitten und beispielsweise zu annähernd u-förmigen Elementen 11a, 11b, 12a, 12b gebogen. Gemäß dem in 2 dargestellten Beispiel sind die zwei u-förmigen Elemente 11a und 11b so zusammengesetzt, dass eine annähernd rechteckige Struktur mit Luftspalten 15 und 19 gebildet wird. Diese Struktur bildet den inneren Kernteil 11. Auf ähnliche Weise werden die u-förmigen Elemente 12a und 12b zusammengesetzt. Diese bilden auch eine annähernd rechteckige Struktur, jedoch ohne Luftspalt. Diese Struktur bildet den äußeren Kernteil 12. Die u-förmigen Elemente 11a und 11b können zwei annähernd parallele, jedoch ungleich lange Schenkel aufweisen. Zwischen den Schenkeln der Elemente 11a und 11b bleiben die Luftspalte 15 und 19. Die Schenkel der Elemente 11a und 11b können jedoch auch gleich lang sein. Im dargestellten Beispiel sind die Elemente 11a und 11b gleich geformt, jedoch punktsymmetrisch zueinander angeordnet.
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Die (z.B. gleich langen) Schenkel der u-förmigen Elemente 12a und 12b liegen aneinander an (d.h. sich überlappend angeordnet). Der so gebildete annähernd rechteckige äußere Kernteil 12 umschließt den inneren Kernteil 11. In dem in 2 dargestellten Beispiel liegt der innere Kernteil abschnittsweise (in 2 an drei von vier Seiten) direkt an der Innenseite des äußeren Kernteils 12 an. In einem kurzen Abschnitt liegt der innere Kernteil 11 nicht direkt an der Innenseite des äußeren Kernteils 12 an, weil dazwischen die Magnetfeldsonde 20 angeordnet ist. In dem dargestellten Beispiel begrenzt die Magnetfeldsonde 20 den Luftspalt 15 seitlich. Der andere Luftspalt 19, der dem Luftspalt 15 gegenüber liegt ist magnetisch durch den äußeren Kernteil 11 kurzgeschlossen, da an dieser Stelle die beiden Kernteile 11 und 12 direkt aneinander anliegen. In dem in 3 dargestellten Beispiel ist der einzig magnetisch wirksame Luftspalt der Luftspalt 15. An diesem wird im Betrieb ein magnetisches Streufeld erzeugt, welches von der Magnetfeldsonde 20 detektiert werden kann. Die Magnetfeldsonde 20 kann in einer Ecke 17 des Magnetkerns 3 zwischen dem inneren Kernteil 11 und dem äußeren Kernteil 12 angeordnet sein. Die Anordnung der Sonde 20 am Rand dient der einfacheren Herstellung(Montage und Bewicklung) derselben.
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Wie erwähnt bestehen der erste Kernteil 11 und der zweite Kernteil 12 aus unterschiedlichem Material. Das Material des ersten Kernteils 11 weist eine hohe relative Permeabilität µR, eine geringe Sättigungsinduktion BS und eine sehr niedrige Koerzitivfeldstärke Hc auf. Das Material des zweiten Kernteils 12 weist - im Vergleich zum ersten Material - eine geringere Permeabilität µR, eine höhere Sättigungsinduktion Bs und eine höhere Koerzitivfeldstärke Hc als das erste Material auf. In 2 liegt der erste Kernteil 11 (mit höherer Permeabilität µR und niedrigerer Sättigungsinduktion Bs) innen und der zweite Kernteil 12 (mit niedrigerer Permeabilität µR, jedoch höherer Sättigungsinduktion Bs) außen. Es versteht sich, dass diese Anordnung auch vertauscht werden kann, sodass der Kernteil mit höherer Permeabilität µR (und niedrigerer Sättigungsinduktion Bs) außen liegt.
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Die einzelnen Kernelemente 11a, 11b, 12a, 12b bestehen aus einer Vielzahl von Bandlagen (ähnlich einem Schnittbandkern). Durch Variation der Dicke und Breite des Bandes ist die Größe des resultierenden Magnetkerns sehr leicht skalierbar. Der erste Kernteil 11, der den Luftspalt 15 aufweist, kann aus nur wenigen Lagen einer amorphen oder nanokristallinen Legierung bestehen.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches im Wesentlichen eine Modifikation des Beispiels aus 2 darstellt. Anders als in 2 sind im vorliegenden Beispiel die Schenkel der Kernelemente 12a und 12b, aus denen der äußere Kernteil 12 zusammengesetzt ist, nicht gleich lang. Nichtsdestotrotz liegen die Schenkel des u-förmigen Elements 12a wie im vorherigen Beispiel direkt an den korrespondierenden Schenkeln des Elements 12b an, wodurch die rechteckige Struktur gebildet wird, die den äußeren Kernteil 12 darstellt. Im Übrigen ist das in 3 gezeigte Beispiel gleich wie 2 und es wird auf obige Ausführungen verwiesen.
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4 illustriert ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Magnetkerns für Stromsensoren. Wiederum besteht der Magnetkern aus zwei ringförmigen Kernteil 11 und 12 aus weichmagnetischem Material. Im dargestellten Beispiel sind die Kernteile 11 und 12 kreisrund, wobei der innere Kernteil 11 geschlitzt sein kann. Er hat demnach einen Luftspalt 15. Der äußere Kernteil 12 weißt keinen Luftspalt auf. Der innere Kernteil 11 ist aus einem ersten weichmagnetischen Material und der äußere Kernteil 12 aus einem zweiten weichmagnetischen Material, das eine geringere Permeabilität µR, eine höhere Sättigungsinduktion Bs und eine höhere Koerzitivfeldstärke Hc als das erste Material aufweist.
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Die beiden Kernteile 11 und 12 können z.B. durch Wickeln eines weichmagnetischen Bandes hergestellt werden. In diesem Fall sind die beiden Kernteile 11 und 12 für sich genommen Ringbandkerne, d.h. der Magnetkern gemäß 4 besteht aus zwei koaxial angeordneten Ringbandkernteilen 11, 12, wobei nur der innere Kernteil 11 einen Luftspalt aufweist. Im Luftspalt 15 oder am Luftspalt 15 ist die Magnetfeldsonde 20 angeordnet. Bei Kompensationsstromsensoren ist die Magnetfeldsonde 20 z.B. eine Flux-Gate-Sonde, bei Open-Loop-Stromsensoren werden als Magnetfeldsonden häufig auch HallSensoren oder magnetoresistive (MR) Sensoren verwendet.
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Die verwendete Materialkombination kann beispielsweise eine Kombination aus einer NiFe-Legierung mit einem Nickelanteil von 69-82 Gewichtsprozent sein (erstes Material) und einer NiFe-Legierung mit einem Nickelanteil von 36-55 Gewichtsprozent sein (zweites Material). Beispielsweise weist VACOPERM® 100 (erstes Material, rund 77% Nickel) eine relative Permeabilität µR von 350.000 auf; die Sättigungspolarisation Bs beträgt 0,74 Tesla (T) und die Koerzitivfeldstärke Hc 0,8 Ampere pro Meter (A/m). PERMENORM® 5000 V5 (zweites Material, 45-50% Nickel) weist eine Permeabilität µR von 135.000, eine Sättigungspolarisation Bs von 1,55 T und eine Koerzitivfeldstärke Hc von 4 A/m auf.
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Bei höheren Primärströmen kann für den inneren Kernteil 11 ein Material wie z.B. PERMENORM® 5000 V5 (zweites Material) verwendet werden und für den äußeren Kernteil 12 als drittes Material eine SiFe-Legierung mit max. 4% Silizium wie z.B. TRAFOPERM® N4 (drittes Material, rund 3% Silizium). TRAFOPERM® weist eine relative Permeabilität µR von 30.000, eine Sättigungspolarisation Bs von 2,03 T und eine Koerzitivfeldstärke Hc von 20 A/m auf. Es versteht sich, dass die genannten Zahlenwerte lediglich als Beispiele zu verstehen sind. Man sieht, dass bei NiFe-Legierungen bei zunehmendem Nickelanteil die Permeabilität zunimmt und die Sättigungspolarisation abnimmt. Bei SiFe-Legierungen ist die Permeabilität geringer als bei NiFe-Legierungen und die Sättigungspolarisation größer.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008029475 A1 [0012]
