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Geschichteter oder gewickelter Magnetkern
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Die Erfindung betrifft einen geschichteten oder gewickelten Magnetkern
aus weichmagnetischen Werkstoffen mit wenigstens einem durchgehenden Luftspalt und
durch Einbringen eines ferromagnetischen Justierstückes in den Luftspalt einstellbarer
Induktivität.
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Bei Magnetkernen, beispielsweise für Spulen und Ubertrager, die aus
einem mit einem durchgehenden Luftspalt versehenen, geschichteten oder gewickelten
Blech- oder Folien-Paket bestehen, bereitet der Abgleich der Induktivität erhebliche
Schwierigkeiten. Dies gilt insbesondere für solche Kerne, bei denen enge Toleranzen
für die Induktivität, speziell für den Induktivitätsfaktor, den sogenannten A-Wert,
vorgeschrieben sind.
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Bisher wurde bei lose geschichteten Blechpaketen der Abgleich der
Induktivität meist durch Herausnehmen bzw. durch Einfügen einzelner Kernbleche vorgenommen.
Ein solcher Abgleich ist jedoch nur wenig präzise und außerdem am fertigen Kern
nicht mehr möglich (DT-AS 1 088 626). Ferner ist ein aus ebenen Blechen geschichteter,
dreischenkliger Lamellenkern bekannt, dessen Induktivität dadurch einstellbar ist,
daß der Luftspalt durch Relativverschiebung von Teilen des Kernes gegeneinander
verändert wird Der Kern ist dabei zweiteilig ausgebildet, wobei jedes Teil in Form
eines Stapels von E-Lamellenblechen mit drei gleichlangen Schenkeln ausgeführt ist
und zwischen diesen beiden Teilen Gummikissen vorgesehen sind.
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Durch Verstellung von Schraubbolzen, welche die beiden Teile näher
aneinanderdrücken, kann die Abmessung des Luftspaltes verringert werden (GB-PS 878
012).
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Weiterhin ist der Vorschlag bekanntgeworden, bei einem aus ebenen
Blechen geschichteten dreischenkligen Lamellenkern zur Veränderung des in einem
Schenkel vorgesehenen Luftspaltes die Lamellenbleche in zwei Gruppen zu unterteilen,
die mittels Einstellwerkzeugen gegeneinander verschoben werden können, die in entsprechend
ausgebildete Öffnungen in den Lamellenblechen einsetzbar sind (D?-AS 1 489 840).
Diese Möglichkeit eignet sich'jedoch nur für Pakete mit gegeneinander verschiebbaren
Blechen. Bei einem weiteren bekannten Blechkernpaket ist zum Einbringen in den Luftspalt
ein Justierstück vorgesehen, das ganz oder teilweise aus ferromagnetischen Werkstoff
besteht, sieb-, gefleht- oder kammartig ausgebildet ist und dessen Maschen bzw.
Hohlräume mit einem ferromagnetischen Material abweichender Permeabilität gefüllt
sind (D1-AS 1 088 626).
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Ein solches Justierstück ist jedoch in seinem Aufbau sehr aufwendi-g
und innerhalb des Luftspaltes nur schlecht in einer bestimmten Stellung fixierbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei Magnetkernen der eingangs erwähnten
Art, eine Einstellmöglichkeit für den Luftspalt zu schaffen, die in ihrem Aufbau
einfach ist und dennoch eine hinreichend genaue Justierung gewährleistet. Außerdem
soll auch der Abgleich der Induktivität von Blech- oder Folien-Paketen ermöglicht
werden, deren Lamellen nicht gegeneinander verschiebbar sind, insbesondere der Abgleich
von geklebten Blechpaketen oder gewickelten Bandkernen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Magnetkern der eingangs erwähnten
Art erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß der Luftspalt durch eine im Magnetkern
verstellbare Schraube aus ferromagnetischem Material wenigstens teilweise überbrückbar
ist.
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Ein Abgleich mittels einer Schraube ist bisher nur für Ferrit-Schalenkerne
für Filterspulen bekannt. Bei diesen Schalenkernen, in denen durch Abschleifen des
Mittelzapfens ein Luftspalt erzeugt wird, erfolgt der Abgleich durch einen Ferrit-Zylinderkern
mit Gewinde, der, in eine Kunststoffbuchse im Mittelloch des Schalenkernes hineingeschraubt,
den Luftspalt mehr oder weniger zu überbrücken. gestattet (E. Reinboth: "Technologie
und Anwendung magnetischer Werkstoffe", 3. Auflage, Berlin 1970, Seite 234). Für
andere Kernformen ist eine solche Abgleichmöglichkeit aber nicht einmal bei Ferritkernen
bekannt. Vielmehr war man der Auffassung, daß bei Ferrit-E-Kernen, bei denen die
Luftspalte sich leicht in den Mittelsteg der E-Kernhälften einschleifen lassen,
naturgemäß ein nachträglicher Abgleich nicht möglich sei (H. Reinboth a.a.O., Seite
241).
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Demgegenüber eignet sich die erfindungsgemäße Lösung für alle geschichteten
oder gewickelten Magnetkerne mit wenigstens einem durchgehenden Luftspalt. Insbesondere
geklebte Blechpakete und Ringbandkerne können mit Hilfe der verstellbaren Schraube
nach ihrer Fertigstellung sehr gut abgeglichen werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetkerns
besteht die Schraube aus weichmagnetischem Material.
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Man kann dabei für die Schraube das gleiche Material wie für den Magnetkern
oder doch ein Material mit praktisch den gleichen magnetischen Eigenschaften verwenden,
wie sie der Kern besitzt.
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Man kann aber auch mit Vorteil eine Schraube verwenden, die aus einem
Material mit anderen magnetischen Eigenschaften als der Kern besteht. Infolge der
unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften von Schraube und Kern läßt sich hierbei
ein stark nichtlinearer Zusammenhang zwischen AT.-Wert und der magnetischen Feldstärke
im Kern bzw. dem die Kernwicklung durchfließenden Strom erreichen. Kerne mit solchen
nichtlinearen Kennlinien, bei denen die Induktivität zu kleinen Gleichströmen hin
ansteigt, sind insbesondere für Sieb- und Speicherdrosseln von Interesse.
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Um Wirbelstromverluste innerhalb des Kernes zu vermeiden, ist die
Schraube vorzugsweise gegenüber dem Magnetkern elektrisch isoliert. Schrauben, die
beispielsweise aus Ferrit- oder Masse-Eisen bestehen, sind zwar selbst praktisch
nicht elektrisch leitend, werden aber dennoch vorzugsweise in eine im Kern angeordnete
Kunststoffbuchse eingesetzt, da sie sich nur schwer durch ein in den Kern selbst
eingeschnittenes Gewinde führen lassen. Dagegen können Schrauben, die aus einer
weichmagnetischen Legierung bestehen, in einfacher Weise innerhalb eines in den
Kern selbst eingeschnittenen Gewindes geführt werden. Zur elektrischen Isolation
können diese Schrauben vorzugsweise an ihrer Oberfläche oxydiert sein.
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Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetkernes
können die Schrauben auch aus Dauermagnetmaterial bestehen. Neben einem Abgleich
der Induktivität des Kerns erlaubt eine solche Schraube auch eine Vormagnetisierung
des Kerns, was sich infolge der mit der Vormagnetisierung verbundenen Verschiebung
der Hystereseschleife des Kerns insbesondere dann günstig auswirkt, wenn die mit
dem Kern versehenen Spulen oder übertrager für unipolaren Impulsbetrieb verwendet
werden sollen.
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Durch die Vormagnetisierung läßt sich dann ein wesentlich höherer
Induktionshub als ohne Vormagnetisierung erreichen.
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Die Schraube kann im Luftspalt des Magnetkerns senkrecht zur Richtung
des Magnet feldes verstellbar sein. Diese Ausführung eignet sich insbesondere für
Ringbandkerne mit einem Luftspalt.
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Ferner besteht die Möglichkeit, daß die Schraube im Luftspalt parallel
zur Richtung des Magnetfeldes verstellbar ist. Diese Anordnung eignet sich insbesondere
für Magnetkerne aus E-Blechen, bei denen die Schraube vorzugsweise in dem den Luftspalt
enthaltenden Mittelschenkel vorgesehen wird. Im Mittelschenkel wird dabei eine Bohrung
mitGewinde zur Führung der Schraube vorzugsweise nur auf einer Seite des Luftspaltes
vorgesehen, während der Mittelschenkel auf der anderen Seite des Luftspaltes
eine
Bohrung enthält, in welche die Schraube frei eintauchen kann. Eine Führung der Schraube
durch ein Gewinde auch auf der anderen Seite des Luftspaltes kann nämlich die freie
Beweglichkeit der Schraube und damit einen guten Abgleich der Induktivität des Kerns
erheblich beeinträchtigen, wenn die Gewinde nicht genau zusammenpassen. Eine Kunststoffhülse,
in die sich die Schraube selbst ein Gewinde schneidet, kann dagegen auch von einer
Bohrung über den Luftspalt hinaus in die andere hineinragen.
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Magnetkerne die aus mehreren Teilen bestehen, können vorteilhaft auch
durch die Schraube selbst zusammengehalten werden.
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Bei Magnetkernen, die aus zwei E-Teilen bestehen und einen Luftspalt
im Mittelschenkel enthalten, kann man dies vorteilhaft dadurch erreichen, daß die
Schraube beiderseits eines sich konisch verjüngenden Mittelteils zwei mit Gewinden
versehene Endteile unterschiedlichen Durchmessers besitzt, von denen einer in einem
auf einer Seite des Luftspaltes im Mittelschenkel vorgesehenen Gewinde geführt ist
und der andere den Mittelschenkel auf der anderen Seite des Luftspaltes durchsetzt.
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Durch Aufschrauben einer Gegenmutter auf den letztgenannten Endteil
der Schraube können dann nach dem Ab gleich der Induktivität die beiden E-Kernteile
zusammengehalten werden.
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Anhand einiger Figuren und Beispiele soll die Erfindung noch näher
erläutert werden: Fig. 1 und 2 zeigen im Schnitt zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele
von Magnetkernen gemäß der Erfindung.
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Fig. 3 zeigt die relative Änderung der Induktivität in Abhängigkeit
von der Schraubenstellung bei Magnetkernen nach Fig. 1 und 2.
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Fig. 4 zeigt eine nichtlineare Abhängigkeit des Induktivitätsfaktors
von einem dem Kern aufgeprägten magnetischen Gleichfeld für Magnetkerne nach Fig.
1 und 2.
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Fig. 5 und 6 zeigen weitere Ausführungsformen von erfindungsgemäßen
Magnetkernen.
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In Figur 1 ist ein sogenannter E-Kern im Schnitt dargestellt, der
aus zwei geklebten Blechpaketen 1 und 2 besteht, die wiederum aus EE-Blechen gemäß
DIN 41302 aufgebaut sind. Die Mittelschenkel der Blechpakete 1 und 2 sind etwas
abgeschliffen, so daß beim Zusammenpressen der Blechpakete im Mittelschenkel ein
Luftspalt 3 entsteht, dessen Weite im wesentlichen den A -Wert des Magnetkerns bestimmt.
Der Mittelschenkel des Blechpakets 1 ist mit einer durchgehenden Bohrung 4, der
Mittelschenkel des Blechpakets 2 mit einer Sackbohrung 5 versehen.
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In die Bohrung 4 ist eine Kunststoffhülse 6 eingesetzt, in die zum
Abgleich der Induktivität eine Ferritschraube 7 eingeschraubt wird. Die Ferritschraube
7 schneidet sich dabei selbst ein Gewinde in die Kunststoffhülse. Die Bohrung 5
ist so weit, daß die Schraube 7 gerade in ihr gleiten kann.
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Figur 2 zeigt einen entsprechend Figur 1 aufgebauten Magnetkernf bei
dem lediglich anstelle einer Ferritschraube 7 eine Metallschraube 8 aus einer weichmagnetischen
Legierung zum Abgleich der Induktivität dient. Die Metallschraube 8 ist in einem
in die Bohrung 4 eingeschnittenen Gewinde geführt und kann-in der Bohrung 5 frei
gleiten. Zur elektrischen Isolation ist die Oberfläche der Schraube 8 oxydiert.
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Aus den in Figur 3 dargestellten Kurven läßt sich erkennen, welcher
Spielraum für den Abgleich auf einen bestimmten AL-Wert beispielsweise bei Kernen
gemäß Fig. 1 und 2 zur Verfügung steht. An der Ordinate von Fig. 3 ist die relative
Induktivitätsänderung, d.h. die Induktivitätsänderung t L bezogen auf die Induktivität
Lo ohne Schraube, an der Abszisse die Umdrehungszahl U der Schraube und damit die
Eindringtiefe in die Bohrung des Magnetkerns dargestellt. Mit einer Prüfspule
wurde
an einer selbstabgleichenden Brücke zunächst die Induktivität des Magnetkerns ohne
Schraube gemessen, dann wurde die Schraube eingedreht und die Induktivitätsänderung
als Funktion der Umdrehungszahl der Schraube gemessen. Eine meßbare Induktivitätsänderung
tritt auf, wenn die Schraube in die Bohrung eintritt, sie erreicht ihr Maximum,
wenn die Schraube etwa symmetrisch zum Luftspalt liegt, und geht wieder zurück,
wenn die Schraube noch weiter eingedreht wird. Dieser Rückgang - die Kurven fallen
etwa symmetrisch zum Anstieg wieder ab - ist in Fig. 3 nicht mehr dargestellt.
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Die in Fig. 3 gezeigten Kurven wurden an Magnetkernen entsprechend
Fig. 1 und 2 gemessen, die aus Blechen EE 32 gemäß DIN 41302 gestapelt und verklebt
waren. Die Außenabmessungen solcher Kerne betragen 32 mm x 32 mm x 9,6 mm. Der Mittelschenkel
ist 9,6 mm breit, während die Außenschenkel 4,8 mm breit sind. Die Länge der Außenschenkel
des kleineren Blechpakets 1 beträgt 10 mm. Die Kernbleche bestanden aus einer Legierung
aus etwa 76,5 % Nickel, 4,5 % Kupfer, 3,3 % Molybdän, "Rest Eisen und übliche verarbeitungsbedingte
Zusätze mit einer Anfangspermeabilität von etwa 25 000 und einer Sättigungsinduktion
von etwa 0,8 Tesla. Die Kurven 11 und 12 wurden an Kernen nach Fig. 1 gemessen,
bei denen der Durchmesser der Bohrungen 4 und 5 etwa 5,4 mm betrug. Die Ferritschraube
7 hatte einen Durchmesser von knapp 4 mm und eine Länge von etwa 15 mm und bestand
aus einem handelsüblichen Ferritmaterial mit einer Anfangspermeabilität von etwa
1800 und einer Sättigungsinduktion von etwa 0,4 Tesla.
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Die Kurven 13 und 14 wurden an einem Kern nach Fig. 2 gemessen, wobei
die etwa 15 mm lange Schraube 8 aus einer Legierung aus etwa 81 % Nickel und 19
% Eisen (Anfangspermeabilität etwa 7000, Sättigungsinduktion etwa 0,85 Tesla) bestand
und mit einem M5-Gewinde versehen war. Mit einem entsprechenden Gewinde war die
Bohrung 4 versehen, während der Durchmesser der Bohrung 5
wiederum
5,4 mm betrug. Der durch die Breite des eingeschliffenen Luftspaltes 1 bestimmte
A-Wert der Magnetkerne ohne Abgleichschrauben betrug bei den Kurven 11 und 13 etwa
800 nH und bei den Kurven 12 und 14 etwa 400 nH.
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Deutlich ist zu erkennen, daß bei Verwendung der Ferritschraube infolge
deren geringerer Permeabilität und des Querschnittsverlustes durch die Kunststoffhülse
der Abgleichbereich kleiner ist als bei Verwendung der Metallschraube, die eine
höhere Permeabilität besitzt und außerdem den durch die Bohrung bedingten Querschnittsverlust
des Kerns nahezu völlig ausgleicht. Jede der vier Kurven besteht aus drei Teilbereichen,
einem Anfangsbereich, einem fast linear ansteigenden Bereich und einem flach verlaufenden
Maximum. Als Abgleichbereich sollte in der Regel der etwa linear ansteigende Mittelbereich
dienen, da sich hier bei hinreichend kleiner Steigung der Abgleichschrauben die
gewünschten A-Werte sehr genau einstellen lassen. Während sich bei E-Kernen mit
eingeschliffenem Luftspalt aber ohne Abgleichschrauben in der Fertigung allenfalls
A-oleranzen von + 5 % einhalten lassen, lassen sich durch die Abgleichschrauben
die gewünschten AL-Werte mit einer Genauigkeit von + 1 % und besser einstellen.
Da das Einschrauben der Abgieichschraube immer eine Induktivitätserhöhung bewirkt,
muß zur Einhaltung eines bestimmten Induktivitätswertes von einem Kern ausgegangen
werden, dessen durch den eingeschliffenen Luftspalt bestimmter Ausgangs-A-Wert unter
dem Sollwert liegt. Die Induktivität einer den Kern enthaltenden Spule erhält man
durch Multiplikation des A,-Wertes mit dem Quadrat der Windungszahl der Spule.
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Figur 4 zeigt, daß sich mit Hilfe von Abgleichschrauben auch nichtlineare
AL-Kennlinien einstellen lassen, wenn man Abgleichschrauben aus einem Material verwendet,
das andere magnetische Eigenschaften als der zugehörige Magnetkern besitzt. An der
Ordinate ist in Figur 4 der A-Wert, an der Abszisse die magnetische Feldstärke eines
durch eine auf den Kern aufgeschobene Probenspule erzeugten Magnet feldes H aufgetragen.
Die A-Werte
wurden in Abhängigkeit von diesem magnetischen Gleichfeld
mit einer Wechselmagnetisierungsinduktion von 10 mT und einer Frequenz von 300 Hz
gemessen. Die Messungen erfolgen an den bereits bei Figur 3 im einzelnen erläuterten
Kernen, wobei der Ausgangs-A-Wert der Kerne mit Bohrung etwa 600 nH betrug. Die
Kurve 21 zeigt den AL-Verlauf eines Kernes ohne Bohrung, die Kurve 22 den eines
Kernes mit Bohrung, die Kurve 23 den eines Kernes mit Bohrung und Ferritschraube
und die Kurve 24 den eines Kernes mit Bohrung und Metallschraube. Die Kurven 23
und 24 zeigen deutlich, daß im Verlauf der Kurven aufgrund der unterschiedlichen
magnetischen Eigenschaften der Materialien für den Kern und die Abgleichschraube
eine Stufe entsteht, die im Bereich um das Maximum des Abgleichs am ausgeprägtesten
ist, also dann, wenn die Abgleichschraube etwa symmetrisch zum Luftspalt im Kern
sitzt. Mit zunehmender Abweichung der Schraube von dieser Lage wird der Kurvenverlauf
mehr und mehr geglättet und die Stufe verschwindet. Die mit Hilfe der Abgleichschraube
erreichbare Nichtlinearität ist insbesondere für sogenannte nichtlineare Drosselspulen
von Interwesse, die bei niedrigerer Gleichstromvorbelastung eine große und bei höherer
Gleichstromvorbelastung eine kleine Induktivität haben sollen.
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Wie bereits erwähnt, kann man die Abgleichschraube beispielsweise
bei E-Kernen auch dazu ausnutzen, um die beiden Blechpakete des Kerns zusammenzuhalten.
Die hierzu bisher üblichen Klammern oder sonstigen Haltemittel können dadurch entfallen.
Ein Ausführungsbeispiel für einen solchen E-Kern ist in Figur 5 dargestellt. Der
Kern besteht wiederum aus zwei Blechpaketen 31 und 32 und enthält im Mittelschenkel
einen eingeschliffenen.Iiuftspalt 33. Der Mittelschenkel des kleinen Blechpaketes
31 ist mit einer gewindelosen Bohrung 34 versehen, die sich auch noch in den Mittelschenkel
des größeren Blechpaketes 32 hinein erstreckt. An die Bohrung 34 schließt sich im
Mittelschenkel des Blechpskets 32 eine engere, mit Gewinde
versehene
Bohrung 35-an. Die Abgleichschraube hat einen sich konisch verjüngenden Mittelteil
36 und beiderseits dieses Mittelteils zwei Endteile 37 und 39 unterschiedlichen
Durchmessers. Der Endteil 37, der den kleineren Durchmesser besitzt, ist mit einem
Gewinde 38 versehen, das zum Gewinde der Bohrung 35 paßt. Der Endteil 39 mit dem
größeren Durchmesser ist ebenfalls mit einem Gewinde 40 versehen, auf das eine Mutter
41 aufgeschraubt werden kann. Man kann nun nach dem Aufschieben der Spulenwicklung
auf den Mittelschenkel zunächst die beiden Blechpakete 31 und 32 mit Hilfe von Klammern
zusammenpressen, dann die Abgleichschraube mit Hilfe des Gewindes 38 soweit in den
Kern einschrauben, bis der gewünschte A-Wert erreicht ist, und dann auf den Endteil
39 der Abgleichschraube die Mutter 41 aufschrauben, die dann die beiden Blechpakete
31 und 32 zusammenhält. Anschließend können die klammern wieder entfernt werden.
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Der Abgleichbereich ist bei dem Kern nach Figur 5 etwas kleiner als
beispielsweise bei einem Kern nach Figur 2, da die Abgleichschraube in jeder Stellung
einen verhältnismäßig großen Querschnitt des Luftspaltes ausfüllt. Dennoch lassen
sich auch bei dem in Figur 5 dargestellten Kern im linear verlaufenden Bereich der
Abgleichkurve relative Induktivitätsänderungen von etwa 5 bis 12 % sehr genau einstellen.
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Bei den bisherigen Ausführungsbeispielen war die die'Abgleichschraube
im Luftspalt im wesentlichen parallel zur Magnetfeldrichtung verstellbar. Figur
6 zeigt nun schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä Magnetkerns,
bei dem die Abgleichschraube senkrecht zur Magnetfeldrichtung im Luftspalt verstellbar
ist. In einem als gewickelter Ringbandkern ausgebildeten Magnetkern 61 ist an einer
Stelle ein durchgehender Luftspalt 62 vorgesehen. Innerhalb des Luftspaltes befindet
sich eine mit Gewinde versehene, parallel zu den Begrenzungsflächen des Luftspaltes
verlaufenden Bohrung, in die eine Abgleichschraube 63 eingeschraubt
werden
kann. Bei dieser Anordnung ist die Induktivität des Ringbandkernes am höchsten,
wenn die Schraube vollständig in den Luftspalt eingeschraubt ist.
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Senkrecht zur Magnetfeldrichtung im Luftspalt verstellbare Abgleichschrauben
eignen sich auch für andere Kernformen, beispielsweise für geschichtete Ringlamellenkerne
oder auch für Kerne mit mehreren Luftspalten, beispielsweise für Schnittbandkerne.
Bei solchen Kernen mit zwei durchgehenden Luftspalt ten können in die Luftspalte
als Abstandhalter Scheiben oder Folien aus unmagnetischem Material eingelegt und
die Abgleichschrauben in diese Scheiben von der~hußenseite her eingeschraubt werden.
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Mit Hilfe der Abgleichschraube kann auch noch bei fertig gekapselten
oder vergossenen Spulen oder ilbertragern die Induktivität von außen eingestellt
werden, wenn man das Schraubenende aus der Kapsel oder der Vergußmasse herausragen
läßt oder in anderer Weise leicht zugänglich macht.
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Hierdurch können in einfacher Weise Änderungen der Induktivität infolge
von Fabrikationseinflüssen, beispielsweise der Schrumpfung der Vergußmasse, wieder
ausgeglichen werden.