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Hintergrund der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein induktives Bauelement, das eine Magnetvorrichtung
ist, wie ein Transformator oder ein Induktor, und insbesondere auf
ein induktives Bauelement mit einem Permanentmagnet, der in einem
magnetischen Spalt vorgesehen ist, der in einem Magnetkern gebildet
ist.
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Zum
Verringern der Größe und des
Gewichtes eines induktiven Bauelementes ist es wirksam, das Volumen
eines Magnetkernes mit einem Magnetmaterial zu verringern. Allgemein
erreicht der Magnetkern verringerter Größe leicht magnetische Sättigung,
so dass ein Strompegel, der von einer Stromversorgung gehandhabt
wird, unausweichlich verringert wird. Zum Lösen des oben erwähnten Problems ist
eine Technik bekannt, bei der der Magnetkern mit einem Magnetspalt
versehen ist, der an einem Teil davon gebildet ist. Mit diesem Aufbau
wird der Magnetwiderstand des Magnetkernes vergrößert, so dass die Abnahme im
Strompegel verhindert wird. In diesem Fall wird jedoch der Magnetkern
in der Magnetinduktanz verringert.
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Zum
Verhindern der Abnahme in der Magnetinduktanz ist eine Technik vorgeschlagen,
die sich auf solch einen Aufbau bezieht, dass der Magnetkern einen
Permanentmagnet zum Erzeugen einer magnetischen Vorspannung aufweist.
Bei dieser Technik wird eine magnetische Gleichstromvorspannung dem
Magnetkern durch die Benutzung des Permanentmagneten auferlegt.
Als Konsequenz wird die Zahl der Magnetflusslinien, die durch den
magnetischen Spalt gehen können,
vergrößert.
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Das
vorhandene induktive Bauelement, das den Permanentmagnet benutzt,
ist jedoch in folgender Hinsicht nachteilig. Das heißt, der
Einführungsbetrag
oder das Volumen des Permanentmagneten, der in dem magnetischen
Spalt vorgesehen ist, wird durch eine Schnittfläche eines mittleren Beinabschnittes
des Magnetkernes und die Abmessung des magnetischen Spaltes bestimmt.
Somit ist die magnetische Vorspannung, die dem Magnetkern auferlegt
wird, unausweichlich beschränkt.
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Die
DE 29 51 513 A1 offenbart
ein induktives Element, das durch einen Magnetkern gebildet ist, der
einen Magnetkreis bildet mit einem magnetischen Spalt, einer Spule,
die um den Kern gewickelt ist, und einem Permanentmagnet, der in
dem Spalt angeordnet ist.
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Der
Abstrakt der JP 11-195 541, der in Patent Abstracts of Japan, 29.
Oktober 1999 veröffentlicht
ist, beschreibt ein induktives Element, das durch eine Spule gebildet
ist, die um einen linearen Kern gewickelt ist, worin Permanentmagnete
an beiden Seiten des linearen Kernes angeordnet sind.
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Der
Abstrakt der JP 60-010 605, der in Patent Abstracts of Japan, 28.
Mai 1985 veröffentlicht ist,
beschreibt einen Permanentmagnet für ein induktives Element. Der
Magnet ist aus einem Seltenerdmagnetpulver zusammengesetzt, das
mit einem Harz gebunden ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, ein induktives Bauelement
vorzusehen, das den Einführungsbetrag
eines Permanentmagneten vergrößern kann,
wodurch ein geeigneter magnetischer Vorspannungseffekt erzielt wird,
ohne dass die Abmessung eines magnetischen Spaltes variiert wird.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein induktives Bauelement nach Anspruch 1. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den untergeordneten Ansprüchen spezifiziert.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines induktiven Bauelementes gemäß einer
ersten Ausführungsform
dieser Erfindung mit einem Teil, durch das gesehen wird;
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2 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht des in 1 dargestellten
induktiven Bauelementes;
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3 ist
eine Seitenschnittansicht des in 3 dargestellten
induktiven Bauelementes;
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines induktiven Bauelementes eines
ersten Vergleichsbeispieles mit einem Teil, durch das gesehen wird;
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5 ist
ein Diagramm, das eine Gleichstromüberlagerungsinduktanzeigenschaft
des in 1 dargestellten induktiven Bauelementes im Vergleich
mit jenen des ersten Vergleichsbeispieles in 4 und eines
anderen Beispieles ohne Benutzung einer magnetischen Vorspannung
zeigt;
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6 ist
eine perspektivische Ansicht einer Modifikation des in 1 dargestellten
induktiven Bauelementes mit einem Teil, durch das gesehen wird;
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7 ist
eine perspektivische Ansicht eines induktiven Bauelementes gemäß einer
zweiten Ausführungsform
dieser Erfindung mit einem Teil, durch das gesehen wird;
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8 ist
eine Seitenschnittansicht des in 7 dargestellten
induktiven Bauelementes;
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9 ist
ein Diagramm, das eine Gleichstromüberlagerungsinduktanzeigenschaft
des in 7 dargestellten induktiven Bauelementes im Vergleich
mit jenen des ersten Vergleichsbeispieles in 4 und eines
anderen Beispieles ohne Benutzung einer magnetischen Vorspannung
zeigt;
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10A bis 10D sind
Seitenschnittansichten, die verschiedene Modifikationen des in 1 bis 3 dargestellten
induktiven Bauelementes zeigen;
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11 ist
eine perspektivische Ansicht eines induktiven Bauelementes gemäß einer
dritten Ausführungsform
dieser Erfindung;
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12 ist
eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht des in 11 dargestellten
induktiven Bauelementes;
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13 ist
eine Seitenschnittansicht des in 11 dargestellten
induktiven Bauelementes;
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14 ist
eine Seitenschnittansicht eines induktiven Bauelementes als ein
zweites Vergleichsbeispiel;
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15 ist
eine Seitenschnittansicht eines induktiven Bauelementes als ein
drittes Vergleichsbeispiel; und
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16 ist
ein Diagramm, das eine Gleichstromüberlagerungsinduktanzeigenschaft
des in 11 dargestellten induktiven
Bauelementes im Vergleich mit jenen des zweiten Vergleichsbeispieles in 14 und
des dritten Vergleichsbeispieles in 15 zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen
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Bezugnehmend
auf 1 bis 3 wird eine Beschreibung eines
induktiven Bauelementes gemäß einer
ersten Ausführungsform
dieser Erfindung gegeben.
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Das
in 1 bis 3 dargestellte induktive Bauelement
ist ausgelegt, um als eine Magnetvorrichtung wie ein Transformator
und ein Induktor benutzt zu werden. Das induktive Bauelement weist
einen Magnetkern auf, der aus einem ersten und einem zweiten Kernteil 11 und 12 zusammengesetzt
ist, die einander zugewandt sind. Das erste Kernteil 11 weist einen
zylindrischen Beinabschnitt 11a an seinem Zentrum auf.
Das zweite Kernteil 12 weist einen flachen oder plattenartigen
Abschnitt 12a auf, der dem einen Ende des Beinabschnittes 11a durch
einen magnetischen Spalt t1 zugewandt ist. Das erste Kernteil 11 weist
weiter einen Flanschabschnitt 11b auf, der sich radial
nach außen
von dem äußeren Ende
des Beinabschnittes 11a erstreckt. Das zweite Kernteil 12 weist
weiter einen Röhrenabschnitt 12b auf,
der sich von einem äußeren Umfangsende
des plattenartigen Abschnittes 12a so erstreckt, dass er
den Beinabschnitt 11a umgibt und mit dem Flanschabschnitt 11b verbunden
ist.
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An
den magnetischen Spalt t1 des Magnetkernes ist ein scheibenförmiger Permanentmagnet 13 angepasst.
Zwischen dem Beinabschnitt 11a und dem röhrenförmigen Abschnitt 12b ist
eine Erregerspule 14 zum Umgeben des Beinabschnittes 11a angeordnet.
Der Permanentmagnet 13 ist so angeordnet, dass ein Magnetfeld 16,
das von dem Permanentmagnet 13 erzeugt wird, entgegengesetzt
oder umgekehrt zu einem Magnetfeld 15 ist, das durch die Erregerspule 14 erzeugt
wird. Somit sind das Magnetfeld 16 durch den Permanentmagnet 13 und
das Magnetfeld 15 durch die Erregerspule 14 einander entgegengesetzt.
Ein Anschluss 17 ist an einem äußeren Umfangsende des Flanschabschnittes 11b angebracht
und mit der Erregerspule 14 verbunden.
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Der
hierin benutzte Magnetkern definiert einen Magnetpfad mit einer
Magnetpfadlänge
von 1,75 cm, einer effektiven Schnittfläche von 0,237 cm2 und einem
Spalt t1 von 230 μm.
Die Erregerspule 14 weist 10 Wicklungen und einen Gleichstromwiderstand
von 23 mΩ auf.
Der Permanentmagnet 13 weist eine Dicke von 220 μm und eine
Schnittfläche von
50,5 mm2 auf. Somit ist der Permanentmagnet 13 größer in der
Schnittfläche
als der Magnetpfad des Magnetkernes.
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Wie
in 4 dargestellt ist, wird ein induktives Bauelement
als ein erstes Vergleichsbeispiel dargestellt, das einen Magnetkern
mit einem mittleren Beinabschnitt 18 und einem kreisförmigen Permanentmagnet 19 mit
einer Schnittfläche
von 23,8 mm2 im Wesentlichen ähnlich zu
dem des mittleren Beinabschnittes 18 aufweist. Zusätzlich wird
ein induktives Bauelement ohne Benutzung eines Permanentmagneten
vorbereitet.
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Für das induktive
Bauelement in 1 bis 3, das induktive
Bauelement in 4 und das induktive Bauelement
ohne Benutzung der magnetischen Vorspannung sind die Überlagerungsinduktanzeigenschaften
gemessen. Das Resultat ist in 5 gezeigt.
In 5 stellen eine durchgezogene Linie 21,
eine gestricheltes Linie 22 und eine durchgezogene Linie 23 die
Gleichstromüberlagerungsinduktanzeigenschaften
des induktiven Bauelementes in 1 bis 3,
des induktiven Bauelementes in 4 und des
induktiven Bauelementes ohne Benutzung der magnetischen Vorspannung
dar. Wie aus 5 ersichtlich ist, ist das induktive
Bauelement in 1 bis 3 in der
Gleichstromüberlagerungsinduktanzeigenschaft
um 23 Prozent oder mehr im Vergleich mit dem induktiven Bauelement
in 4 verbessert.
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In 6 ist
eine Modifikation des induktiven Bauelementes in 1 gezeigt.
Wie in der Figur dargestellt ist, weist der Permanentmagnet 13 einen kreisförmigen Schnitt
auf, wäh rend
der mittlere Beinabschnitt 11a des ersten Kernabschnittes 11 einen rechteckigen
Schnitt aufweist.
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Bezugnehmend
auf 7 und 8 wird eine Beschreibung eines
induktiven Bauelementes gemäß einer
zweiten Ausführungsform
dieser Erfindung gegeben. Teile ähnlich
in der Funktion zu jenen des in 1 bis 3 dargestellten
induktiven Bauelementes sind durch entsprechende Bezugszeichen bezeichnet
und die detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
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Der
in dieser Ausführungsform
benutzte Magnetkern definiert einen Magnetpfad mit einer Magnetpfadlänge von
1,75 cm, einer effektiven Schnittfläche von 0,237 cm2 und
einem Spalt t2 von 230 μm. Die
Erregerspule 14 weist 10 Wicklungen und einen Gleichstromwiderstand
von 23 mΩ auf.
Der Beinabschnitt 11a des ersten Kernteiles 11 weist
einen kreisförmigen
Abschnitt auf. Der Permanentmagnet 13 weist eine Dicke
von 220 μm
und eine recheckige Form (quadratische Form) mit einer Fläche von
30,35 mm2 auf.
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Für das induktive
Bauelement in 7 und 8, das induktive
Bauelement in 4 und das induktive Bauelement
ohne Benutzung der magnetischen Vorspannung sind die Gleichstromüberlagerungsinduktanzeigenschaften
gemessen. Das Resultat ist in 9 gezeigt.
In 9 stellen eine durchgezogene Linie 26,
eine gestrichelte Linie 27 und eine durchgezogene Linie 28 die
Gleichstromüberlagerungsinduktanzeigenschaften
des induktiven Bauelementes in 7 und 8,
des induktiven Bauelementes in 4 und des
induktiven Bauelementes ohne Benutzung der magnetischen Vorspannung dar.
Wie aus 9 ersichtlich ist, ist das induktive Bauelement
in 7 und 8 in der Gleichstromüberlagerungsinduktanzeigenschaft
um 8% oder mehr im Vergleich mit dem induktiven Bauelement in 4 verbessert.
Da weiter der Permanentmagnet 13 einen rechteckigen Schnitt
aufweist, ist es möglich,
wirksam das Material im Vergleich mit dem kreisförmigen Schnitt zu benutzen.
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In
jeder vorangehenden Ausführungsform weist
der Permanentmagnet 13 bevorzugt auf (1) mindesten ein
Harz, das aus Polyamidimidharz, Polyimidharz, Epoxydharz, Polyphenylensulfidharz,
Silikonharz, Polyesterharz, aromatisches Polyamidharz und Flüssigkristallpolymer
gewählt
ist, und (2) ein darin dispergiertes Seltenerdmagnetpulver mit einer
intrinsischen Koerzitivkraft von 796 kA/m (10 kOe) oder mehr, Tc
von 500°C
oder mehr und einer mittleren Teilchengröße von 2,5 bis 25 μm und mit
mindestens einem Metall beschichtet, das aus Zn, Al Bi, Ga, In, Mg,
Pb, Sb und Sn oder einer Legierung davon gewählt ist. Bevorzugt weist das
Harz einen Inhalt von 30% oder mehr im volumetrischen Verhältnis und
einen spezifischen Widerstand von 0,1 Ωcm oder mehr auf.
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Das
Seltenerdmagnetpulver bevorzugt weist eine Zusammensetzung von Sm
(Cobal.Fe0,15–0,25Cu0,05–0,06Zr0,02–0,03)7,0–8,5 auf.
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Bevorzugt
ist das Seltenerdmagnetpulver mit einem anorganischen Glas mit einem
Erweichungspunkt zwischen 220°C
und 550°C
beschichtet. Bevorzugt ist das Metall oder die Legierung, die das
Seltenerdmagnetpulver beschichten, weiter mit einer nichtmetallischen
anorganischen Verbindung mit einem Schmelzpunkt nicht niedriger
als 300°C
beschichtet. Der Betrag des Metalles oder der Legierung, des anorganischen
Glases oder einer Kombination des Metalles oder der Legierung und
der nichtmetallischen anorganischen Verbindung fällt bevorzugt in einen Bereich
zwischen 0,1 und 10% im Volumen.
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Während der
Herstellung des Permanentmagneten wird das Seltenerdmetallpulver
in einer Dickenrichtung in einem Magnetfeld von 25 T oder mehr so
orientiert, dass der Permanentmagnet mit einer magnetischen Anisotropie
versehen wird. Der Permanentmagnet weist wünschenswert eine mittlere Zentrallinienrauhigkeit
von 10 μm
oder weniger auf.
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Jedes
oben erwähnte
induktive Bauelement kann auf verschiedene Weisen modifiziert werden, wie
in 10A bis 10D dargestellt
ist. Teile mit ähnlichen
Funktionen sind mit entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet. Somit
kann die Form des ersten und des zweiten Kernteiles 11 und 12 als
auch die Form und die Größe des Permanentmagneten 13 auf
verschiedene Weise modifiziert werden.
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Bezugnehmend
auf 11 bis 13 wird die
Beschreibung eines induktiven Bauelementes gemäß einer dritten Ausführungsform
dieser Erfindung gegeben.
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Das
in 11 bis 13 dargestellte
induktive Bauelement ist auch zur Benutzung als eine Magnetvorrichtung
wie ein Transformator und ein Induktor ausgelegt. Das induktive
Bauelement weist einen Magnetkern auf, der aus einem ersten und
einem zweiten Kernteil 31 und 32 zusammengesetzt
ist, die einander zugewandt sind. Das erste Kernteil 31 weist einen
E-förmigen
Magnetkern mit einem zylindrischen Beinabschnitt 31a an
seinem Zentrum auf. Das zweite Kernteil 32 weist einen
I-förmigen
Magnetkern mit einem plattenartigen Abschnitt 32a auf, der
einem Ende des Beinabschnittes 31a durch einen magnetischen
Spalt zugewandt ist. Das erste Kernteil 31 weist einen
Flanschabschnitt 31b, der sich radial nach außen von
dem anderen Ende des Beinabschnittes 31a erstreckt, und
ein paar von Seitenplattenabschnitten 31c, die sich von
gegenüberliegenden
Enden des Flanschabschnittes 31b parallel zu dem Beinabschnitt 31a erstrecken
und mit dem plattenartigen Abschnitt 32a verbunden sind,
auf.
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An
den magnetischen Spalt ist ein Permanentmagnet 33 angepasst.
Zwischen dem Beinabschnitt 31a und den Seitenplattenabschnitten 31c ist eine
Erregerspule 34 zum Umgeben des Beinabschnittes 31a angeordnet.
Der Permanentmagnet 33 ist so angeordnet, dass ein von
dem Permanentmagnet 33 erzeugtes Magnetfeld 36 entgegengesetzt oder
umgekehrt zu einem Magnetfeld 35 ist, das von der Erregerspule 34 erzeugt
wird. Somit sind das Magnetfeld 36 von dem Permanentmagnet 33 und
das Magnetfeld 35 durch die Erregerspule 34 entgegengesetzt
zueinander.
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Eine
Isolierbasis 36 ist an dem plattenartigen Abschnitt 32 angebracht.
Die Isolierbasis 36 ist ein Produkt aus einem gegossenen
Harz. Die Erregerspule 34 weist einen Abschnitt 34a auf,
der sich auf oder über
der Isolierbasis 36 erstreckt, so dass er als ein Anschluss
dient, der im Stand der Technik bekannt ist.
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Das
erste und das zweite Kernteil 31 und 32 sind aus
Mn-Zn-Ferrit hergestellt
und definieren einen Magnetpfad mit einer Magnetpfadlänge 12,3
mm und einer effektiven Schnittfläche, d. h. einer Schnittfläche des
Beinabschnittes 31a von 8,0 mm2.
Der Magnetpfad weist einen magnetischen Spalt t3 gleich zu 200 μm auf. Der
Permanentmagnet 33 weist eine Scheibenform mit einer Dicke
von 150 μm
und einen Durchmesser von 5 mm auf. Daher ist der Permanentmagnet 33 in
der Schnittfläche
größer als
der Magnetpfad des Magnetkernes. Die Erregerspule 34 weist
drei Wicklungen auf.
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Ein
Vergleich wird nun zwischen dem induktiven Bauelement in 11 bis 13 und
dem induktiven Bauelement in 1 bis 3 gegeben. Der
Beinabschnitt 31a, der Flanschabschnitt 31b, die Seitenplattenabschnitte 31c,
der plattenartige Abschnitt 32a, der Permanentmagnet 33 und
die Erregerspule entsprechen dem Beinabschnitt 11a, dem Flanschabschnitt 11b,
dem röhrenförmigen Abschnitt 12b,
dem plattenartigen Abschnitt 12a, dem Permanentmagnet 13 bzw.
der Erregerspule 14. Daher kann das induktive Bauelement
in 11 bis 13 auf
die Weise modifiziert werden ähnlich
zu jenen, die in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform
erwähnt
wurden.
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Als
ein zweites Vergleichsbeispiel ist ein in 14 dargestelltes
induktive Bauelement dargestellt. Bei dem induktiven Bauelement
in 14 ist der Permanentmagnet 33 durch einen
Permanentmagnet 43 mit einer Fläche (8,0 mm2)
gleich der des Beinabschnittes 31a des induktiven Bauelementes
in 11 bis 13 ersetzt.
Der Permanentmagnet 43 ist gleich in der Dicke zu dem Permanentmagnet 33.
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Als
ein drittes Vergleichsbeispiel ist ein in 15 dargestelltes
induktives Bauelement vorbereitet. Das in 15 dargestellte
induktive Bauelement weist nichts entsprechend oder äquivalent
zu dem Permanentmagnet 33 des induktiven Bauelementes in 11 bis 13 auf.
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Für die induktiven
Bauelemente in 11 bis 13, 14 und 15 sind
die Gleichstromüberlagerungsinduktionseigenschaften gemessen.
Das Resultat ist in 16 gezeigt. In 16 stellen
eine durchgezogene Linie 46, eine gestrichelte Linie 47 und
eine durchgezogene Linie 48 die Gleichstromüberlagerungsinduktionseigenschaften
der induktiven Bauelemente in 11 bis 13, 14 bzw. 15 dar.
Wie aus 16 ersichtlich ist, ist das
induktive Bauelement in 11 bis 13 in
der Gleichstromüberlagerungsinduktionseigenschaft
um 25% oder mehr im Vergleich mit dem induktiven Bauelement in 14 verbessert.