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Induktionsspule in Kleinbauweise Die Erfindun; betrifft eine Induktionsspule
in Kleinbauweise mit einem zvlindrischen flachen ferromagnetischen Topfkern und
mit einer in dem Kern angeordneten Spule aus einer in einer Ebene spiralig angeordneten
Lage, wobei der Topfkern den Außenumfang und die Stirnfläche der Spule umgibt.
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Im Zuge der Verkleinerung elektronischer Bauelemente wurden zahlreiche
Induktionsspulen in Form flacher Wicklungen hergestellt. Bisher war es schwierig,
Spulen in dieser Form zu bauen. die sowolil zufriedenstellende Eigenschaften haben
als auch sich leicht herstellen lassen.
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Bei den bekannten Induktionsspulen in Kleinbauweise sind zwei Typen
zu unterscheiden: a) solche mit einem kleinen ma`=netischen Ringker n. der an einer
Grundplatte befestigt ist, und b1 solche. bei denen die Scheibenwicklung von einem
Topfkern überdeckt ist. wobei der Magnetfluß einseitig offen austreten kann.
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Bei der Ausführungsform a) ergibt sich ein un-,-ünstiL,er Raumausnutzungsfaktor.
Die Ausführungsform b) hat einen großen Streufluß, der durch die Streuung der magnetischen
Felder hervorgerufen wird, welche leicht eine Kopplung mit benachbarten Bauelementen
ergeben.
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Aufgabe der Erfindung ist eine Verringerung des magnetischen Streuflusses
bei einer Induktionsspule mit Topfkern unter Beibehaltung eines einfachen Aufbaus
der Spule.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Kern
auch die andere Stirnfläche der Spule umgibt und somit als Schalenkern die Spule
allseitig umschließt und daß die Querschnittsfläche in der Achse des Kernes durch
ein Rechteck gebildet wird, dessen in Achsrichtung verläufende Seite weniger als
ein Viertel der Länge der dazu senkrechten Seite hat.
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Die Erfindung schlägt somit eine Induktionsspule mit einem Schalenkern
zur Vermeidung eines Streuflusses vor. Dabei bleibt die einfache Herstellung der
Spule erhalten. Die Größe des Luftspaltes kann in dem erforderlichen Umfang jeweils
eingestellt werden.
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Die Erfindung soll an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
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F i g. 1 a und 1 b zeigen die bekannten Topfkernspulen im Schnitt
und im Grundriß; die F i g. 2 a und 2 b stellen eine Ausführungsform der Induktionsspule
gemäß der Erfindung im Schnitt und Grundriß dar: die F i g. 3 a und 3 b zeigen Grundriß
und Schnitt einer Spulenkonstruktion, die bei der Spule nach der Erfindung verwendet
wird: in F i ;. 4a und 4b ist eine andere Spulenkonstruktion dargestellt, die bei
der Spule nach der Erfindung verwendet wird: F i g. 5 zeigt Kennlinien von einer
Ausführungsform der Induktionsspule nach der Erfindung.
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Die in F i g. 1 a und I b dargestellte bekannte Ausführungsform eines
Magnetkernes hat einen Luftspalt 2 im magnetischen Fluß bei dem mittleren zylindrischen
Kernteil 1, um die gewünschte effektive Permeabilität zu erzielen. In F i g. 2a
und 2b ist eine Spule mit einem flachen Topfkern gemäß der Erfindung dargestellt,
welche eine Wicklung aufweist. die eine viel geringere Höhe hat als die von F i
g. 1 a. Deshalb ist der zentrale zylindrische Kernteil 1 bei einem Maanetkern 3
nach F i g. 2 a und 2 b nicht mehr erforderlich. und die gewünschte effektive Permeabilität
wird einfach durch geeignete Wahl der Länge des magnetischen Spaltes 4 eingestellt.
Es wurde gefunden. daß dieser Luftspalt im allgemeinen so eng ist. daß die Wicklung
5 in einer einzigen Lage in radialer Richtung angeordnet ist.
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Die Wicklung 5 kann in einfacher Weise konstruiert sein, entweder
als ein fest aufeinandergewickelter isolierter Draht 6. wie dies in F i g. 3 dargestellt
ist, oder als aufgedruckter oder aufgedampfter Leiter B. wie dies F i g. 4 zeigt.
Wenn der erste Aufbau gewählt wird, wird ein einzelner Draht 6 in einer einzigen
Lage spiralförmig mit ansteigendem Durchmesser aufgewickelt und kann durch ein geeignetes
Klebemittel festgelegt werden. oder es kann ein Draht mit einem erweichenden oder
schmelzbaren Isolierstoff
verwendet werden, der aufgewickelt wird
und der seine mechanische Festigkeit durch eine Wärmebehandlung erhält. Die andere
Aufbauart ist in F i g. 4 dargestellt. Der Leiter 8 wurde durch ein Druckverfahren
oder einen Aufdampfprozeß auf die Grundplatte 7 aufgebracht. Eine solche Ausführungsform
hat einen großen Q-Faktor bei hohen Frequenzen und kann leicht in großen Mengen
hergestellt werden.
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Die Induktanz der Spule mit einem flachen magnetischen Topfkern gemäß
der Erfindung kann leicht nach folgender Gleichung berechnet werden (wobei angenommen
wird, daß die Permeabilität des Kernmaterials genügend groß ist):
worin L Induktivität (Henry), N Anzahl der Spulenwindungen, i Länge
des Luftspaltes im magnetischen Fluß (cm), r, innerer Radius der Wicklung (cm),
r2 äußerer Radius der Wicklung oder innerer Radius des Magnetkernes (cm) ist.
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Es soll noch erwähnt werden, daß die obige Gleichung nicht für Magnetkerne
nach F i g. 1 gilt.
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Der Leiter-Verlustwiderstand des Leiters einer Wicklung mit kreisförmigem
Querschnitt kann nach folgender Gleichung berechnet werden: R" = Rd, (1
+ Kf2) . . . ..... (Ohm) worin
und R," Leiter-Verlustwiderstand der Wicklung (Ohm), Rd, Gleichstromwiderstand der
Wicklung (Ohm), K Proportionalitätskonstatite, f Frequenz (Hz), d Durchmesser der
Wicklung (cm), q spezifischer Widerstand des Leiters (Ohm - cm), Kc" Raumausnutzungsfaktor
des Kupfers im Wickelraum ist.
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Der Verlustfaktor der Spule beträgt, wenn man annimmt, daß er nur
von den Leitungsverlusten abhängt:
Der Verlustfaktor hat also ein Minimum, wenn die Frequenz
- beträgt und ist gegeben durch
F i g. 5 zeigt die Q-Frequenz-Kennlinie einer Spule mit einem isolierten Kupferdraht
von 0,1 mm Durchmesser, der fest zu einer einzigen Lage aufgewickelt und in einem
flachen Topfkern untergebracht ist, welcher 17 mm Außendurchmesser, 14 mm Innendurchmesser,
4 mm Höhe und 0,21 mm innere Höhe (Luftspalt) hat. Die Permeabilität des magnetischen
Materials betrug ungefähr 2000. Die Induktanz wurde mit 230 -.H gemessen, im Vergleich
zu dem berechneten Wert von 260 [.H. Die Kurve a von F i g. 5 stellt die gemessenen
Q-Werte dar und die Kurve b die berechneten Q-Werte. Obwohl die Permeabilität des
magnetischen Materials etwa 2000 betrug, wurde Q unter der Annahme berechnet, daß
die Permeabilität groß genug ist, so daß sie einen vernachlässigbaren Einfluß in
der Gleichung hat. Aus der Übereinstimmung der beiden Kurven kann entnommen werden,
daß die Formel zur Berechnung des Q-Wertes genügend genau ist, insbesondere bei
niedrigen Frequenzen.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Länge des Luftspaltes
1 kleiner als die Hälfte des inneren Radius (wie er durch r2 in F i g. 2a ausgedrückt
ist). Für ein 1, das diesen Wert übersteigt, ist eine Topfkernspule mit Mittelkern
nach F i g. 1 vorteilhafter. Das Verhältnis 1 zu i2 ist bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel