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Aus Stanzteilen mit magnetischer Vorzugsrichtung geschichteter Magnetkern
Bei dem Aufbau von geschichteten Magnetkernen aus Werkstoffen mit magnetischer Vorzugsrichtung
ist man bestrebt, Stanzteilformen zu verwenden, die sicherstellen, daß der während
des Betriebes im Magnetkern erzeugte magnetische Fluß auf einem möglichst großen
Teil seines Weges in Richtung einer magnetischen Vorzugsrichtung verläuft. Diese
Bedingung wird z. B. bei Kernen aus magnetisierbarem Werkstoff mit einer magnetischen
Vorzugsrichtung in der Blechebene dann erfüllt, wenn der Kern aus streifenförmigen
Stanzteilen aufgebaut ist, deren Längsrichtung mit der magnetischen Vorzugsrichtung
zusammenfällt. Magnetkerne, die aus solchen streifenförmigen Stanzteilen aufgebaut
sind, bieten wohl dem magnetischen Fluß einen bequemen Weg, jedoch ist ihre mechanische
Festigkeit in vielen Fällen nicht ausreichend, da sich die einzelnen Streifen sowohl
beim Aufbau des Magnetkerns als auch nachher leicht verschieben können.
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Einen besseren mechanischen Zusammenhalt haben bekannte Magnetkerne,
die aus U- und I- oder aus E-und I-förmigen Stanzteilen aufgebaut sind. Dabei sind
die Stanzteile häufig so aus den Magnetblechen gestanzt, daß die Längsrichtung der
I-Teile bzw. die Längsrichtung der Schenkel der U- oder E-Stanzteile in der magnetischen
Vorzugsrichtung liegen.
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Wenn im folgenden der kürzeren Ausdrucksweise wegen davon gesprochen
wird, daß die Schenkel oder die Joche in der magnetischen Vorzugsrichtung liegen,
so ist damit immer gemeint, daß die Längsrichtung der Schenkel oder die Längsrichtung
der Joche parallel zur magnetischen Vorzugsrichtung verläuft.
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Noch günstiger sind in mechanischer Beziehung ebenfalls bekannte Magnetkerne
aus wechselweise überlappt geschichteten U- oder E-Teilen, deren Basis gegenüber
den Schenkeln mindestens verdoppelt ist. Vorteilhaft sind in mechanischer Beziehung
auch bekannte Magnetkerne, deren einzelne Lagen aus zwei U-förmigen oder zwei E-förmigen
Stanzteilen aufgebaut sind. Dabei ist es günstig, wenn ein U-Teil mit kurzen Schenkeln
mit einem U-Teil mit langen Schenkeln oder ein E-Teil mit kurzen Schenkeln mit einem
E-Teil mit langen Schenkeln eine Stanzteillage bilden. Auch bei diesen Stanzteilen
ist es üblich, bei Verwendung von magnetisierbarem Werkstoff mit einer magnetischen
Vorzugsrichtung diese in Richtung der Schenkel zu legen, so daß die Joche quer zur
magnetischen Vorzugsrichtung verlaufen.
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Der Vorteil des besseren mechanischen Zusammenhaltes solcher aus UU-
bzw. EE-Stanzteilen aufgebauten Kerne wird mit einer unerwünschten Erhöhung des
magnetischen Widerstandes erkauft, da sowohl beim UU-Kern als auch beim EE-Keni
beide Joche quer zur magnetischen Vorzugsrichtung verlaufen, d. h. in Richtung schwerer
Magnetisierbarkeit.
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Zur Verbesserung der magnetischen Eigenschaften von Kernen wurde auch
schon vorgeschlagen, den Magnetkern aus wechselseitig geschichteten und mit verbreiterten
Jochen versehenen E-Teilen aufzubauen, wobei die Jochteile noch zusätzlich durch
I-förmige Blechstreifen, deren magnetische Vorzugsrichtung in ihrer Längsrichtung
verläuft, verbreitert sind. Bei derartig aufgebauten Kernen können sich die lose
eingelegten I-Teile leicht verschieben, so daß sich der magnetische Widerstand des
Kernes und damit auch der magnetische Fluß in unvorhersehbarer Weise ändern kann.
Außerdem ist der Füllfaktor der Jochteile gering, weil nur jede zweite Blechlage
mit einem Jochteil versehen ist, so daß sich für den Kern ein verhältnismäßig großer
Raumbedarf ergibt.
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Bei einem weiteren bekannten Magnetkern werden ebenfalls wechselseitig
geschichtete und mit verbreiterten Jochen versehene E-Teile benutzt, wobei jedoch
jeweils zwischen zwei E-Teilen ein rahmenförmiger Stanzteil eingeordnet wird.
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Auf diese Weise zeigt der Mittelschenkel des fertig geschichteten
Kernes gegenüber den anderen Schenkeln nur die halbe Zahl der Blechlagen, d. h.,
der Mittelschenkel weist nur einen Füllfaktor von 50% auf.
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Durch die Erfindung wird nun ein Weg gezeigt, um unter Beibehaltung
eines guten Füllfaktors und der für die mechanische Festigkeit günstigen Stanzteilformen
Magnetkerne zu schaffen, bei denen der nachteilige Einfluß der quer zur magnetischen
Vorzugsrichtung laufenden Stanzteilbereiche herabgesetzt wird und deren magnetische
Eigenschaften verbessert sind.
Die Erfindung bezieht sich auf einen
aus aufeinanderliegenden Lagen von Stanzteilen aus magnetisierbarem Werkstoff geschichteten
Magnetkern, bei dem jede Lage aus einem vollständigen magnetischen Kreis besteht,
der aus einem oder zwei Stanzteilen, bei letzterem unter Einschluß der notwendigen
Stoßfugen, gebildet wird, wobei die einzelnen Stanzteile außerhalb etwa vorhandener
Kernecken in Richtung des magnetischen Flusses, der während des Betriebes des Magnetkernes
in diesem erzeugt wird, mindestens zwei hintereinanderliegende Bereiche verschiedener
Magnetisierbarkeit aufweisen und jede Stanzteillage des Kernes aus der gleichen
Zahl von Schenkeln und Jochen wie die der benachbarten Lagen besteht, derart, daß
im fertig geschichteten Kern jeder Schenkel und jedes Joch die gleiche Anzahl von
Blechlagen besitzt. Die Erfindung besteht darin, daß bei derartigen Kernen außerhalb
etwa vorhandener Kernecken den in einer Blechlage liegenden Bereichen mit schwererer
Magnetisierbarkeit Bereiche mit leichterer Magnetisierbarkeit angrenzender Blechlagen
benachbart sind.
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Unter einem Bereich schwererer Magnetisierbarkeit wird im Sinn der
Erfindung ein solcher verstanden, in dem die magnetische Vorzugsrichtung im wesentlichen
senkrecht zum-magnetischen Fluß verläuft.
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Ferner wird unter einem praktisch ganz von magnetisierbarem Werkstoff
ausgefüllten Kernquerschnitt verstanden, daß der Kernquerschnitt von dicht aufeinandergeschichteten
Stanzteilen ausgefüllt ist und nur die unvermeidlichen geringfügigen Luftspalte
oder Isolierschichten zwischen den einzelnen Lagen vorhanden sind. Eine solche Schichtung
liegt z. B. bei den Schenkeln von Kernen aus überlappt geschichteten U-Teilen vor.
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Gemäß der Erfindung wird beispielsweise bei einem Magnetkern, bei
dem jede Lage in an sich bekannter Weise aus einem U-Stanzteil mit kurzen Schenkeln
und einem U-Stanzteil mit langen Schenkeln aufgebaut ist, der U-Stanzteil mit den
langen Schenkeln in der bisher üblichen Art verwendet, d. h. mit den Schenkeln in
der magnetischen Vorzugsrichtung, dagegen der U-Stanzteil mit den kurzen Schenkeln
so, daß die magnetische Vorzugsrichtung quer zur Längsrichtung der Schenkel verläuft.
Die Schichtung der Stanzteile wird so vorgenommen, daß immer ein U-Stanzteil mit
kurzen Schenkeln auf einen U-Stanzteil mit langen Schenkeln folgt, und umgekehrt.
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In ähnlicher Art wird gemäß der Erfindung auch ein Magnetkern aufgebaut,
bei dem jede einzelne Lage aus einem E-Stanzteil mit kurzen Schenkeln und einem
E-Stanzteil mit langen Schenkeln besteht. Bei den E-Stanzteilen mit den langen Schenkeln
liegen die Schenkel wieder, wie bisher üblich, in der magnetischen Vorzugsrichtung,
während die E-Stanzteile mit den kurzen Schenkeln so ausgestanzt werden, daß die
magnetische Vorzugsrichtung quer zur Längsrichtung der Schenkel liegt. Bei der Schichtung
wechseln wieder von Lage zu Lage E-Teile mit kurzen Schenkeln mit E-Teilen mit langen
Schenkeln ab.
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Ein Kern gemäß der Erfindung kann auch unter Verwendung von bekannten
U- oder E-Stanzteilen mit ungleich langen Schenkeln des einzelnen Stanzteiles aufgebaut
werden.
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Die erfindungsgemäßen Magnetkerne weisen gegenüber den bekannten-
Kernen, bei denen sowohl die kurzen als auch die langen Schenkel der U- oder E-Stanzteile
in Richtung der magnetischen Vorzugsrichtung liegen, eine Verbesserung der magnetischen
Eigenschaften, z. B. eine erhebliche Erhöhung der Permeabilität auf, ohne daß das
Gewicht, die Form oder die Abmessungen der Kerne geändert worden sind. Die Verbesserung
der magnetischen Eigenschaften ist lediglich dadurch begründet, daß bei der Schichtung
Bereiche schwererer Magnetisierbarkeit in der einen Lage durch Bereiche leichterer
Magnetisierbarkeit der benachbarten Lage überbrückt werden.
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Auch bei Kernen, die in bekannter Weise aus zwei stumpf zusammenstoßenden
L-Stanzteilen geschichtet werden, tritt eine Verbesserung der magnetischen Eigenschaften
ein, wenn der Aufbau gemäß der Erfindung erfolgt, indem von Lage zu Lage wechselnd
die Schenkel der L-Stanzteile in der magnetischen Vorzugsrichtung und quer zur magnetischen
Vorzugsrichtung liegen. Die Stoßfugen können hierbei in bekannter Weise von Lage
zu Lage gegeneinander versetzt sein.
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Weiterhin können durch die erfindungsgemäße Anordnung die magnetischen
Eigenschaften von Kernen verbessert werden, die in bekannter Weise aus rahmenförmigen
Stanzteilen mit in Schenkelrichtung liegender magnetischer Vorzugsrichtung aufgebaut
sind. Dieses kann in einfacher Weise dadurch geschehen, daß einheitlich aus einem
Werkstoff mit magnetischer Vorzugsrichtung ausgestanzte quadratische Rahmen so geschichtet
werden, daß jeder Rahmen gegenüber dem vorhergehenden um 90° in der Blechebene verdreht
zu liegen kommt. Man kann aber auch allgemein bei rechteckigen Rahmen die Stanzteile
teilweise so stanzen, daß die magnetische Vorzugsrichtung in Richtung der Schenkel
liegt, und teilweise derart, daß die Joche in Richtung der magnetischen Vorzugsrichtung
liegen, und dann abwechselnd die verschieden gestanzten Teile. aufeinanderschichten.
Die aus rahmenförmigen Stanzteilen durch den erfindungsgemäßen Aufbau hergestellten
Magnetkerne zeigen gegenüber den bisher üblichen Magnetkernen, bei denen alle Schenkel
in der magnetischen Vorzugsrichtung liegen, eine erhebliche Verbesserung der magnetischen
Eigenschaften.
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Ferner können auch Kerne aus mantelförmigen Stanzteilen, bei denen
der Mittelschenkel fest mit beiden Jochen verbunden ist oder zungenartig von dem
einen Joch durch einen Luftspalt getrennt ist, in ihren magnetischen Eigenschaften
verbessert werden, und zwar dann, wenn mantelförmige Stanzteile verwendet werden,
die so aus dem Magnetblech gestanzt sind, daß bei der halben Anzahl der Stanzteile
die magnetische Vorzugsrichtung in Richtung der Schenkel und bei der anderen Hälfte
in Richtung der Joche liegt. Die beiden Arten von in bezog auf die magnetische Vorzugsrichtung
verschieden ausgestanzten Stanzteilen werden abwechselnd zum Kern geschichtet.
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Auch kreisförmige Stanzteile aus Werkstoffen mit magnetischer Vorzugsrichtung
können gemäß der Erfindung zum Aufbau von geschichteten Magnetkernen dienen, wenn
die einzelnen Stanzteile so geschichtet werden, daß sich von Lage zu Lage die Bereiche
leichterer Magnetisierbarkeit mit denen schwererer Magnetisierbarkeit abwechseln.
Dabei können die Stanzteile sowohl aus Werkstoffen mit nur einer magnetischen Vorzugsrichtung
als auch aus Werkstoffen mit zwei magnetischen Vorzugsrichtungen, z. B: der sogenannten
Würfeltextur, bestehen.
Die Verbesserung der magnetischen Eigenschaften
tritt z. B. ein, wenn bei kreisringförmigen Stanzteilen mit nur einer magnetischen
Vorzugsrichtung und einer dazu senkrechten Richtung schwerer Magnetisierbarkeit
die Vorzugsrichtung, in der Blechebene gesehen, von Lage zu Lage um 90° versetzt
ist oder bei kreisförmigen Stanzteilen mit zwei in der Blechebene zueinander senkrechten
magnetischen Vorzugsrichtungen und einer Richtung schwerer MagnetLsierbarkeit unter
45° zu den Vorzugsrichtungen die Vorzugsrichtungen von Lage zu Lage um 45° gegeneinander
versetzt sind.
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In den Ab, b. 1 bis 17 ist jeweils eine Lage eines aus Stanzteilen
geschichteten Kernes dargestellt. Die magnetische Vorzugsrichtung ist durch einen
Doppelpfeil gekennzeichnet. Die einzelnen Lagen sind wiedergegeben in A b b. 1 für
einen bekannten, aus streifenförmigen Stanzteilen geschichteten Kern, bei dem die
einzelnen Streifen in der magnetischen Vorzugsrichtung liegen, A b b. 2 für einen
bekannten, aus U- und I-Teilen aufgebauten Kern. Der I-Teil liegt in der magnetischen
Vorzugsrichtung. Beim U-Teil liegen die Schenkel in der magnetischen Vorzugsrichtung,
während der magnetische Fluß im Jochteil quer zur magnetischen Vorzugsrichtung verläuft,
A b b. 3 für einen bekannten Kern aus E- und I-Teilen, A b b. 4 für einen bekannten
Kern, bei dem jede Lage aus einem U-Teil mit kurzen Schenkeln und einem U-Teil mit
langen Schenkeln besteht, A b b. 5 für einen bekannten Kern, bei dem jede Lage einen
E-Teil mit kurzen Schenkeln und einen E-Teil mit langen Schenkeln aufweist.
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Je zwei Nachbarlagen sind wiedergegeben in A b b. 6 und 7 für einen
erfindungsgemäßen Kern, bei dem jede Lage aus zwei U-Teilen aufgebaut ist und bei
dem in dem U-Teil mit den kurzen Schenkeln die Schenkel quer zur magnetischen Vorzugsrichtung
liegen. Die Luftspalte der einen Lage sind gegen diejenigen der folgenden Lage versetzt,
A b b. 8 und 9 für einen erfindungsgemäßen Kern, bei dem jede Lage aus zwei E-Teilen
aufgebaut ist und bei dem in dem E-Teil mit den kurzen Schenkeln die Schenkel quer
zur magnetischen Vorzugsrichtung liegen. Die Luftspalte der einen Lage sind gegen
diejenigen der folgenden Lage versetzt, A b b. 10 und 11 für einen erfindungsgemäßen
Kern, der aus gleichen, an ihren Enden stumpf aneinanderstoßenden L-Teilen aufgebaut
ist. In A b b. 10 liegen die Schenkel der L-Teile in der magnetischen Vorzugsrichtung,
bei A b b. 11 quer zur magnetischen Vorzugsrichtung, A b b. 12 und, 13 für einen
erfindungsgemäßen Kern aus rahmenförmigen Stanzteilen. Bei A b b. 12 liegen die
Schenkel, bei A b b. 13 die Joche in der magnetischen Vorzugsrichtung. Im Sinn der
Erfindung sind zwei einander gegenüberliegende Seiten des rahmenförmigen Stanzteiles,
die auch üblicherweise die Wicklungen tragen, als Schenkel und die dazwischenliegenden
Seiten des Rahmens, die die oberen und unteren Enden der Schenkel verbinden, als
Joche anzusehen, A b b. 14 und 15 für einen erfindungsgemäßen Kern aus mantelförmigen
Stanzteilen mit einem Luftspalt zwischen einem Joch und dem Mittelschenkel. Bei
A b b. 14 liegen die Schenkel, bei A b b. 15 die Joche in der magnetischen Vorzugsrichtung.
Bei der Schichtung wird der Luftspalt der einen Lage in an sich bekannter Weise
gegenüber demjen gen der anderen Lage versetzt, A b b. 16 und 17 für einen erfindungsgemäßen
Kern mit kreisringförmigen Stanzteilen. Die magnetische Vorzugsrichtung wechselt
von Lage zu Lage, und zwar ist sie gegen die Nachbarlage, in der Blechebene gesehen,
um einen Winkel von 90° versetzt. Bei diesen ringförmigen Stanzteilen werden die
sich diametral gegenüberliegenden Viertelkreise als Schenkelteile und die dazwischenliegenden
Viertelkreise des ringförmigen Stanzteiles als Jochteile bezeichnet; A b b. 18 ist
die Abwicklung von zwei aufeinanderfolgenden und versetzt gegeneinander geschichteten
Blechlagen gemäß A b b. 4. Die schraffierten Flächen stellen die Bereiche schwererer
Magnetisierbarkeit dar. Die Bereiche schwererer Magnetisierbarkeit in den einzelnen
Blechlagen liegen übereinander. Der Magnetfluß hat daher keinen Anreiz, aus der
einen Blechlage in die Nachbarlage auszuweichen; A b b. 19 gibt die Abwicklung von
aufeinanderliegenden Blechlagen gemäß A b b. 6 und 7 wieder. Den Bereichen schwererer
Magnetisierbarkeit der einen Lage steht jeweils ein Bereich leichterer Magnetisierbarkeit
in der Nachbarlage gegenüber. Der Magnetfluß einer Lage kann daher Stellen schwererer
Magnetisierbarkeit dieser Lage dadurch umgehen, daß er in die Bereiche leichterer
Magnetisierbarkeit der Nachbarlage ausweicht; A b b. 20 zeigt Meßwerte der Gleichfeldpermeabilität
von Stanzteilen aus Silizium-Eisen-Blechen mit einer magnetischen Vorzugsrichtung
(Gosstextur) in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke. Es zeigt im einzelnen:
Kurve a den Verlauf der Permeabilität eines aus rahmenförmigen Stanzteilen mit gleich
langen Seiten geschichteten Magnetkernes, bei dem gemäß der Erfindung sowohl die
Schenkel als die Joche der Stanzteile von Lage zu Lage wechselnd in der magnetischen
Vorzugsrichtung und quer zur magnetischen Vorzugsrichtung lagen; Kurve b den Verlauf
der Permeabilität eines ebenfalls aus rahmenförmigen Stanzteilen mit gleich langen
Seiten geschichteten Magnetkernes, bei dem jedoch alle Schenkel in der magnetischen
Vorzugsrichtung und alle Joche quer zur magnetischen Vorzugsrichtung lagen; Kurve
c den Verlauf der Permeabilität eines aus mantelförmigen Stanzteilen (Normschnitten
M 42) geschichteten Magnetkernes, bei dem die Schenkel von Lage zu Lage wechselnd
in der magnetischen Vorzugsrichtung und quer zur magnetischen Vorzugsrichtung lagen;
die mantelförmigen Stanzteile weisen einen 1 mm breiten Luftspalt zwischen Mittelschenkel
und Joch auf, der von Lage zu Lage versetzt war; Kurve d den Verlauf der Permeabilität
eines geometrisch gleichen Magnetkernes wie bei Kurve c, bei dem aber die Schenkel
aller Lagen in Richtung der magnetischen Vorzugsrichtung angeordnet waren.
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Die Kurven zeigen, daß im Gebiet kleiner Aussteuerung die Permeabilitätswerte
für einen Rahmenkern, der entsprechend der Erfindung aufgebaut ist (Kurve a), erheblich
höher sind- als die Permeabilitätswerte eines Rahmenkernes, bei dem alle Schenkel
in
der magnetischen Vorzugsrichtung liegen (Kurve b). Auch die'
an einem aus mantelförmigen genormten Stanzteilen M 42 gemäß der Erfindung, aufgebauten
Kern gemessenen Permeabilitätswerte (Kurve c) liegen in einem weiten Bereich über
denjenigen eines geometrisch gleichen Magnetkernes, bei dem aber alle Stanzteilschenkel
in der Vorzugsrichtung liegen (Kurve d).
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Dieses Ergebnis war nicht vorauszusehen; denn bei dem- der Kurve d
zugrunde gelegten Kern verläuft der magnetische Fluß auf 70°/o seines Weges in der
für ihn günstigen magnetischen Vorzugsrichtung, dagegen bei dem erfindungsgemäßen,
der Kurve c zugrunde gelegten Kern nur auf 50°/o seines Weges in der Vorzugsrichtung.
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Es war also zu erwarten, daß der erfindungsgemäße Kern durch den kleineren
Weganteil in der günstigen Vorzugsrichtung schlechtere magnetische Werte aufweisen
müßte, als sie der der Kurve d zugrunde gelegte Kern besitzt. überraschenderweise
hat sich jedoch das Gegenteil, nämlich die überlegenheit des erfindungsgemäßen Kernes
ergeben, dessen Permeabilität entsprechend der Kurve c in einem weiten Bereich über
den Werten der Kurve d liegt. Erst bei einer Aussteuerung mit einem Magnetfeld von
450 mOe schneiden sich die Kurven c und d.
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Das allmähliche Zusammenlaufen der Kurven c und d bis zu dem erwähnten
Schnittpunkt hat seinen Grund darin, daß die Permeabilität der Bereiche der Stanzteile,
die parallel zur magnetischen Vorzugsrichtung liegen, früher ihr Maximum erreicht
als die Permeabilität derjenigen Bereiche der Stanzteile, die quer zur magnetischen
Vorzugsrichtung angeordnet sind. Die graphische Darstellung zeigt, daß bei steigender
Magnetisierungsfeldstärke die Kurve d noch über die Werte der Kurve c ansteigt.
Bei weiterer Erhöhung der Feldstärke laufen die Kurven c und d aber wieder zusammen,
weil ja die Sättigungsmagnetisierung in beiden Kernen gleich groß ist.
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Wie Untersuchungen an erfindungsgemäßen Magnetkernen ergeben haben,
wird bei diesen im Bereich kleiner magnetischer Aussteuerung nicht nur die Permeabilität
erhöht, sondern auch die Koerzitivkraft verkleinert und die Wechselstromverluste
herabgesetzt.
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Bei dem Aufbau von Magnetkernen nach der Erfindung ist es zweckmäßig,
darauf zu achten, daß beim Schichten der Kerne die Luftspalte in den einzelnen Lagen
so angeordnet werden, daß sie nach Möglichkeit nicht einem Bereich schwererer Magnetisierbarkeit
der Nachbarlage oder einem Lufspalt der Nachbarlage gegenüber liegen.
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Der erfindungsgemäße Aufbau von Magnetkernen ist nicht auf die in
der Beschreibung angegebenen Beispiele beschränkt, sondern kann überall dort angewendet
werden, wo bei der Schichtung von Stanzteilen Bereiche schwererer Magnetisierbarkeit
der einen Lage durch Bereiche leichterer Magnetisierbarkeit der Nachbarlage überbrückt
werden können.