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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf magnetische Vorrichtungen
und insbesondere auf den Zusammenbau von Magnetkernen zur Ausbildung
einer magnetischen Vorrichtung.
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Hintergrund der Erfindung
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Einige
elektrische Vorrichtungen wie etwa Induktoren und Transformatoren
verwenden Magnetkerne, die einen induzierten magnetischen Fluss
erzeugen. Viele herkömmliche
Magnetkerne sind als zwei getrennte Magnetkernorgane zusammengesetzt,
die einen Magnetflusskreis bilden. Ein Ansatz verwendet ein Paar
im Allgemeinen E-förmiger
Magnetkernorgane, die so aneinander gefügt sind, dass die offenen Enden
jedes Arms miteinander zusammengefügt sind, um einen Pfad für den induzierten magnetischen
Fluss zu schaffen. Jeder Arm weist eine Verbindungsfläche auf,
die so beschaffen sind, dass sie auf Flächenbereiche gleicher Größe und Form
an dem gegenüberliegenden
Magnetkernorgan abgestimmt sind. Ein weiterer Ansatz verwendet die Baugruppe
eines im Allgemeinen E-förmigen
Magnetkernorgans, das mit einem Kernorgan in Form einer ebenen Platte
aneinander gefügt
ist.
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Bei
den oben beschriebenen herkömmlichen Kernbaugruppen,
besitzen die zwei Magnetkernorgane sowohl dieselbe Gesamtbreite
als auch -länge.
Infolgedessen müssen
die zwei Magnetkernorgane richtig ausgerichtet sein, um Magnetflussverluste
zu minimieren. Der Ausrichtungsvorgang ist bei einigen Anwendungen
wie etwa bei dem Zusammenbau von Kernorganen zur Verwendung als
ein Transformator oder Induktor, der in eine ge druckte Leiterplatte
integriert wird, schwer zu realisieren. Die Installierung eines
oberen Kernorgans auf ein unteres Kernorgan durch die Leiterplatte
kann in einem Blindbetrieb erfolgen, was folglich die Sicherstellung
einer genauen Ausrichtung der zwei Kernorgane behindert.
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Eine
Fehlausrichtung der zwei Magnetkernorgane verringert die wirksame
Querschnittsfläche der
herkömmlichen
Kernvorrichtung. Der von einem Kernorgan zum anderen fehlausgerichteten
Kernorgan verlaufende magnetische Fluss wird gezwungen, sich auf
die verbleibende Kontaktfläche
zu verdichten, um den Magnetflusspfad zu vervollständigen, was
als Flussverdichtung bekannt ist. Eine erhöhte Flussdichte oder Flussverdichtung
kann zu einer Kernsättigung
in der Nähe
der aneinander grenzenden Flächen
führen,
die unerwünschte
thermische Energie (Wärme)
erzeugt. Außerdem
gelangt nicht der gesamte verdichtete magnetische Fluss durch die
verringerte Größe der aneinander
grenzenden Flächen,
wodurch ein Teil des magnetischen Flusses außerhalb des Kerns verläuft, was
als Flussstreuung bekannt ist. Durch die Flussstreuung gelangt der
magnetische Fluss in das umgebende Umfeld und möglicherweise in die nahe gelegene
Schaltungsanordnung, in der Wirbelströme erzeugt werden können, Energie
vergeudet und Rauschen eingebracht werden kann.
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Flussstreuung
und Flussverdichtung können in
herkömmlichen
Magnetkernbaugruppen auftreten, in denen die beiden Magnetkernorgane
relativ zueinander verschoben und/oder in eine verdrehte Ausrichtung
gedreht sind. In beiden Situationen ist eine Verringerung der Querschnittsfläche des
Magnetflusskreises zu erkennen, was die Gesamtinduktivität verringert.
Außerdem
erhöht
eine Verringerung der Querschnittsfläche die Flussdichte oder Flussverdichtung
in der Vorrichtung und führt
ferner zu einer Flussstreuung. Die resultierende Verringerung der Querschnittsfläche des
Magnetflusskreises infolge der verschobenen und/oder verdrehten Ausrichtung der
beiden Kernorgane führt
daher zu einer verringerten Leitungsfähigkeit.
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Folglich
ist es erwünscht,
eine Magnetkernvorrichtung zu schaffen, die aus dem Zusammenbau zweier
Magnetkernorgane besteht, der keine verringerte Magnetflusspfadfläche infolge
der Ausrichtungsprozedur aufweist. Es ist ferner erwünscht, eine Magnetkernvorrichtung
zu schaffen, die zwei Kernorgane besitzt, die leicht ausgerichtet
werden können, so
dass eine Flussstreuung und eine Flussverdichtung minimieren werden,
um die Leistungsfähigkeit der
Magnetkernvorrichtung zu optimieren. Es ist insbesondere erwünscht, eine
solche Magnetkernvorrichtung zu schaffen, die auf eine Leiterplatte
wie etwa eine gedruckte Leiterplatte montiert werden kann, wobei
eine Verschiebung und/oder eine verdrehte Ausrichtung der Kernorgane
auftreten können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung in ihren verschiedenen Aspekten ist so beschaffen,
wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
dargestellt ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Magnetkernvorrichtung mit einem ersten und einem zweiten
Magnetkernorgan geschaffen. Das erste Kernorgan besitzt eine im
Allgemeinen offene Form und eine erste und eine zweite Fläche. Die
erste und die zweite Fläche
haben einen ersten bzw. einen zweiten Flächeninhalt. Das zweite Magnetkernorgan besitzt
eine dritte und eine vierte Fläche
für die
Zusammenfügung
mit der ersten bzw. der zweiten Fläche des ersten Magnetkernorgans.
Die dritte und die vierte Fläche
haben einen übergroßen dritten
bzw. vierten Flächeninhalt,
derart, dass der dritte Flächeninhalt
eine Länge
und eine Breite besitzt, die größer als
eine Länge
und eine Breite des ersten Flächeninhalts
sind, und der vierte Flächeninhalt
eine Länge und
eine Breite besitzt, die größer als
eine Länge
und eine Breite des zweiten Flächeninhalts
sind.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst die Magnetkernvorrichtung
ein im Allgemeinen E-förmiges
Magnetkernorgan und ein im Allgemeinen ebenes Magnetkernorgan. Das
im Allgemeinen E-förmige
Magnetkernorgan umfasst eine erste, eine zweite und eine dritte
Stirnfläche,
um einen magnetischen Fluss zu schaffen. Das erste Magnetkernorgan
besitzt eine Länge
und eine Breite. Die erste, die zweite und die dritte Stirnfläche des E-förmigen Kernorgans
sind montiert, um das im Allgemeinen ebene Magnetkernorgan so zu
verkoppeln, dass ein Magnetflusskreis gebildet wird. Das im Allgemeinen
ebene Magnetkernorgan besitzt eine Länge und eine Breite, die größer als
die Länge und/oder
Breite des im Allgemeinen E-förmigen Kernorgans
sind.
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Diese
und weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung
werden für
den Fachmann auf dem Gebiet anhand der folgenden Beschreibung, der
Ansprüche
und der beigefügten Zeichnung
verständlicher
und klarer.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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Die
vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft anhand der beigefügten Zeichnung
beschrieben, in der:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer aus dem Zusammenbau eines ersten und
eines zweiten Kernorgans gebildeten Magnetkernvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
perspektivische Untersicht des oberen Kernorgans ist;
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3 eine
Vorderseitenansicht der in 1 gezeigten
Magnetkernvorrichtung ist;
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4 eine
Draufsicht der in 1 gezeigten Magnetkernvorrichtung
ist;
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5 eine
perspektivische Ansicht der Magnetkernvorrichtung ist, die in einer
verschobenen Ausrichtung zusammengesetzt gezeigt ist;
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6 eine
perspektivische Ansicht der Magnetkernvorrichtung ist, die in einer
verdrehten Ausrichtung zusammengesetzt gezeigt ist; und
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7 eine
Explosionsdarstellung der Montage der Magnetkernvorrichtung auf
eine gedruckte Leiterplatte ist.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsform
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In 1 ist
eine Magnetkernvorrichtung 10 veranschaulicht, die aus
dem Zusammenbau eines ersten Kernorgans 12, das als das
obere Organ gezeigt ist, und eines zweiten Kernorgans 22,
das als das untere Kernorgan gezeigt ist, besteht. Das erste und
das zweite Kernorgan sind aus einem magnetischen Material wie etwa
einem ferromagnetischen Material zur Erzeugung eines magnetischen
Flusses hergestellt. Auf diese Weise sind das erste und das zweite
Magnetkernorgan 12 und 22 relativ zueinander positioniert,
so dass im Wesentlichen geschlossene Magnetflusskreise ausgebildet
werden, wie hier beschrieben ist. Die Magnetkernvorrichtung 10 kann in
irgendeiner von mehreren Anwendungen verwendet werden, die die Verwendung
in einem Induktor, einem Transformator oder weiteren Komponenten, die
einen magnetischen Fluss erfordern, einschließen.
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Das
zweite Magnetkernorgan 22 ist als eine im Wesentlichen
eben geformte Platte gezeigt, die eine obere Fläche 30 besitzt, die
mit den Stirnflächenbereichen
des ersten Magnetkernorgans 12 in Eingriff steht oder sich
in nächster
Nähe zu
ihnen befindet, um Magnetflusspfade auszubilden. Das erste Magnetkernorgan 12 ist
als ein E-förmiges
Organ konfiguriert gezeigt, das einen ersten, einen zweiten und
einen dritten Arm 14, 16 und 18 besitzt.
Der erste und der dritte Arm 14 und 18 sind an
gegenüberliegenden
Enden des Kernorgans 12 ausgebildet. Der zweite Arm 16 ist
in der Mitte zwischen dem ersten und dem zweiten Arm 14 und 18 ausgebildet.
Der zweite Arm 16 besitzt eine Breite von etwa zweimal der
Breite eines der Arme 14 und 18.
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Außerdem ist
eine elektrisch leitfähige
Spule 50 in einer Schleife um den zweiten mittleren Arm 16 gewunden
gezeigt. Die elektrisch leitfähige
Spule 50 kann gemäß einer
Ausführungsform
eine Spule mit einer einzelnen Windung sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
kann die elektrisch leitfähige
Spule 50 in einer Vielzahl von Windungen gewunden sein. Die
elektrisch leitfähige
Spule 50 ermöglicht
einen Stromfluss in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu
dem magnetischen Fluss, der durch den mittleren Arm 16 hindurchläuft.
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Das
obere Magnetkernorgan 12 ist ferner in 2 mit
Stirnflächenbereichen 24, 26 und 28 zum Verkoppeln
der oberen Fläche 30 des
zweiten Kernorgans 22, um die Magnetflusspfade zu vervollständigen,
gezeigt. Die erste Stirnfläche 24 ist
am Ende des Arms 14 vorgesehen und stellt einen durch seine Breite
und Länge
definierten Flächenbereich
bereit. Die zweite Stirnfläche 26 ist
am Ende des zweiten Arms 16 vorgesehen und stellt einen
durch seine Länge
und Breite definierten Flächenbereich
bereit. Der dritte Flächenbereich 28 ist
gleichermaßen
am Ende des dritten Arms 18 ausgebildet, wobei er ebenso
durch seine Länge
und Breite definiert ist. Die Länge,
die sich von dem ersten Flächenbereich 24 zu dem
dritten Flächenbereich 28 erstreckt
und sie umfasst, und die Breite der Flächenbereiche 24, 26 und 28 definieren
den äußeren Umfang
des ersten Magnetkernorgans 12.
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Die
Magnetkernvorrichtung 10 ist ferner in 3 aus
einer Vorderansicht veranschaulicht, wobei das obere Kernorgan 12 im
Wesentlichen auf dem unteren Kernorgan 22 zentriert ist.
Das obere Kernorgan 12 ist durch einen Klebstoff 34 auf
die obere Fläche 30 des
unteren Kernorgans 22 geklebt gezeigt. Der Klebstoff 34 ist
zwischen den Stirnflächen 24, 26 und 28 des
oberen Kernorgans 12 und der oberen Fläche 30 des unteren
Kernorgans 22 angeordnet. Der Klebstoff 34 kann
irgendeinen aus einer Anzahl von bekannten Klebstoffen umfassen.
Die Dicke des Klebstoffs 34 bestimmt den Trennabstand, wenn überhaupt,
zwischen den aneinander grenzenden oberen und unteren Kernorganen 12 und 22.
Allerdings ist klar, dass sich das obere und das untere Kernorgan 12 und 22 in
direktem Kontakt miteinander befinden können. Anstelle des Klebstoffs 34 kann
irgendeine aus einer Anzahl von anderen Techniken verwendet werden,
um die Positionierung des ersten und des zweiten Magnetkernorgans 12 und 22 fest an
ihrem Platz relativ zueinander aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel
können
das erste und das zweite Magnetkernorgan 12 und 22 direkt
aneinander befestigt sein oder sie können direkt an einem weiteren
Trägerorgan
wie etwa eine Leiterplatte befestigt sein.
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Die
Verwendung eines E-förmigen
oberen Kernorgans 12 schafft einen ersten und einen zweiten
Magnetflusskreis, die die Erzeugung eines ersten und eines zweiten
Magnetflusspfads 32A und 32B, die in 3 in
gestri chelten Linien gezeigt sind, ermöglichen. Die Magnetflusspfade 32A und 32B zeigen
einen Magnetfluss an, der über
die Endarme 14 und 18 zirkuliert, wobei die Magnetflusspfade 32A und 32B über den
mittleren Arm 16 in derselben Richtung miteinander verbunden
sind. Der Magnetfluss über
den mittleren Arm 16 bewegt sich im Wesentlichen senkrecht
zum Stromfluss in der elektrisch leitfähigen Spule 50.
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Die
Magnetkernvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung
ist mit einem übergroßen unteren
Kernorgan 22 verglichen mit der Größe des oberen Kernorgans 12 versehen.
Wie in 4 gezeigt ist, besitzt das obere Kernorgan 12 eine
Gesamtlänge
LA und eine Gesamtbreite WA,
die im Allgemeinen den Umfang des oberen Kernorgans 12 definieren,
der den Umfang des Magnetflusspfads umfasst. Im Gegensatz dazu besitzt
das untere Kernorgan 22 eine Gesamtlänge LB und
eine Gesamtbreite WB, von denen beide größer als
die Länge
LA und die Breite WA des
oberen Kernorgans 12 sind. Gemäß der gezeigten Anordnung besitzt
das untere Kernorgan eine Länge
LB, die um einen Betrag, der gleich 2L0 ist, größer als
die Länge
LA ist. Ähnlich
besitzt das untere Kernorgan 22 eine Breite WB,
die um einen Betrag, der gleich 2W0 ist,
größer als
die Breite WA ist. Folglich besitzt das
untere Kernorgan 22 eine übergroße Länge LB und
eine übergroße Breite
WB, die um Versatzbeträge, die gleich 2L0 bzw.
2W0 sind, größer als die Länge LA und die Breite WA sind.
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Die übergroßen Abmessungen
des unteren Kernorgans 22 relativ zum oberen Kernorgan 12 sind ausreichend
groß genug,
um eine verschobene und/oder verdrehte Ausrichtung der zwei Kernorgane 12 und 22 relativ
zueinander zu berücksichtigen.
Der Betrag der Übergröße des unteren
Kernorgans 22 in Bezug auf das obere Kernorgan 12 ist
vorzugsweise größer als
ein minimaler Betrag der maximalen Versatzplatzierungs-Fehler toleranz
des oberen Kernorgans 12 plus der erlaubten maximalen Maßtoleranz für die Herstellung
des oberen Kernorgans 12.
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Durch
Bereitstellen einer übergroßen unteren
Kernorganplatte 22 können
das erste und das zweite Kernorgan 12 und 22 mit
einer verschobenen Ausrichtung und/oder einer verdrehten Ausrichtung zusammengesetzt
werden, während
im Wesentlichen Änderungen
der Induktivität
verringert oder beseitigt und eine Flussverdichtung und Flussstreuung verringert
werden. Das heißt,
die Stirnflächenbereiche 24, 26 und 28 des
oberen Kernorgans 12 bleiben in Kontakt oder Beinahe-Kontakt
mit der oberen Fläche 30 des
unteren Kernorgans 22 ungeachtet einer verschobenen und/oder
verdrehten Ausrichtung der zwei Kernorgane 12 und 22 innerhalb
eines begrenzten Grades einer Relativbewegung. Trotz einer gewissen
Verschiebungs- und/oder Schrägausrichtung ermöglicht die übergroße untere
Platte 22, dass der magnetische Fluss mit geringen oder
keinen Verlusten, die im Allgemeinen mit verkleinerten Querschnittsflächen bei
den aneinander grenzenden Flächen
verknüpft
sind, aus einem Kernorgan in das andere Kernorgan zirkuliert und
zurückkehrt.
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Zur
weiteren Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung ist die Magnetkernvorrichtung 10 in 5 mit
dem längs
seiner Länge
relativ zum unteren Kernorgan 22 verschobenen oberen Kernorgan 12 veranschaulicht.
Die zwei Kernorgane 12 und 22 können sich
relativ zueinander verschieben, wobei dennoch ein Kontakt oder Beinahe-Kontakt
zwischen den zwei Kernorganen 12 und 22 gewährleistet
ist, um den Magnetflusskreis zu vervollständigen. In 6 ist
das obere Kernorgan 12 in Bezug auf das untere Kernorgan 22 verdreht
gezeigt. Durch Vorsehen einer übergroßen Kernorganplatte 22 kann
das obere Kernorgan 12 in seiner Ausrichtung relativ zu dem
unteren Kernorgan 22 innerhalb eines begrenzten Bewegungsgrads
verdreht sein.
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In 7 ist
die Montage des oberen Kernorgans 12 und des unteren Kernorgans 22 zusammen auf
eine gedruckte Leiterplatte 40 veranschaulicht. Die gedruckte
Leiterplatte 40 weist eine erste, eine zweite und eine
dritte rechteckige Ausschnittöffnung 44, 46 und 48 auf.
Jede der Ausschnittöffnungen 44–48 besitzt
eine Abmessung, die größer als
die Außenabmessungen
der Arme 14, 16 bzw. 18 ist. Bei einer
typischen Blindmontageanordnung sind die Öffnungen 44, 46 und 48 im
Allgemeinen übergroß in Bezug
auf die Abmessungen des äußeren Umfangs der
Arme 14, 16 bzw. 18, um eine einfache
Blindmontage der Komponenten zu ermöglichen, was ferner eine mögliche verschobene
Ausrichtung und/oder verdrehte Ausrichtung des oberen Kernorgans 12 in Bezug
auf das untere Kernorgan 22 zur Folge hat. Während des
Zusammenbaus wird das obere Kernorgan 12 so eingesetzt,
dass sich die Arme 14, 16 und 18 in die
Ausschnittöffnungen 44, 46 bzw. 48 in der
gedruckten Leiterplatte 40 erstrecken. Die untere Kernorganplatte 22 wird
dann angeklebt oder anderweitig befestigt, um in ihrer Position
in Bezug auf die Stirnflächen 24, 26 und 28 der
oberen Kernplatte 12 zu bleiben.
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Die übergroße Kernorganplatte 22 sollte
mit einer Gesamtlänge
LB und einer Gesamtbreite WB hergestellt
werden, die hinreichend groß genug
ist, um die zugehörigen
Stirnflächen
des oberen Kernorgans 12 innerhalb der Bereichsabmessungen
seines oberen Flächenbereichs 30 zu
halten. Jedoch sollte die übergroße Kernorganplatte 22 nicht übermäßig groß sein,
um die Kosten zu minimieren. Folglich braucht das übergroße Kernorgan 22 lediglich
groß genug
zu sein, um die maximale Toleranz einer möglichen Verschiebungs- und/oder
Schrägausrichtung des
oberen und des unteren Kernorgans 12 und 22 aufzunehmen.
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Obwohl
hier ein oberes E-förmiges
Kernorgan 12 und ein unteres plattenförmiges Kernorgan 22 gezeigt
und beschrieben sind, ist klar, dass die Magnetkernvorrichtung 10 aus
anderen zweiteiligen Magnetkern-Baugruppen gebildet werden kann,
die einen Magnetflusskreis bilden. Zum Beispiel kann gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ein einzelnes C-förmiges oder
U-förmiges
Organ auf ein übergroßes plattenförmiges Kernorgan
montiert sein. Weitere Beispiele von Kernorganen mit offener Seitenfläche können verschiedene
anders geformte Kerne einschließlich
Kerne, die üblicherweise
als RM-Kerne, ER-Kerne, PQ-Kerne und RT-Kerne bezeichnet werden, umfassen. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
kann ein Paar offener Kernorgane wie etwa zwei E-förmige Kernorgane
zusammengesetzt sein, wobei eines der zwei E-förmigen Kernorgane vergrößerte (übergroße) Stirnflächen besitzt,
die bei jedem der Arme ausgebildet sind, um eine verschobene und/oder
verdrehte Ausrichtung der aneinander grenzenden Stirnflächen zu
ermöglichen.
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Durch
Vorsehen eines übergroßen Magnetkerns
in Bezug auf einen weiteren Magnetkern, schafft die vorliegende
Erfindung vorteilhaft eine Magnetkernvorrichtung 10, die
in einer verschobenen und/oder verdrehten Ausrichtung zusammengesetzt sein
kann, ohne die Nachteile zu besitzen, die bei herkömmlichen
zweiteiligen Kernbaugruppenanordnungen wahrgenommen werden. Es wird
angemerkt, dass, obwohl ein anfänglicher
Induktivitätswert
der zusammengesetzten Komponente, die das übergroße Kernorgan verwendet, auf
Grund des erhöhten Volumens
des Kernmaterials etwas größer sein
kann als bei einer perfekt ausgerichteten gleich großen Kernbaugruppe,
klar ist, dass dann, wenn sich der Induktionswert herausgebildet
hat, keine wesentlichen weiteren Änderungen infolge der Positionierung
der zwei Kernorgane 12 und 22 auftreten.