-
Die Erfindung bezieht sich auf eine
Magnetanordnung mit einem Magnetkern und einer Wicklung, die bei
einer Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom einen ersten magnetischen
Fluss in dem Magnetkern erzeugt, sowie mit wenigstens einem gesonderten
Magneten, der einen zweiten magnetischen Fluss in dem Magnetkern
erzeugt.
-
Die Erfindung liegt insbesondere
auf dem Gebiet der Herstellung von Magneten relativ kleiner Bauform,
beispielsweise zur Anwendung in Magnetlagern, Kleinantrieben oder
auch zur Signalverarbeitung. Bei derartigen Magnetanordnungen, die üblicherweise
einen Magnetkern und eine Wicklung aufweisen, kann es notwendig
sein, die Permeabilität gezielt
zu verändern.
-
Eine derartige Magnetanordnung ist
beispielsweise aus der japanischen Patentanmeldung Nr. 11-1444347
bekannt. Bei der bekannten Anordnung wird ein Magnetkern in Form
eines Ringkernes hergestellt und mit einer toroidförmigen Wicklung versehen.
Danach werden auf beide Stirnseiten des Ringkerns Permanentmagneten
aufgebracht, die einen zusätzlichen
Fluss in dem Ringkern erzeugen und dadurch die magnetische Reaktion
des Ringkerns auf einen in der Wicklung fließenden Strom, das heißt auch
die magnetischen Eigenschaften des Ringkerns beeinflussen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, bei einer Magnetanordnung der eingangs genannten
Art magnetische Eigenschaften gezielt und mit sehr geringem Aufwand
weitergehender zu ändern
beziehungsweise einzustellen, als dies mit alleiniger Modifikation
der Materialeigenschaften möglich
ist.
-
Die Aufgabe wird durch eine Magnetanordnung
nach Anspruch 1 beziehungsweise ein Verfahren zur Herstellung einer
Magnetanordnung nach Anspruch 13 gelöst.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
der Magnet so klein gegenüber
dem Magnetkern ist, dass der durch ihn erzeugte zweite magnetische
Fluss weniger als die Hälfte
des von dem ersten magnetischen Fluss durchsetzten Volumens des
Magnetkerns durchsetzt im Sinne einer wesentlichen Änderung
des ersten magnetischen Flusses.
-
Die Aufgabe kann auch dadurch gelöst werden,
dass der Magnet an einer Begrenzungsfläche des Magnetkerns angeordnet
ist und weniger als die Hälfte,
insbesondere weniger als ein Drittel der Begrenzungsfläche abdeckt.
-
Dadurch, dass der zweite magnetische
Fluss der durch den Magneten erzeugt wird, nur einen Teil des Magnetkerns
durchsetzt, wird der Kern lokal (insbesondere senkrecht zur späteren, elektrisch
induzierten Magnetisierungsrichtung) vormagnetisiert und gegebenenfalls
teilweise auch partiell gesättigt. Dadurch
wird die effektive Permeabilität
an dieser Stelle verändert,
das heißt
die Feldstärke
des Nutzsignals in der Wicklung muß zum Erreichen einer bestimmten
Magnetisierung in Richtung des ersten magnetischen Flusses größer sein
als ohne den Magneten.
-
Das System kann auch dadurch beschrieben werden,
dass an dieser Stelle eine zusätzliche
Anisotropie-Energie eingeführt
wird.
-
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird
somit die B(H)-Charakteristik,
das heißt
die Abhängigkeit
des äußeren Magnetfeldes
B von dem inneren Feld H, insbesondere die effektive Permeabilität des Ringkerns
geändert.
Je nach dem Verhältnis der
magnetischen Flüsse
und dem Größenverhältnis des
Magneten zum Ringkern kann die Permeabilität über den kompletten Aussteuerungsbereich
oder nur bei hoher Aussteuerung der Magnetisierung des Ringkerns
beeinflusst sein.
-
Alternativ könnte zur Änderung der Permeabilität auch der
Ringkern angeschlitzt oder geschnitten werden, was jedoch bei der
Serienherstellung derartiger Magnetanordnungen zu einem zu hohen Fertigungsaufwand
führen
würde.
-
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Erfindung sieht vor, dass der zweite magnetische Fluss in dem Magnetkern
im wesentlichen senkrecht zu der Richtung des ersten magnetischen
Flusses in demselben Volumen verläuft.
-
Wenn der zweite magnetische Fluss
in dem Magnetkern senkrecht auf der Richtung des ersten magnetischen
Flusses steht, dann ist die Änderung der
Anisotropie-Energie für
beide Flussrichtungen in dem Magnetkern gleich, was sich darin äußert, dass sich
die B(H)-Abhängigkeit
symetrisch ändert.
Dies ist in den meisten Fällen
wünschenswert.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung sieht vor, dass der Magnetkern als Ringkern und die
Wicklung als Toroidspule ausgebildet ist.
-
Derartige Ringkernmagneten sind vielseitig für mechanische
Zwecke und Signalverarbeitungsanwendungen anwendbar und kostengünstig herstellbar.
-
Bei einem derartigen Ringkern kann
vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Magnet an der inneren oder
an der äußeren Mantelfläche des
Magnetkerns angeordnet ist. Dort kann der Magnet besonders einfach
angeordnet und befestigt werden. Außerdem ist er gut zugänglich,
so dass er zur Einstellung der magnetischen Eigenschaften auch leicht verschiebbar
ist.
-
Die Erfindung kann auch vorteilhaft
dadurch verwirklicht werden, dass der Magnet an einer Stirnseite
des Magnetkerns angeordnet ist.
-
Je nach Einbaulage der Magnetanordnung kann
die Anordnung des Magneten an der Stirnseite des Magnetkerns besonders
platzsparend sein. Die Stirnseiten des Magnetkerns sind auch eben,
so dass sich dort besonders einfach ein zusätzlicher Körper befestigen lässt.
-
Dabei kann besonders vorteilhaft
vorgesehen sein, dass die Richtung des ersten magnetischen Flusses
in Umfangsrichtung des Ringkernes verläuft. Im Falle einer toroidförmigen Spule
an dem Ringkern ist eine derartige Richtung des magnetischen Flusses
selbstverständlich.
Es könnten
jedoch grundsätzlich
auch andere Richtungen des ersten magnetischen Flusses durch eine
geeignete Wicklung erzeugt werden.
-
Der erste magnetische Fluss in Umfangsrichtung
ist auch deshalb besonders günstig
weil dann der magnetische Pfad innerhalb des Materials des Ringkerns
vollständig
geschlossen ist.
-
Dabei kann weiterhin vorteilhaft
vorgesehen sein, dass die Richtung des zweiten magnetischen Flusses
in Achsialrichtung des Ringkerns verläuft.
-
Damit wird einfacher Weise die Bedingung erfüllt, dass
der erste magnetische Fluss und der zweite magnetische Fluss senkrecht
zueinander verlaufen, In diesem Fall erweist es sich als besonders günstig, den
Magneten stirnseitig in Bezug auf den Magnetkern anzuordnen.
-
Es kann auch vorgesehen sein, dass
die Richtung des zweiten magnetischen Flusses in Radialrichtung
des Ringkerns verläuft.
In diesem Fall erweist es sich als besonders günstig, den Magneten am Umfang
des Ringkerns, und zwar entweder innen oder außen, anzuordnen, Eine Anordnung
an der Stirnseite des Ringkerns würde in diesem Fall zwar ebenfalls
die erfindungsgemäße Voraussetzungen erfüllen, jedoch
wäre die
Wirkung des zweiten magnetischen Flusses nicht ganz so stark, da
bei den genannten Vorgaben über
die Richtungen der magnetischen Flüsse in den Ringkern lediglich
ein Teil des magnetischen Streuflusses des Magneten eindringen würde.
-
Besonders günstig lässt sich die erfindungsgemäße Konstruktion
dadurch verwirklichen, dass der Magnet unter Zwischenlage eines
Beabstandungskörpers
an dem Magnetkern angeordnet, insbesondere an diesem befestigt ist.
In diesem Fall kann durch eine geeignete Wahl eines Beabstandungskörpers auch
die Größe des in
den Magnetkern eintretenden zweiten magnetischen Flusses gesteuert
werden. In den meisten Fällen
wird man jedoch den Magneten direkt auf die Oberfläche des
Ringkerns beziehungsweise des Magnetkerns oder auf die Wicklung
aufbringen.
-
Besonders einfach lässt sich
die erfindungsgemäße Anordnung
auch dadurch gestalten, dass als Magnet ein Permanentmagnet gewählt wird.
-
Es ist zwar grundsätzlich auch
denkbar, zu diesem Zweck einen Elektromagneten einzusetzen (diese
Ausführungsform
soll ebenfalls Teil der Erfindung sein), jedoch wird der Konstruktionsaufwand beträchtlich
geringer, wenn Permanentmagneten, beispielsweise Seltene-Erden-Magneten
zu diesem Zweck eingesetzt werden.
-
Die Erfindung bezieht sich schließlich auch auf
ein Verfahren zur Herstellung einer Magnetanordnung, bei dem zuerst
ein Magnetkern mit einer Wicklung hergestellt wird, danach der Magnet
probeweise an dem Magnetkern angeordnet wird, darauf eine magnetische
Eigenschaft der Magnetanordnung, insbesondere der Induktivitätsverlauf
gemessen und mit einem Referenzdatensatz verglichen wird, und bei
einer Abweichung der gemessenen Eigenschaft von dem Referenzdatensatz
die Position des Magneten in Bezug auf den Magnetkern verändert und
darauf die magnetische Eigenschaft der Magnetanordnung erneut gemessen
wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dazu, die
magnetischen Eigenschaften der Magnetanordnung entweder individuell
bei jeder einzelnen herzustellenden Magnetanordnung oder jeweils
für eine Serie
von baugleichen herzustellenden Magnetanordnungen durch Auswahl
des Magneten und durch seine geeignete Positionierung an dem Magnetkern geeignet
festzulegen.
-
Dabei kann, wenn beispielsweise die
Permeabilität
für jede
einzelne Magnetanordnung genau eingestellt werden soll, jeweils
mit einer Standardanordnung begonnen werden, in der der Magnet an
einem bestimmten Punkt der Anordnung befestigt wird. Nach einer
geeigneten Messung der magnetischen Eigenschaften und dem Vergleich
mit Sollwerten kann dann der Magnet über eine Reihe von festgelegten
Positionen bewegt werden, wobei nach jeder Bewegung auf eine neue
Position erneut eine Messung durchgeführt und der Messwert mit dem
Sollwert verglichen wird. Sobald die magnetischen Eigenschaften
mit den Wunscheigenschaften übereinstimmen,
kann der Magnet an der erreichten Position endgültig befestigt werden.
-
Die Reihe der Positionen, die von
dem Magneten bei dem Einstellvorgang durchlaufen werden, können beispielsweise
in einer Speichereinrichtung gespeichert und bei dem Herstellungsvorgang
nacheinander abgerufen und durch einen Manipulator umgesetzt werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigt:
-
1 zwei
Magnetanordnungen mit angedeuteten Flussrichtungen,
-
2 zwei
Magnetanordnungen mit stirnseitig angeordneten Magneten,
-
3 zwei
Magnetanordnungen mit umfangsseitig angeordneten Magneten,
-
4 zum
Vergleich eine Induktionskurve mit und ohne Magneten,
-
5 das
Ergebnis einer Induktivitätsmessung.
-
Es zeigen die 1 – 3 zunächst einen Magnetkern 1 in
Form eines Ringkerns, wobei lediglich in der 2 im linken Teil schematisch eine Wicklung angedeutet
ist, die in den übrigen
Zeichnungen der Übersichtlichkeit
halber weggelassen ist. Die Wicklung 2 kann toroidal geformt
und den gesamten Ringkern 1 bedeckend ausgebildet sein
oder auch nur auf einem Teil des Umfangs des Ringkerns 1.
-
Über
die Anschlüsse 3 wird
der Wicklung 2 ein Nutzsignal zugeführt.
-
Wie in der 1 dargestellt, wird in dem Magnetkern 1 ein
erster magnetischer Fluss erzeugt, der in Umfangsrichtung verläuft, wie
dies durch den Pfeil 4 angedeutet ist. Der Pfeil 5 zeigt
einen in radialer Richtung in bezug auf den Ringkern ausgerichteten zweiten
magnetischen Fluss an und der Pfeil 6 einen axial ausgerichteten
zweiten magnetischen Fluss.
-
Es wäre auch denkbar, durch einen
Magneten einen zusätzlichen
magnetischen Fluss einzubringen, der ebenfalls in Umfangsrichtung
parallel zu dem mit dem Pfeil 4 bezeichneten ersten Fluss
verliefe. Dies würde
im wesentlichen einer Gleichstromvorbelastung der Wicklung 2 entsprechen
und die B(H)-Charakteristik
im wesentlichen parallel verschieben.
-
Verläuft der zweite magnetische
Fluss, wie durch die Pfeile 5, 6 als mögliche Varianten
angedeutet, im wesentlichen senkrecht zu dem ersten magnetischen
Fluss 4, so bleibt die B(H)-Schleife symetrisch, die effektive Permeabilität sinkt
aber begleitet von einer entsprechenden Vergrößerung der Gleichstrom-Vorbelastbarkeit
ab. Der zweite magnetische Fluss 5, 6 wird so
realisiert, dass er nicht den gesamten Magnetkern 1 homogen
durchsetzt. Dadurch ist eine Modifikation der Schleifenform der
B(H)-Schleife möglich,
ohne die Ummagnetisierungsverluste im Aussteuerungsbereich der Magnetanordnung
wesentlich zu erhöhen.
Dies ist dadurch zu erklären, dass
nicht im gesamten Volumen des Magnetkernes, das von dem ersten Fluss
durchsetzt ist, auch der zweite Fluss wirkt. Die Änderungen
der magnetischen Eigenschaften der Anordnung werden somit nur in
dem Volumenanteil erzielt, der von beiden Flüssen merklich durchsetzt ist,
wodurch die Erhöhung
der Anitrosopieenergie gering bleibt.
-
Die 2 und 3 zeigen verschiedene Anordnungen
von Magneten 7, 8, 9, 10, und
11 in Bezug auf den Magnetkern 1. Dabei können die
einzelnen Magneten 7 – 11 jeweils
durch Permanentmagneten, jedoch auch durch mit einer Wicklung versehene Elektromagneten
mit einem Konstantfeld realisiert sein. Die Flussrichtung innerhalb
der einzelnen Magneten 7 – 11 ist jeweils durch
entsprechende Pfeile 7a, 8a, 9a, 10a, 11a angegeben.
Die Magneten 7, 8 sind stirnseitig auf den Magnetkern 1 aufgebracht und
erzeugen einen zweiten magnetischen Fluss in Richtung des Pfeiles 6 gemäß 1. Der Magnet 9 erzeugt
einen radialen zweiten magnetischen Fluss in entgegengesetzter Richtung
des Pfeils 5 gemäß 1 in dem Magnetkern 1.
Dabei erzielt der Magnet 9 diese Wirkung im wesentlichen
durch seinen Streufluss, der den Magnetkern 1 durchsetzt.
Die Wirkung wird in diesem Fall nicht so stark sein wie in dem Fall,
dass der zweite magnetische Fluss im Inneren des Magneten direkt
aus diesem aus und in den Magnetkern 1 eintreten könnte.
-
Eine ähnliche Situation ergibt sich
bei dem Magneten 11, der in der 3 dargestellt ist, und der einen zweiten
magne tischen Fluss in Richtung des Pfeils 6 gemäß 1 durch seinen Streufluss
erzeugt. Bei dem Magneten 11 ist ebenfalls wie bei dem
Magneten 9 eine Abstandsschicht 12 bestehend beispielsweise
aus einem Kunststoff dargestellt, die die Wirkung des zweiten magnetischen
Flusses in dem Magnetkern 1 abschwächt.
-
Der Magnet 10 erzeugt in
dem Magnetkern 1 einen zweiten Fluss in Richtung des Pfeils 5 gemäß 1, der, wie gemäß den übrigen Ausführungsbeispielen,
senkrecht auf dem ersten magnetischen Fluss 4 steht.
-
Die einzelnen Magneten 7, 8, 9, 10, 11 können an
den Begrenzungsflächen 13, 14 des
Magnetkerns 1 beispielsweise festgeklebt oder allein durch magnetische
Kräfte
gehalten sein.
-
Ein typisches Anwendungsbeispiel
(Beispiel a) besteht in der Verringerung der differentiellen Permeabilität des Magnetkerns 1 oberhalb
einer bestimmten Aussteuerung B1. Dies wird
benötigt,
wenn der Magnetkern 1 (zumindest bis B1)
eine konstante Induktivität
(lineare F-Schleife) haben soll, jedoch bei hohen Aussteuerungen
(zum Beispiel B>B1) oder bei hoher Gleichstromvorbelastung,
die normalerweise zur Sättigung
führt,
immer noch eine kleinere sogenannte Restinduktivität wirken
soll.
-
Konkret wurde bei dem beschriebenen
Beispiel darauf abgezielt, für
einen Leistungsübertrager bis
zu einer Aussteuerung von B = 0,5 T eine konstante Permeabilität von μ = 20.000
zu realisieren, oberhalb dieser Aussteuerung aber bis hin zu hohen Feldstärken von
mindestens 5 Ampere pro Zentimetern eine merkliche Induktivität zu sichern.
Damit sollte ei ne Sättigung
des Kerns bei hohen Stromspitzen in der Wicklung oder bei unsymetrischen
Spannungen verhindert werden.
-
Erfindungsgemäß wurde ein Ringkern verwendet,
der als Ringbandkern aus einer nanokristallinen Legierung mit hochlinearer
F-Schleife (μi = 20.000) bestand. Es wurden zwei baugleiche
quaderförmige
Samarium-Kobalt-Magnete mit einem Volumen von je 0,3 cm3 stirnseitig
an beiden Seiten des Ringkernes befestigt, wie dies in 2 dargestellt ist. Im Bereich
bis 0,5 T wurden die Ummagnetisierungsverluste, wie sich herausstellte,
nicht erhöht,
im Bereich oberhalb von 0,5 T um etwa 50%. Die beschriebene Konstruktion
verwirklichte bis zu einer Aussteuerung von 0,5 T eine konstante
Permeabilität,
darüber
bis zu sehr hohen Feldstärken
eine merkliche Induktivität.
-
Die Messergebnisse sind im Vergleich
mit und ohne Permanentmagneten in der 4 dargestellt.
Dabei zeigt die Kurve 15 das Ergebnis ohne Dauermagneten,
die Kurve 16 das Ergebnis mit Dauermagneten.
-
In einem zweiten Fall (Beispiel b)
wurde für einen
Ringkern, der in einer Filterschaltung in der Telekommunikation
eingesetzt werden sollte, bis zu einer Gleichstrombelastung von
100 mA in der Wicklung 2 eine möglichst konstante Induktivität bei hoher Güte, aber
darüber
hinaus eine Restinduktivität
bei hohen Gleichströmen
bis 300 mA gefordert.
-
Dies wurde durch einen Aufbau realisiert,
wie er in der 3 auf
der rechten Seite dargestellt ist. Die Abstandsschicht 12 wurde
dabei jedoch weggelassen. Der Ringkern 1 bestand aus einer
hochlinearen niederpermeablen amorphen Legierung (μi = 720),
die Wicklung bestand aus 230 Drahtlagen und die Perma nentmagneten
waren Nd-Fe-B-Magneten mit einem Volumen von ca. 2 mm3.
Die hohe Güte des
Ringkerns wurde durch die Dauermagneten nicht wesentlich herabgesetzt.
Das Messergebnis, L, aufgetragen gegen Idc,
ist in der 5 dargestellt
und zwar für
drei Varianten, wobei die Kurve 17 der Version ohne Dauermagneten
entspricht, die Version 18 der Anwesenheit eines Dauermagneten,
wie in 3 rechts dargestellt,
wobei ein Abstandskörper 12 von 2
mm Dicke vorgesehen ist, die Kurve 19 einer Variante ähnlich der
entsprechend Kurve 18 wobei jedoch der Abstand zwischen
dem Dauermagneten 11 und dem Ringkern 1 0,5 mm
beträgt.
-
In einem weiteren Anwendungsbeispiel
(Beispiel c) soll der im Beispiel a genannte Magnetkern (Ringkern)
bis zur Sättigung
ohne Konstantfeld betrieben werden, um die Ummagnetisierungsverluste zu
minimieren. Der Dauermagnet befindet sich in einer bestimmten Entfernung
(zum Beispiel 20 mm) vom Kern. Erst bei Überschreiten einer kritischen Stromstärke Ik
rit mit der damit
verbundenen Gefahr der Sättigung
wird der Dauermagnet mittels eines Arms an den Kern herangeführt, womit
sich die Magnetcharakteristik in der in 4 gezeigten Weise ändert und die Gefahr der Sättigung
abgewendet wird. Das Heranfahren kann beispielsweise durch einen elektromechanischen
Schalter ausgelöst
werden, der durch den Magnetisierungsstrom des Magnetkerns selber
bei Überschreiten
von Ikrit ausgelöst wird. Bei der Konstruktion
ist zu beachten, dass der Dauermagnet am Magnetkern haftet und eine
entsprechende Rückstellkraft
erforderlich ist.
-
Die vorliegende Erfindung sieht also
vor, dass
- – die
wesentliche Komponente im Sinne des Nutzsignals der Magnetkern mit
seiner Bewicklung ist und das Konstantfeld nur zur Modifizierung
der Magnetcharakteristik des Magnetkerns, nicht aber zur Einkopplung
eines zusätzlichen
Signals dient;
- – eine
etwaige zeitliche Änderung
des Konstantfeldes kein nutzbares Signal in den Magnetkreis induziert;
- – durch
das Konstantfeld im Kern keine wesentliche Feldkomponente (abgesehen
von Streufeldern etc.) parallel oder antiparallel zur Magnetisierungsrichtung
durch das Nutzsignal erzeugt wird, dass das Konstantfeld also nicht
zur Vorspannung des Kerns in Richtung oder entgegengesetzt zu einer
Gleichstromvormagnetisierung eingesetzt wird; und
- – die
Funktion des Konstantfeldes nicht nur die partielle Sättigung
des Magnetkerns verbunden mit einer wesentlichen Reduzierung der
Anfangspermeabilität
ist.
-
Die erfindungsgemäße Anordnung lässt somit
durch entsprechende Ausgestaltung, Größe und Positionierung der Magneten
bezüglich
des Magnetkerns in weiten Grenzen eine zielgerichtete Einstellung
der magnetischen Eigenschaften der Magnetanordnung zu.