EP1864303B1

EP1864303B1 - Magnetkern

Info

Publication number: EP1864303B1
Application number: EP06723305A
Authority: EP
Inventors: Wulf GÜNTHER
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2006-03-09
Publication date: 2012-05-02
Anticipated expiration: 2026-03-09
Also published as: US7782169B2; WO2006102972A1; US20080074220A1; DE102005015006B4; EP1864303A1; DE102005015006A1; ATE556418T1

Description

Die Erfindung betrifft Magnetkerne für induktive Bauelemente nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Derartige Magnetkerne sind beispielsweise aus der US 3 543 249A bekannt.
Magnetkerne werden für viele leistungsfähige induktive Bauelemente benötigt, beispielsweise für Übertrager, Transformatoren, Elektromotoren, Elektromagneten und Antennen. Magnetkerne aus weichmagnetischen Materialien dienen dazu, den magnetischen Fluss zu bündeln und zu richten und somit effektiv zu führen.
Eine besondere Bauform und auch Gegenstand der Erfindung sind Kerne mit Luftspalt, bei denen der magnetische Fluss also mindestens einmal innerhalb des magnetischen Kreises das Magnetmaterial verlässt. Bei geschlitzten Ringband-, Ovalband-, Rechteckkernen o.ä. ist der Luftspalt gegenüber der sich im Magnetmaterial befindlichen so genannten Eisenweglänge klein, entsprechend muss der magnetische Pfad im Magnetmaterial und damit der Kern gekrümmt sein.
Bei Stabkernen ist der Magnetkern langgestreckt, der magnetische Fluss tritt zumindest teilweise aus den Stabenden aus und wird durch die Umgebung zurückgeführt, hier ist die Weglänge im nichtmagnetischen Medium (z.B. Luft) länger als im Magnetmaterial. Daneben sind weitere Mischformen bekannt (z.B. U-Kexne). Bei allen diesen Formen tritt der Fluss nicht nur an den Kernenden (dem Luftspalt zugewandt) aus, sondern auch an den Seiten. Bei der hier betrachteten Realisierung des Kerns aus langgestreckten blech- oder faserförmigen Elementen tritt damit Fluss nicht nur aus den Stirnseiten der Elemente aus, sondern auch aus den Seitenflächen, was im Vergleich zu den bekannten massiven, isotropen Magnetmaterialien zu zusätzlichen Problemen führt.
Die Erfindung betrifft damit alle offenen (der magnetische Fluss tritt mindestens einmal aus dem Magnetmaterial aus) Magnetkerne aus laminierten Magnetelementen. Wegen der einfachen Darstellbarkeit und größten Relevanz werden im Folgenden vor allem Stabkerne betrachtet. Die Ausführungen können z.B. auf geschlitzte Ringbandkerne transformiert werden, indem der Stabkern so gekrümmt wird, dass sich die Stabenden gegenüber stehen. Stabkerne werden beispielsweise als Antennenkern benutzt. Durch sie wird der magnetische Fluss sowohl in Sendeals auch Empfangsantennen effektiver gebündelt als in Luftspulen.
Eine solche effektive Wirkung eines Magnetkerns in Verbindung mit einer ihn umgebenden Wicklung ist beispielsweise für die Erzielung einer optimierten Sende- oder Empfangsleistung notwendig. Dies kann beispielsweise zur Übertragung von Information, jedoch auch zur Übertragung von Energie notwendig sein. Entsprechende induktive Bauelemente sind nämlich sowohl bei Diebstahlsicherungs-, Identifikations- und Zugangssystemen zum Informationsaustausch über Entfernungen von ca. 5 m eingesetzt, als auch zur induktiven Energieübertragung, beispielsweise Batterieladung (vergleiche GB 2388715 A ) oder zur Energieversorgung von Sensoren oder Aktoren (vergleiche US 3938018 ).
Für eine Funktionsoptimierung eines derartigen induktiven Elementes, insbesondere Optimierung der übertragenen Leistung ist das Design der Antenne und ihre Ansteuerung entscheidend. Im Bereich der Antenne, die wenigstens einen Magnetkern und eine Wicklung aufweist, muss möglichst ein maximaler Fluss im Magnetkern erzeugt werden. Ummagnetisierungsverluste im Kern oder Verluste in den Antennenspulen durch ohmsche Leistung, Proximityeffekt usw. sind zu minimieren, um im Ergebnis den Wirkungsgrad zu optimieren. Speziell Ummagnetisierungsverluste würden außer zu einer Verringerung der Übertragungsleistung auch zu einer Eigenerwärmung des Magnetkerns führen, was zu Schädigungen der Wicklung oder anderer Bauelemente in seiner Umgebung führen kann.
Ein derartiger Magnetkern, wie er für eine Antenne benötigt wird, ist üblicherweise als Stabkern in Form eines Quaders aufgebaut, der von einer oder mehreren Spulen umgeben ist. Der Fluss tritt zum größten Teil aus den Stirnflächen in Richtung der Längsachse des Quaders aus, jedoch teilweise auch aus den Seitenflächen und besonders an den Kanten der Kernenden. In diesen Bereichen der Ecken und Kanten am Kernende kommt es üblicherweise zu einer Flusskonzentration und damit einer Übersteuerung durch Sättigung. Es ist hierzu die Lösung bekannt, die Kanten abzuschrägen ( EP 762535 B1 ).
Aus dem Stand der Technik sind als Material für den Magnetkern beispielsweise Ferrite oder weichmagnetische Metalle bekannt. Derartige Materialien sind typisch homogen und i-sotrop, so dass die Permeabilität ein Skalar und kein Tensor 2. Stufe ist. Das bedeutet, dass der Fluss im Magnetkern sich gradlinig und entsprechend einem in Luft erwarteten Feldverlauf ausbreitet. Magnetkerne aus dünnen Lagen weichmagnetischer Bänder, wie sie oft für Kerne mit Luftspalt und neuerdings auch für Kerne von Antennen verwendet werden, weisen dagegen durch ihre Anisotropie hiervon abweichende Eigenschaften auf. Insbesondere was die Verluste durch Wirbelströme angeht, ergibt sich bei einem Fluss in Längsrichtung eines derartigen Bandes eine Verringerung der Wirbelstromstärke dadurch, dass senkrecht zur Flussrichtung durch die geringe Dicke des Bandes nur sehr eingeschränkter Raum zur Verfügung steht. Hierdurch können sich Wirbelströme nur sehr schwach ausprägen. Lediglich die senkrecht zur Flachseite eines derartigen magnetischen Bandes eintretenden magnetischen Flüsse können Wirbelströme in der Ebene des Bandes in wesentlichem Ausmaß erzeugen.
Typische Ummagnetisierungsverluste lassen sich in metallischem Material in dem hier zu betrachtenden Frequenzbereich, der beispielsweise zwischen 15 und 150 kHz liegt, durch die Formel: P ∼ B² f² d² beschreiben. (B = Induktionsamplitude, f = Frequenz, d = räumliche Ausdehnung, das heißt kleinster Durchmesser des Wirbelstrompfades). Die Analyse dieser Formel führt zu der Einsicht, dass einerseits die Induktionsamplitude möglichst gleichmäßig über den Kernquerschnitt verteilt werden muss und dass andererseits die Ausdehnung einzelner Magnetelemente senkrecht zum Flussverlauf möglichst gering sein sollte.
Zu einer Optimierung der Magnetkernausnutzung ist daher dafür Sorge zu tragen, dass ein größtmöglicher Teil des magnetischen Flusses sich innerhalb des Magnetkerns tatsächlich in Längsrichtung der Bänder oder auch entsprechender stabförmiger Magnetelemente ausbreitet. Dem entgegen wirkt der Effekt, dass in der oben erwähnten typischen quaderförmigen Kernform der magnetische Fluss nicht überall parallel zur Antennenachse verläuft. Beispielsweise treten bei einem typischen Dipolfeld auch in die Seitenflächen eines Magnetkerns Flusslinien ein, die dementsprechend Komponenten senkrecht zu einem Magnetelement in Form eines Magnetstreifens oder einem Magnetstabes beziehungsweise dessen Längsachse aufweisen und entsprechend höhere Verluste erzeugen.
Positiv wirkt zunächst, dass durch die Ausbildung von Luftspalten beziehungsweise Isolierlagen zwischen den einzelnen Magnetelementen der magnetische Fluss sich vorwiegend innerhalb des Kerns in einem einzelnen Magnetelement hält, was grundsätzlich erwünscht ist. Durch diesen Effekt ergibt sich jedoch wegen der in die Seitenflächen des Magnetkerns eintretenden Flusslinien, dass sich in den äußersten Lagen von Magnetelementen ein erhöhter Fluss ansammelt, was dort zu einer Übersteuerung durch Sättigung führen kann. Da die Ummagnetisierungsverluste von der Induktionsamplitude quadratisch abhängen und damit nicht linear sind, ergibt sich durch eine solche ungleichmäßige Flussverteilung über den Querschnitt des Magnetkerns eine vermeidbare Erhöhung der Verlustrate. Eine weitere Aufgabe ergibt sich daher daraus, den magnetischen Fluss möglichst gleichmäßig über den Querschnitt des Magnetkerns zu verteilen.
Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn durch das Vorhandensein von magnetisch aktiven Teilen in der Umgebung des Magnetkerns wie beispielsweise Metallbleche, die den magnetischen Fluss verdrängen können, oder weichmagnetische Werkstoffe, die den magnetischen Fluss anziehen, eine asymmetrische Ausprägung des magnetischen Flusses entsteht. Auch einer derartigen asymmetrischen Ausprägung inner- und außerhalb des Kerns soll durch eine entsprechende Gestaltung des Magnetkerns Rechnung getragen werden.
In Ferriten ergeben sich solche Anisotropieeffekte einerseits wegen der Isotropie des Materials nicht, andererseits sind überhaupt Ummagnetisierungsverluste durch Wirbelströme wegen des hohen spezifischen ohmschen Widerstands nicht besonders ausgeprägt. In Ansehung des oben Dargelegten liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde einen Magnetkern zu schaffen, der besonders leistungsfähig in Bezug auf die Vermeidung von Wirbelstromverlusten beziehungsweise Ummagnetisierungsverlusten und auf eine gleichmäßige Verteilung des Flusses zur Vermeidung von Sättigungseffekten ausgelegt ist.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Magnetkern zu schaffen,
die eine besonders effektive Verwendung als induktives Element für eine Antenne oder ähnliches Bauelement erlaubt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Magnetkern gemäß Patentanspruch 1 beziehungsweise Anordnungen gemäß den Patentansprüchen 15 bis 18.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl Wirbelstromverluste effektiv begrenzt werden können, als auch die Flussverteilung auf die verschiedenen Magnetelemente innerhalb eines Magnetkerns optimiert werden kann, wenn die Elemente untereinander nicht gleich sind, d. h. wenn wenigstens eines der Magnetelemente sich von den übrigen durch Vorhandensein, Art und Lage von Einschnitten in die Magnetelemente unterscheidet.
Dabei bewirkt dieses Merkmal für sich allein schon eine Verbesserung. Besonders wirksam ist jedoch die Kombination mit eins, zwei, drei oder vier der Merkmale Materialpermeabilität, Krümmung, Länge, Form und/oder Größe der Querschnittsfläche, in einem Magnetkern. Die Magnetelementen können dabei lose aneinandergefügt sein, aber auch beilspielsweise durch Kleben ineinander befestigt sein. Erfindungsgemäße Magnetkerne und Anordnungen eignen sich für einen Frequenzbereich von 5 kHz bis 10 MHz, insbesondere von 15 kHz bis 150 kHz. In diesem Bereich werden die Vorteile der Erfindung auch besonders wirksam.
Wenn in einem Magnetkern die äußeren Magnetelemente, bei stabförmigen Elementen rundum die äußere Schicht, bei streifen- oder bandförmigen Elementen die beiden außenliegenden Bänder mit einer geringeren Materialpermeabilität versehen werden als die übrigen Bänder, so ziehen die zentral angeordneten Magnetelemente durch ihre höhere Permeabilität den eintretenden Fluss an. Hierdurch werden die durch die in die Seitenflächen des Magnetkerns schräg einfallenden Flusskomponenten überbelasteten äußeren Magnetelemente entlastet und dies führt insgesamt zu einer Vergleichmäßigung der Flussverteilung. Diese Gestaltung kann auch dahin abgeändert werden, dass von außen nach innen bei den einzelnen Magnetelementen die Materialpermeabilität kontinuierlich oder in Stufen ansteigt.
Werden in einem Magnetkern außen kürzere Magnetelemente verwendet als im Zentralbereich, so treffen die seitlich in den Magnetkern eintretenden Flusslinien nur teilweise die äußersten Magnetelemente und teilweise, dort wo die inneren Magnetelemente länger sind als die äußeren, auf weiter innen liegende Magnetelemente. Dies führt dazu, dass insbesondere die schräg einfallenden Flusskomponenten sich auf mehrere Magnetelemente verteilen und nicht ausschließlich in den äußeren Magnetelementen auftreten. Auch durch diese Maßnahme wird die Flussverteilung auf den Querschnitt des Magnetkerns vergleichmäßigt. Eventuell auftretende Wirbelstromverluste werden gleichmäßiger auf den Querschnitt verteilt, so dass auch eine eventuell eintretende Erwärmung sich gleichmäßig über den Magnetkern verteilt. Seitwärts in den Kern eintretender Fluss kann außerdem statt in die Fläche von blechförmigen Elementen in die Stirnseiten der verkürzten Elemente eintreten, sodass damit die Wirbelstromverluste abgesenkt werden. Sinnvollerweise werden die Magnetelemente so angeordnet, dass die äußeren verkürzten Magnetelemente des Bündels symmetrisch an beiden Enden hinter den Enden der zentral angeordneten Magnetelemente zurückbleiben. Es kann auch vorgesehen sein, dass nicht nur die äußersten Magnetelemente verkürzt sind, sondern dass von innen nach außen beziehungsweise vom Zentrum zu einer Seite bei bandförmigen Magnetelementen oder zu beiden Seiten eine stetige Verkürzung der Magnetelemente vorgesehen ist.
Aus der US 2003/000 5570 ist ein Magnetkern bekannt, der aus bandförmigen Magnetelementen besteht, die unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Diese Maßnahme ist dort jedoch nicht mit einer Verbesserung der Verlustleistung in Zusammenhang gebracht und es handelt sich dort um einen Jochkörper für einen Transformator, wobei die Magnetelemente zudem nicht in der Länge, sondern der Breite differieren.
In der WO 03/096361 A1 und GB 2399227 A wird auf das Problem hingewiesen, dass die mittlere Flussdichte in der Kernmitte wegen des an den Enden seitlich eintretenden Flusses am höchsten ist. Dem soll begegnet werden, indem der Kernquerschnitt durch geeignetes Falten des Kernmaterials in der Mitte vergrößert wird, was im Ergebnis auch einer Verkürzung einzelner Bandlagen entspricht. Da dort auf die hier ausgearbeiteten Konsequenzen auf die Flussverteilung über den Querschnitt und insbesondere die Wirbelströme keine Rücksicht genommen wird, sind die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht ausreichend, um das der Erfindung zu Grunde liegende Problem hinreichend zu lösen. Die vorgeschlagene Falttechnik schafft sogar weitere Probleme: Zur Vermeidung von Wirbelströmen wird erfindungsgemäß verlangt, dass der Fluss an den Stirn- und Seitenkanten eintritt. Diese werden aber in den genannten Schriften geknickt, d.h. der effektive Wirbelstrompfad mindestens verdoppelt, was zu einer unerwünschten Erhöhung der Wirbelströme führt.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die äußeren der Magnetelemente (bei stabförmigen Magnetelementen die radial äußerste Schicht, bei streifenförmigen Magnetelementen die beiden äu-βeren Lagen) von der mittleren Längsachse des Magnetkerns an ihren Enden weggekrümmt sind.
Dies hat zur Folge, dass der Magnetkern besonders gut an den typisch fächerförmigen Flussverlauf eines Dipolfeldes außerhalb des Magnetkerns angepasst ist. Schräg in die Stirnseite des Magnetkerns eintretende Flusslinien treffen nahezu senkrecht auf die Stirnseiten der fächerförmig aufgeweiteten Magnetelemente, wenn diese wie üblich Quader- oder Zylinderform aufweisen. Dies hat, wie oben beschrieben, vorteilhafte Auswirkungen auf die Verringerung von Wirbelstromverlusten und auf eine gleichmäßige Verteilung der Flussdichte über den Querschnitt des Magnetkerns.
Der Magnetkern kann dabei so gestaltet sein, dass lediglich die äußere Lage der Magnetelemente entsprechend gekrümmt ist, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass von der äußeren Lage zum Zentrum hin die einzelnen Magnetelemente eine geringer werdende Krümmung von der Längsachse weg aufweisen, so dass sich in einem Längsschnitt ein typisch fächerförmiger Verlauf der Magnetelemente ergibt, entweder in drei Dimensionen bei stabförmigen Magnetelementen oder in nur zwei Dimensionen bei streifen- oder bandförmigen Magnetelementen.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Magnetelemente in der äußersten Lage beziehungsweise in größter Entfernung von der mittleren Längsachse des Magnetkerns dünner oder mit geringerer Querschnittsfläche ausgebildet sind als die zentralen Magnetelemente des Magnetkerns. Auch hierbei kann einerseits vorgesehen sein, dass nur die äußersten Magnetelemente sich von den übrigen im Bezug auf die Dicke oder den Querschnitt unterscheiden oder auch andererseits, dass von außen nach innen ein stufenweiser oder mehr oder weniger kontinuierlicher Anstieg der Dicke der einzelnen Magnetelemente vorgesehen ist.
In der Folge sollen einige Beispiele für Kombinationen von Merkmalen, die der Patentanspruch 1 vorsehen kann, aufgezählt werden, ohne dass dies bedeuten soll, dass nicht aufgezählte Kombinationen nicht vorteilhaft wären.
Es können in einem Magnetkern die äußeren Magnetelemente eine geringere Materialpermeabilität aufweisen als die inneren und gleichzeitig an ihren Enden nach außen gekrümmt sein.
Es kann auch bei einer nach außen abnehmenden Materialpermeabilität vorgesehen sein, dass lediglich die Länge der Magnetelemente nach außen hin abnimmt. Gleichzeitig kann auch wahlweise die Dicke der einzelnen Magnetelemente nach außen hin abnehmen.
Vorteilhaft ist auch, wenn die äußeren Magnetelemente bei geringer werdender Dicke eine zunehmende Krümmung nach außen hin aufweisen.
Beim Zusammenbau von erfindungsgemäßen Magnetkernen aus den Magnetelementen können beispielsweise dünne Bandleiter, die als nanokristalline weichmagnetische Materialien vorliegen und beispielsweise auch in Rascherstarrungstechnologie hergestellt sein können, mit entsprechend unterschiedlichen Merkmalen auf Lager gehalten werden. Beim Zusammenbau werden dann unterschiedliche Magnetelemente in Bezug auf Materialpermeabilität, Dicke und Länge zusammengebaut. Es können auch bereits vorgekrümmte Magnetelemente vorrätig gehalten werden.
Bei der Krümmung der Enden von Magnetelementen kann jedoch auch vorgesehen sein, nach dem Zusammenbau eines Magnetkerns die äußeren Magnetelemente an ihren Enden durch ein Werkzeug aufzufächern und dadurch eine entsprechende Krümmung von der Längsachse weg zu erzeugen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Insbesondere können die genannten Merkmale in einem Magnetkern auch unsymmetrisch verteilt sein, um entsprechenden Umgebungsbedingungen, die eine unsymmetrische Flussverteilung hervorrufen, Rechnung zu tragen.
Beispielsweise kann auch eine Hälfte eines Magnetkerns in Bezug auf alle Merkmale homogen aufgebaut sein, während die andere Hälfte gemäß der Erfindung inhomogen gestaltet ist.
Einen weiteren Vorteil hat die Reduzierung der effektiven Bandbreite in Gebieten, in denen Flusskomponenten senkrecht in die Bandlagen eintreten. Für diese Komponenten ist nicht die Banddicke für die Ummagnetisierungsverluste maßgeblich, sondern die Breite, die dann auch in der weiter oben angegebenen Formel für die Verluste für die Bandbreite eingesetzt werden muss. Für die gewünschte Wirkung genügt die Unterbrechung der Wirbelstrompfade, d.h. im einfachsten Fall ein Einschneiden der Bandlagen parallel zur Bandlängsachse. Idealer, aber technisch schwieriger ist das Einschneiden genau entlang der Feldlinien, d.h. schräg von der Bandmittelachse weg.
Aus der Verlustformel folgt, dass die Verringerung der Verluste besonders effektiv ist, wenn die resultierende Bandbreite klein ist, technisch realisierbar z.B. in der Größenordnung 0,3-2 mm. Eine spürbare Verringerung erzielt man aber auch schon, wenn z.B. ein 12 mm breiter Streifen gedrittelt wird. Das Verbesserungspotenzial steigt mit wachsender Frequenz: bei z.B. 10 kHz wird bei gleicher Unterteilung ein geringerer Nutzen erzielt als bei z.B. 1 MHz.
Den größten Gewinn bringt diese Methode in Bereichen mit merklichen Flusskomponenten senkrecht zur Bandfläche, d.h. an den Streifenenden der äußersten Bandlagen. Es genügt also, nur wenige äußere oder sogar nur die äußersten Bandlagen von den Enden her einzuschneiden. Technologisch kann es aber günstiger sein, alle Bandlagen und/oder auf der gesamten Länge zu schneiden. Dadurch entsteht kein Nachteil.
Die Unterteilung kann neben Einschneiden auch durch Einsägen, Ätzen, Erodieren etc. geschehen. Diese Maßnahme kann natürlich mit allen anderen genannten Maßnahmen beliebig kombiniert werden.
Wird ein induktives Element mit dem erfindungsgemäßen Magnetkern und einer Spule in Form einer Wicklung aufgebaut, so kann der erfindungsgemäße Effekt dadurch verstärkt werden, dass die Wicklungsdichte zu wenigstens einem der Enden des Magnetkerns hin zunimmt und/oder die Wicklung sich über eines der Enden des Magnetkerns hinaus erstreckt. Durch jede dieser Maßnahmen wird der den Magnetkern durchsetzende Fluss am Ende des Magnetkerns gebündelt und in Längsrichtung gerichtet, so dass der Anteil von schräg durch die Seitenflächen des Magnetkerns ein- oder austretenden Flusslinien verringert wird. Insbesondere am Ende einer Wicklung treten, wenn der Magnetkern über diese hinausreicht, besonders viele Flusslinien schräg durch die Seitenflächen des Magnetkerns aus oder ein. Dies kann durch die genannten Merkmale zielgerichtet verhindert werden.
In einer Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Magnetkern und anderen magnetisch aktiven Teilen, die die Verteilung des magnetischen Flusses im Umgebungsbereich des Magnetkerns asymmetrisch verändern, ist vorteilhaft vorgesehen, dass eine asymmetrische Variante des Magnetkerns gestaltet und in Bezug auf das asymmetrische Magnetfeld so angeordnet wird, dass einerseits der Eintritt von Flusslinien durch seitliche Begrenzungsflächen des Magnetkerns minimiert und andererseits die Verteilung des Flusses auf den Querschnitt des Magnetkerns insgesamt möglichst vergleichmäßigt wird. Dies ist beispielsweise in Anordnungen der Fall, wo eine Sende- und eine Empfangsantenne sich in geringem Abstand gegenüber stehen, um über einen Luftspalt Energie beispielsweise zum Aufladen eines Akkus zu übertragen. Der resultierende magnetische Feldverlauf ist hoch unsymmetrisch und dieser Tatsache kann durch die beschriebene Ausgestaltung Rechnung getragen werden.
Im Fall einer stark asymmetrischen Feldgestaltung kann auch vorgesehen sein, einen aus band- oder streifenförmigen Magnetelementen bestehenden Magnetkern derart anzuordnen, dass die schräg auf einer Seite des Magnetkerns in dessen Seitenflächen eintretenden Flusslinien auf die Schmalseiten der entsprechenden bandförmigen Magnetelemente treffen. Hierzu muss der Magnetkern lediglich so ausgerichtet werden, dass die Grenzflächen zwischen den bandförmigen Magnetelementen parallel zu den einfallenden Flusslinien ausgerichtet werden.
Die in den Magnetelementen hervorgerufenen Wirbelströme finden bei dieser Eintrittsrichtung wegen der geringen Dicke der Magnetelemente nur sehr wenig Raum (vergleiche oben genannte Formel, d entspricht der Dicke der Bänder) und somit werden Wirbelstromverluste effektiv begrenzt.
Neben dieser Ausgestaltung der Anordnung können natürlich wahlweise auch die Merkmale aus Patentanspruch 1 einzeln oder gemeinsam erfüllt sein. Es sei jedoch angemerkt, dass auch durch ausschließliche Anwendung einer derartigen Positionierung ohne die Erfüllung der Merkmale des Patentanspruchs 1 schon ein Vorteil in Bezug auf die erfindungsgemäße Aufgabe erzielt wird.
Im übrigen kann auch für sich allein oder im Zusammenhang mit den in Patentanspruch 1 aufgezählten Merkmalen vorgesehen sein, dass die einzelnen Magnetelemente eines Magnetkerns einen über ihre Länge variierenden Querschnitt aufweisen. Insbesondere bei bandförmigen Magnetelementen können diese zu den Enden hin dicker werden.
Dadurch wirken die verdickten Enden als eine Art Polschuh, durch den vermehrt Flusslinien in das jeweilige Magnetelement eintreten. Derart an den Enden verdickte Magnetelemente können insbesondere im inneren Bereich eines Magnetkerns angeordnet sein, um in diesem Bereich besonders viele Flusslinien einzufangen und somit die Flussdichte zu vergleichsmäßigen, da im Außenbereich die Magnetelemente, wie oben beschrieben, zusätzlich die schräg einlaufenden Flusslinien einfangen.
Es kann in diesem Zusammenhang auch vorgesehen sein, dass die außenliegenden Magnetelemente an ihren Enden verdünnt sind, so dass sich im Ganzen ein quaderförmiger Querschnitt des Magnetkerns ergibt.
Die beschriebene Verdickung von einzelnen Magnetelementen kann insbesondere bei einer Auffächerung der Enden, wenn diese von der Längsachse des Magnetkerns weggekrümmt sind, problemlos vorgesehen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert Es zeigt:

Figur 1: einen quaderförmigen laminierten Magnetkern,
Figur 2a: einen laminierten Magnetkern mit Wicklung und das ihn umgebende Feld,
Figur 2b: die Feldverteilung um einen Magnetkern mit einem benachbarten weichmagnetischen Körper,
Figur 2c: die Magnetverteilung um einen Magnetkern mit einem benachbarten nichtmagnetischen metallischen Körper,
Figur 2d: die Magnetverteilung um einen ringförmigen Magnetkern mit Spalt,
Figur 3a: den Flussverlauf am Rande eines isotropen Magnetkerns, z.B. Ferrit,
Figur 3b: den Flussverlauf am Rande eines laminierten Magnetkerns,
Figur 4: in einem Magnetelement verlaufende sowie aus dem Element austretende Flusslinien und entsprechende relevante Wirbelstrompfade,
Figuren 5a, 5b: je einen laminierten Kern mit verkürzten Magnetelementen,
Figuren 6a, 6b: je einen Magnetkern mit gekrümmten Magnetelementen,
Figur 7a: einen Magnetkern mit unterschiedlich dicken Magnetelementen,
Figur 7b: einen Magnetkern mit an ihren Enden verdickten Magnetelementen,
Figur 8a: einen Magnetkern mit Magnetelementen, die Einschnitte tragen,
Figur 8b: einen Magnetkern mit Magnetelementen, die durchgehende Einschnitte tragen,
Figur 9: einen Magnetkern mit einer an einem Ende über diesen hinausgehenden und am anderen Ende gerafften Wicklung,
Figuren 10a, 10b: die unterschiedlichen Verhältnisse beim Flussaustritt aus einem laminierten Körper in zwei gegeneinander verdrehten Orientierungen relativ zum asymmetrischen äußeren.

Figur 1 zeigt einen Magnetkern 1, der als Laminat aus vielen rechteckigen, gleich großen, streifenförmigen Magnetelementen 2 bis 8 hergestellt ist, die beispielsweise unter Zwischenlage von dünnen Kunststoffschichten mittels Klebstoff verbunden werden.
Die einzelnen Magnetelemente 2 bis 8 können beispielsweise aus einem amorphen oder nanokristallinen metallischen Material mit weichmagnetischen Eigenschaften bestehen, aus dem sich hochleistungsfähige Magneten herstellen lassen.
Derartige Magnetkerne können zur Bildung von induktiven Bauelementen beispielsweise unter Verwendung einer diese umgebenden Wicklung eingesetzt werden. Insbesondere als Bauteil für eine Antenne zur Informationsübermittlung oder zur Übertragung von Energie können derartige leistungsfähige Magnetkerne dienen.
Figur 2a zeigt diesbezüglich schematisch einen einfachen Aufbau mit einem Magnetkern 1', der von einer Wicklung 9 mit den beiden Anschlüssen 10, 11 umgeben ist. Außerdem sind die Flusslinien 12, 13, 14 eingezeichnet, die dem Verlauf eines normalen magnetischen Dipolfeldes entsprechen. Zusätzlich ist die Längsachse 15 des Magnetkerns eingetragen.
In der Figur 2b ist derselbe Magnetkern 1' dargestellt, wobei die laminierte Bauweise nicht gesondert angezeigt ist, und wobei neben dem Magnetkern auf dessen linker Seite ein weiterer weichmagnetischer Körper 16 mit hoher Permeabilität eingezeichnet ist, der den magnetischen Fluss anzieht. Somit ergibt sich, wenn man den Verlauf der Flusslinien betrachtet, ein asymmetrischer Feldverlauf, der in der Figur 2b gezeigt ist. Es führen mehr Flusslinien vom dem Magnetkern 1' nach links als zur rechten Seite, da der Magnetkreis im wesentlichen links von dem Magnetkern 1' über den magnetischen Luftspalt und den weichmagnetischen Körper geschlossen wird.
Figur 2c zeigt den Magnetkern 1' in einer Anordnung mit einer unmagnetischen Metallplatte 17, die den magnetischen Fluss wegen der im metallischen Körper induzierten Wirbelströme, die dem Magnetfeld entgegenwirken, verdrängt. Entsprechend schließen sich die Flusslinien 18 bevorzugt über die rechte Seite des Magnetkerns 1' über den Luftspalt.
In den Fällen gemäß Figur 2b und 2c findet im Bereich des Magnetkerns 1 eine unsymmetrische Verteilung der Flusslinien statt. Dies hat grundsätzlich bei einem laminiert aufgebauten Magnetkern auch die Folge, dass die einzelnen Magnetelemente den Fluss in unterschiedlicher Intensität führen. Die Effektivität kann hier dadurch gesteigert werden, dass der Magnetkern analog Figur 10b so gedreht wird, dass die Bandagen parallel zur Zeichenebene verlaufen.
Figur 2d zeigt den Magnetkern 1' in einer ringförmigen Ausgestaltung mit einem Spalt, in dessen Nachbarschaft Flusslinien 19 aus dem Kernmaterial austreten.
Figur 3a zeigt bei einem massiv aufgebauten Magnetkern 20 z.B. einen Ferritkern schematisch den Austritt von Flusslinien 21, 22, 23 und 24. Wie deutlich zu erkennen ist, treten die meisten Flusslinien 21, 22 durch die Stirnseite 25 des Magnetkerns 20 aus. Wegen der in den Figuren 2a, 2b, 2c gezeigten typischen Feldverteilung treten jedoch einige der Flusslinien 23, 24 auch durch die Seitenflächen 26, 27 des Magnetkerns 20 aus. Innerhalb des Magnetkerns 20 werden die Flusslinien mit wachsendem Abstand von den Stirnseiten gebündelt und über den Kernquerschnitt gleichmäßig verteilt.
Figur 3b zeigt eine ähnliche Verteilung der Flusslinien bei einem Magnetkern 28, der aus einzelnen bandförmigen Magnetelementen 29, 30 aufgebaut ist. Es zeigt sich, dass im Außenbereich des Magnetkerns 28 die Verteilung der Flusslinien 31, 32 in etwa der Verteilung bei einem massiven Magnetkern wie in Figur 3a gezeigt entspricht.
Bei Analyse des Verlaufs der Flusslinien innerhalb der einzelnen Magnetelemente 29, 30 ergibt sich jedoch, dass wegen der Trennflächen zwischen den einzelnen Magnetelementen der Fluss nach dem Eintritt in eines der Magnetelemente die Tendenz hat, dort weiter zu verlaufen, ohne Trennflächen zu einem anderen Magnetelement zu überspringen. Dies führt dazu, dass die Flusslinien 31, 32, die außerhalb des Magnetkerns 28 getrennt sind, beide innerhalb des Magnetkerns 28 in einem einzigen Magnetelement 29 verlaufen. Dies ist ein Problem, das vor allem bei den äußersten Magnetelementen eines Magnetkerns auftritt, und das jedenfalls zu den zentralen Magnetelementen hin stark abnimmt. Es ergibt sich eine Übersteuerung beziehungsweise magnetische Sättigung der äußeren Magnetelemente, die durch die Erfindung vermieden werden soll.
Die in den Figuren 3a und 3b gezeigten Verläufe gelten auch für Ringkerne gemäß Figur 2d, sofern nur eine der Stirnseiten des Ringkerns betrachtet wird.
Anhand der Figur 4 soll dargestellt werden, inwieweit und auf welche Weise die innerhalb und in Längsrichtung eines Magnetelementes 29 verlaufenden Flusskomponenten 32 günstiger sind als die schräg zur Bandebene, insbesondere senkrecht zur Bandebene verlaufenden Komponenten der Flusslinien 31, die schräg in die Wandebene eintreten.
Die typisch durch Ummagnetisierung auftretenden Wirbelstromverluste werden jeweils durch den ringförmigen Fluss von elektrischen Strömen senkrecht zur Flussrichtung in dem Material hervorgerufen. Die Wirbelstrompfade, die in der Figur 4 mit 33, 34 bezeichnet sind, haben im wesentlichen Kreisform und der auftretende Verlust ist proportional zum Quadrat des für einen Wirbelstrompfad maximal zur Verfügung stehenden Durchmessers d', d".
Wie in der Figur 4 zu erkennen, steht bei den in der Bandebene verlaufenden Flusslinien 32 für entsprechende Wirbelstrompfade nur ein Durchmesser des Kreises 33 d' zur Verfügung, der maximal der Dicke des Magnetelementes 29 entspricht. Derartige Wirbelstromverluste lassen sich somit durch die Auswahl von dünnen Magnetelementen effektiv begrenzen. Hier stehen Magnetelemente in Band- oder Streifenform in Dicken bis unter 10 µm zur Verfügung. Typisch sind Dicken zwischen 10 und 30 µm.
Für Komponenten 31 von Flusslinien, die senkrecht zur Bandebene verlaufen, steht dagegen ein Wirbelstrompfad 34 in Kreisform mit einem großen Durchmesser d" zur Verfügung, der die gesamte Breite des Bandleiters 29 ausnutzen kann. Somit sind die Wirbelstromverluste von senkrecht zur Bandebene verlaufenden Flusskomponenten wegen deren quadratischer Abhängigkeit von d wesentlich größer als bei den längsverlaufenden Flüssen 32. Es zeigt sich somit, dass aus dem Bandmaterial austretender Fluss wegen der damit zwangsläufig verbundenen im Bandmaterial schräg verlaufende Flusskomponenten um Grö-βenordnungen größere Verluste verursachen als die längsverlaufenden Flusskomponenten mit Austritt aus den Stirnseiten.
Die verschiedenen Maßnahmen gemäß der Erfindung haben zum Ziel, den Fluss innerhalb des Magnetkerns im wesentlichen auf in diesem längs verlaufende Flussrichtungen zu konzentrieren und den Fluss auf die einzelnen Magnetelemente möglichst gleichmäßig zu verteilen. Hierzu zeigt Figur 5a einen Magnetkern 70 für ein symmetrisches Dipolfeld, bei dem die äußeren Bandlagen gegenüber den inneren verkürzt sind. Entsprechend schräg in den Kern einlaufende Flusslinien laufen daher nicht alle in die seitliche Begrenzungsfläche des äußersten Magnetelementes 35 ein, sondern teilweise auch in das zweitäußerste Magnetelement 36, dort wo es über das äußerste Magnetelement 35 übersteht. Die gleiche Verteilung zeigt sich auf der anderen Seite der Längsachse 37, so dass damit eine Vergleichmä-βigung der Verteilung der Flussdichte auf die verschiedenen Magnetelemente 35, 36 erreicht wird und insbesondere - anders als nach Stand der Technik in Figur 3b gezeigt - auch die schräg einfallenden Komponenten auf verschiedene Magnetelemente verteilt sind. Hierdurch ergibt sich auch eine effektive Verteilung der Verlustleistung und damit eine geringere Wahrscheinlichkeit von lokaler Überhitzung des Magnetkerns.
Figur 5b zeigt einen stufenförmigen Aufbau mit einem im Längsschnitt trapezförmigen Ansicht eines Magnetkerns 70', der dann sinnvoll ist, wenn der entsprechende Magnetkern in einem asymmetrischen Magnetfeld eingesetzt werden soll. Bei dem gezeigten Beispiel ist die Flussdichte oberhalb des Magnetkörpers wesentlich größer als unterhalb beispielsweise weil oberhalb des Magnetkörpers ein weichmagnetischer weiterer Körper positioniert ist, der nicht dargestellt ist.
Die Längenunterschiede zwischen den einzelnen Magnetelementen 35, 36 können über den gesamten Stapel eines Magnetkerns mehr als 5%, insbesondere auch mehr als 10% variieren.
Figur 6a zeigt eine Variante, bei der in einem Kern 80 von Magnetelementen 38, 39, 40 die Enden der Magnetelemente von der Längsachse 41 weggekrümmt sind. Dies erlaubt den Flusslinien 42, 43 einen Eintritt vorzugsweise in die Stirnflächen der Magnetelemente 38, 40, so dass dort der Fluss innerhalb des jeweiligen Magnetelementes zunächst in dessen Längsrichtung verläuft und entsprechend Wirbelstromverluste gering gehalten werden. Innerhalb des Magnetelementes folgt dann der Fluss im wesentlichen dessen Krümmung, so dass die Flusslinien mit den in der Mitte gebündelten Magnetelementen ebenfalls gebündelt werden.
Zeigt die Figur 6a eine derartige Gestaltung für einen symmetrischen Flusslinienverlauf, so ist in der Figur 6b eine optimierte Gestaltung für einen asymmetrischen Flusslinienverlauf dargestellt. Beispielsweise kann der Körper 44 eine nichtmagnetische Metallplatte sein, die den magnetischen Fluss verdrängt, so dass die Dichte des magnetischen Flusses oberhalb des Magnetkerns 80' größer ist als unterhalb. Das unterste Magnetelement 45 kann dann gerade ausgebildet sein, die darüber angeordneten Magnetelemente 46, 47 sind jeweils an ihren Enden von der Längsachse des Magnetkerns weg gekrümmt, um einen optimierten Eintritt der Flusslinien in die Magnetelemente zu erlauben.
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Ausgestaltung soll im Zusammenhang mit der Figur 1 erläutert werden, bei der gemäß dem Stand der Technik geometrisch gleichartig ausgeprägte Magnetelemente 2 bis 8 geschichtet sind.
Gemäß der Erfindung können diese Magnetelemente 2 bis 8 aber auch mit unterschiedlicher Materialpermeabilität ausgestattet sein, wobei entweder nur die äußersten, 2 und 8 mit einer verringerten Materialpermeabilität ausgestattet sind oder aber mehrere der Magnetelemente 2 bis 8 von innen nach außen mit absinkender Materialpermeabilität versehen sind. Die höchste Materialpermeabilität sollte im zentralen Bereich des Stapels erreicht sein, beispielsweise bei den Magnetelementen 4, 5 und 6. Die Unterschiede zwischen den Permeabilitäten (µmax - µmin) sollten über den gesamten Kern wenigstens 10%, vorzugsweise mehr als 100% bezogen auf die durchschnittliche Permeabilität betragen.
Durch diese Ausgestaltung ziehen die zentralen Magnetelemente wegen ihrer höheren Permeabilität den Fluss stärker an, so dass der Effekt, dass in die äußeren Magnetelemente zusätzlich der seitlich einfallende Fluss eingefangen wird, einigermaßen ausgeglichen wird. Dadurch kann eine gleichförmige Verteilung des Flusses auf den Querschnitt des Magnetkerns erreicht werden.
Figur 7a zeigt zur Erzielung optimierter magnetischer Eigenschaften einen Magnetkern, der aus Magnetelementen unterschiedlicher Dicke besteht, wobei die Dicke von innen nach außen abnimmt. Das äußerste Magnetelement 48 ist damit dünner als die übrigen Magnetelemente. Außer dem dort gezeigten symmetrischen Aufbau einer derartigen Dickenverteilung kann natürlich auch ein asymmetrischer Aufbau analog zu dem in Figur 5b und Figur 6b gezeigten vorgesehen werden.
Figur 7b zeigt eine Ausgestaltung eines Magnetkerns, bei dem an den Enden der Magnetelemente 49 jeweils Verdickungen 50, 51 an einem oder beiden Enden eines jeden Magnetelementes vorgesehen sind, um den Eintritt von Flusslinien zu erleichtern. Es kann auch vorgesehen sein, dass nur bestimmte der Magnetelemente entsprechende Verdickungen aufweisen, und zwar diejenigen Magnetelemente, in die der Fluss bevorzugt hineingelenkt werden soll, beispielsweise auch nur die zentral angeordneten Magnetelemente.
Außer der Konstruktion mit verdickten Enden 50, 51 kann auch vorgesehen sein, dass die Magnetelemente jeweils von ihrer Mitte bezüglich der Länge her nach den Enden hin stetig an Dicke zunehmen und dass in dem Stapel entsprechend auch Magnetelemente mit unterschiedlicher Kontur vorgesehen sind, um dies im Gesamtstapel auszugleichen und zu einem quaderförmigen Magnetkörper zu kommen. Dabei wären optimal die zu ihrem Ende hin dicker werdenden Magnetelemente in der Mitte des Stapels angeordnet während die zu ihren Enden hin dünner werdenden Magnetelemente in den äußeren Lagen vorgesehen werden sollten, um eine gleichmäßige Flussverteilung bei geringer Verlustleistung zu erzielen.
Die Figur 8a zeigt einen Stapel von Magnetelementen 52, 53, die einen Magnetkern 90 bilden, wobei in dem äußersten Magnetelement 52 Einschnitte 54, 55 vorgesehen sind, die das Magnetelement 52 senkrecht zu seiner Bandebene ganz durchsetzen. Durch diese Einschnitte wird die effektive Breite des Magnetelementes 52 für Wirbelströme von senkrechten Flusskomponenten (vgl. Figur 4) begrenzt, da jeweils nur noch die Zwischenräume 56, 57 zwischen den Einschnitten 54, 55 für einen Wirbelstrompfad zur Verfügung stehen und damit der Durchmesser der Wirbelstrompfade effektiv verringert ist.
Figur 8b zeigt eine Weiterentwicklung, bei der Einschnitte in Längsrichtung der Magnetelemente diese ganz durchsetzen, was hier zu einem Bündel von stabförmigen Magnetelementen beziehungsweise Magnetelementen geringerer Breite führt, die über- und nebeneinander angeordnet sind.
Figur 9 zeigt zwei Maßnahmen, die bei einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Magnetkern 58 und einer Wicklung 59 vorgesehen sein können. Da am Ende einer Wicklung, insbesondere wenn diese nicht mit dem Ende des Magnetkerns zusammenfällt, besonders viele Flusslinien seitlich aus dem Magnetkern austreten, ist dieser Bereich für die ungewollten Flusskomponenten senkrecht auf die Seitenflächen des Magnetkerns besonders kritisch. Es kann deshalb einerseits vorgesehen sein, wie dies am oberen Ende der gezeigten Spule 59 der Fall ist, die Wicklung über das Ende des Magnetkerns hinaus zu führen. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass der Magnetkern von einer Hülse umgeben ist, auf die die Wicklung aufgewickelt ist und die an beiden Enden oder an einem Ende des Magnetkerns über diesen übersteht.
Am unteren Ende der in der Figur 9 dargestellten Anordnung ist die Wicklung 59 stark gerafft, das heißt die Wicklungsdichte pro Längeneinheit in Längsrichtung des Magnetkerns ist dort stark erhöht. Vorteilhaft ist eine Erhöhung um wenigstens 10% der Wicklungsdichte. Die Wicklung endet an diesem unteren Ende an der Stirnseite des Magnetkerns. Durch die Raffung der Wicklung werden die in den Magnetkern verlaufenden Flusslinien besonders effektiv gebündelt, so dass das Austreten von schrägen Feldkomponenten an den Kanten der Stirnfläche des Magnetkerns reduziert wird. Die Figur 9 ist exemplarisch zu verstehen und es versteht sich, dass beide Maßnahmen, Raffung der Wicklung und das Überstehen der Wicklung über die Enden des Magnetkerns jeweils auch an beiden Enden des Magnetkerns angewendet und miteinander kombiniert werden können. Diese beiden Maßnahmen können im übrigen auch unabhängig von den im Anspruch 1 genannten Maßnahmen vorteilhaft sein.
Figur 10a zeigt eine Grundplatte 60, die beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen Metall besteht, das nichtmagnetisch ist und die magnetischen Feldlinien verdrängt. Mit oder ohne Abstand zu dieser Platte kann ein Magnetkern 61 angeordnet werden, der aus bandförmigen Magnetelementen besteht, die flach auf der Platte 60 aufliegen beziehungsweise oberhalb der Platte parallel zu dieser angeordnet sind. Den Gesetzen des Magnetismus folgend wird der magnetische Fluss sich eher auf der von der Platte 60 abgewandten Seite des Magnetkerns 61 schließen, das heißt der Großteil der Flusslinien 62, 63 wird im Bogen aus dem Magnetkern 61 austreten und zwar aus der Zeichenebene heraus und nach oben. Dies führt zwangsläufig zu dem vermehrten Auftreten von Flusskomponenten senkrecht zur Ebene der bandförmigen Magnetelemente, was mit einer erhöhten Flussdichte bei den obersten Magnetelementen und einer Erhöhung der Wirbelstromverluste eben dort verbunden ist.
Erfindungsgemäß kann daher in einer solchen Anordnung gemäß Figur 10b vorgesehen sein, dass bei dieser geometrischen Konstellation die Bandebenen der magnetischen Elemente senkrecht zu der Platte 60 stehen, so dass die schräg auslaufenden Flusslinien 64, 65 keine Komponenten senkrecht zur Bandebene bilden, sondern nur Komponenten in der Bandebene, deren Wirbelstromverluste durch die geringe Dicke der einzelnen Magnetelemente begrenzt werden kann (vergleiche oben Erläuterungen zu Figur 4). Auch diese Maßnahme kann mit den übrigen anhand der Ausführungsbeispiele dargestellten Maßnahmen kombiniert werden.
Bei der Ausgestaltung gemäß Figur 10b kann die Stapelhöhe, das heißt die Ausdehnung des Magnetkerns senkrecht zu den Ebenen der bandförmigen Magnetelemente, größer sein als die Breite des Stapels, das heißt die Abmessungen des Kerns senkrecht zu dieser Richtung in Richtung der Breite der einzelnen Magnetelemente.

In der Folge werden noch einige Messergebnisse aus eigenen Messungen und aus der Literatur für drei Modellantennen dargelegt, deren Kerne aus 30 Lagen MgO-isolierten Streifen (im Mittel 15 cm lang, 12,5 mm breit, 20 µm dick) aus amorphem Co-Basis-Material (µ_i ca. 2000) bestanden. Die Wicklungszahl der Bewicklung lag um 60, wobei versucht wurde, eine Induktivität von ca. 110 µH bei 100 kHz beizubehalten. Eine Referenzantenne bestand entsprechend dem beschriebenen Stand der Technik aus rechteckigen gleichartigen Streifen. Bei einer asymmetrischen gerichteten Flussführung zwischen Sende- und Empfangsantenne, begünstigt durch die Kerne selbst und durch Abschirm- und Flussleitteile, wurde die Referenzanordnung entsprechend dem Stand der Technik so gewählt, dass der Fluss bevorzugt aus der Fläche der Bänder herausgeführt wurde. Die erfindungsgemäßen Antennen waren im Vergleich bis auf die jeweiligen beschriebenen Modifikationen soweit wie möglich gleich aufgebaut. Als Sendeantenne wurden die Antennen so angesteuert, dass bei 100 kHz eine räumlich gemittelte Aussteuerung von B^ = 100 mT, also ein Fluss von ca. 0,75 µWb erzeugt wurde. Angegeben sind jeweils die Güte der Antenne sowie die Leistungsaufnahme, wobei erstere zu maximieren und letztere zu minimieren ist. Als Empfangsantenne wurden die Antennen in das Feld einer Sendeantenne gebracht und die induzierte Spannung gemessen. Das Feld wurde durch eine Referenzantenne erzeugt, der Fluss in ihr betrug bei 100 kHz Φ^
= 1 µWb. Beide Antennen wurden nebeneinander, dabei zueinander parallel und zentriert mit einem Abstand beider Achsen von 20cm betrieben. Bei Verwendung von Aluminiumblech als Abschirmung befand sich dieses auf der der Sendeantenne abgewandten Seite.

Ausführung	Q	P [mW]	U_ind [mV/Wdg.]
Stand der Technik: Identische, flach aufeinandergestapelte Bänder, homogene Bewicklung über gesamte Länge	34	213	1.4

Dgl., Antenne liegt in 5mm Abstand (von Kernmitte aus gemessen) auf großflächigem Aluminiumblech	35	227	1.5
Drei aufeinanderliegende zentrierte Teilstapel, wobei innerer Teilstapel gegenüber der Referenz um 14% verlängert, die beiden äußeren Teilstapel um 7% verkürzt sind	40	169	1.7

Bandlagen sind vom Zentrum nach außen kontinuierlich verkürzt, wobei die inneren Bandlagen gegenüber der Referenz um 10% verlängert, die äußeren Bandlagen um 10% verkürzt sind	42	155	1.8

Gegenbeispiel: Drei aufeinandergestapelte zentrierte Pakete, wobei ein äußerer Teilstapel um 10% gegenüber der Referenz verlängert, der andere äußere Teilstapel um 10% verkürzt ist. Antenne liegt in 5 mm Abstand auf Alublech, mit dem kürzeren Bandpaket zum Blech	30	233	1.7

Dgl., erfindungsgemäß mit dem längeren Bandpaket zum Blech liegend	38	183	1.7
Drei aufeinanderliegende geometrisch gleiche Teilstapel, wobei innerer Teilstapel eine um einen Faktor 5 höhere Anfangspermeabilität als die äußeren Lagen (=Referenz) hat	34	210	1.8
Zwei aufeinanderliegende gleich lange Teilstapel, homogene Bewicklung verkürzt, so dass der Kern an beiden Enden 1 cm über Wicklungsende übersteht, die letzten 8 mm jedes Teilstapels sind um 60 - 90° nach außen gebogen	39	178	1.6
Wie Referenz flach aufeinandergestapelte Bänder; homogene Bewicklung über gesamte Länge; jedoch alle Streifen 2 cm von beiden Enden in drei gleich breite Spuren eingeschnitten	37	180	1.4

Dgl., jedoch nur die obersten und untersten 5 Streifen sind in der oben beschriebenen Weise eingeschnitten	36	187	1.4

Als Beispiel für den Stand der Technik wurde ein Antennenkern aus 200 Lagen Co-amorph-Band mit µ_i = 1800 und einer Dicke von 22 µm (damit ergibt sich unter Berücksichtigung einer dünnen Isolationsschicht und eines üblichen Band-Füllfaktors von 80% eine Stapelhöhe von ca. 6 mm), Breite 12.5 mm, Länge 300 mm aufgebaut. Der Kern wurde mit einer homogenen Bewicklung N = 20 versehen und in einem Abstand von 10 mm - von der Kernoberfläche aus gemessen - auf einem großflächigen Aluminiumblech gelagert, wobei die Bandebenen parallel zur Blechebene lagen. Damit erfolgt eine vorzugsweise Abstrahlung des Magnetfeldes von der Platte weg, verbunden mit einem erhöhten Flussaustritt aus den Bandflächen. Bei einer sinusförmigen Ansteuerung mit 70 kHz und einer mittleren Aussteuerung von 100 mT wurden eine Leistungsaufnahme von 4.5 W und eine Antennengüte von 35 gemessen. Die Leistungsaufnahme ist hierbei ein Maß für die Ummagnetisierungsverluste.
Durch Einschneiden der Bänder wird nun die effektive Bandbreite verringert. Besonders wirksam ist dies in den Bereichen, in denen Flusskomponenten senkrecht zur Bandoberfläche wirksam werden, also an den Enden der äußeren Bandlagen. Aus Gründen einer rationellen Fertigung können aber auch alle Bänder an den Enden oder durchgehend geteilt sein, wobei die Wirkung mit der Anzahl der Schnitte zunimmt. Als Beispiel hierfür wurden die Enden (3 cm) der unter Beispiel 1 genannten Antenne nach Stand der Technik entlang der Bandachse gedrittelt. Die Leistungsaufnahme sank auf 3.8 W, die Güte stieg auf 38.

Claims

Magnetkern (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) aus metallischer Legierung mit einer geraden oder gekrümmten Längsachse, parallel zu der ein magnetischer Fluss innerhalb des Magnetkerns im wesentlichen geführt werden soll, wobei der Magnetkern aus einer Mehrzahl von parallel zueinander stab- oder streifenförmig ausgebildeten Magnetelementen (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) sich von den übrigen durch Vorhandensein, Art und Lage von Einschnitten (54,55) in die Magnetelemente unterscheidet.
Magnetkern gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich mehreren der Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) in Abhängigkeit von ihrer Position innerhalb des Magnetkerns (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) von anderen Magnetelementen in Bezug auf Vorhandensein, Art und Lage von Einschnitten (54, 55) in die Magnetelemente unterscheiden.
Magnetkern nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) unter den übrigen Magnetelementen in Bezug auf den Querschnitt des Magnetkerns (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) bezüglich einer Mittelachse oder einer Mittelebene symmetrisch verteilt sind.
Magnetkern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von der in der Mitte des Magnetkerns (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) verlaufenden Längsachse aus gesehen zu wenigstens einer Seite hin die Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) mit steigendem Abstand
- eine abnehmende Materialpermeabilität und/oder

- eine abnehmende Länge und/oder

- eine steigende Krümmung von der Längsachse weg und/oder

- eine geringer werdende Dicke und/oder

- eine steigende Anzahl und/oder wachsende Tiefe von Einschlitten
aufweisen.
Magnetkern nach Anspruch 4, dadurch gekenntzeichnet, dass der Magnetkern (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80',
90) in Bezug auf eine Mittelebene, die die Längsachse (15, 37, 41) enthält, spiegelsymmetrisch aufgebaut ist.
Magnetkern nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (1, 1' , 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70' , 80, 80', 90) in Bezug auf seine Längsachse radial symmetrisch aufgebaut ist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die an einer oder mehreren Seitenflächen (26, 27) des Magnetkerns (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 80, 80', 90) gelegenen Magnetelemente von den übrigen Magnetelementen in Bezug auf wenigstens eines der genannten Merkmale unterscheiden.
Magnetkern nach Anspruch 7, dadurch gekenntzeichnet, dass zwischen den an den Seitenflächen des Magnetkerns (1, 1', 20, 28, 29, 58, 61, 70, 70', 80, 80', 90) gelegenen Magrietelemellten (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) und der Längsachse des Magnetkerns ein stetiger oder stufenweiser Übergang in Bezug auf das Ausmaß der Unterschiede bezüglich eines der genannten Merkmale vorgesehen ist.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnen, dass die unmittelbar an einer Seitenfläche des Magnetkerns gelegenen Magnetelemente (46, 47) an ihren Enden von der Längsachse des Magnetkerns weg gekrümmt sind.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (52) streifenförmig ausgebildet sind und dass wenigstens die äußeren Magnetelemente des Magnetkerns einen oder mehrere parallel zueinander verlaufende, das jeweilige Magnetelement vollständig durchsetzende Einschnitte (54, 55) aufweisen, die sich vom Ende des jeweiligen Magnetelementes in dieses hinein erstrecken und dieses der Breite nach unterteilen.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnen, dass die Magnetelemente (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 29, 30, 35, 36, 38, 39, 40, 48, 49, 52, 53) aus einem weichmagnetischen Werkstoff, insbesondere aus einem nanokristallinen Material oder aus einem durch Rascherstarrungstechnologie hergestellten glasartigen magnetischen Material bestehen.
Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Magnetelemente (49) zu ihren Enden (50, 51) hin eine vergrößerte Querschnittsfläche aufweisen und dass insbesondere andere der Magnetelemente zu ihren Enden hin eine verringerte Querschnittsfläche aufweisen.
Magnetkern nach Anspruch 12, dadurch gekenntzeichnet, dass diejenigen Magnetelemente, die zu ihren Enden hin vergrößerte Querschnittsflächen aufweisen, im Zentrum des Magnetkerne angeordnet sind, während an den Außenseiten des Magnetkerns Magnetelemente mit über ihre Länge gleichbleibender Querschnittsfläche oder sich zu den Enden hin verringernder Querschnittsfläche angeordnet sind.
Magnetkern nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Magnetelemente (2,3,4,5,6,7,8,29,30,35,36,38,39,40,48,49,52,53) sich von den übrigen durch eines oder mehrere der folgenden Merkmale unterscheidet :
- Material permeabilität

- Krümmung

- Länge

- Form und/oder Größe der Querschnittsfläche.
Anordnung mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 14 und mit einer diesen umgebenden elektrisch leitenden Wicklung (59), dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsdichte zu wenigstens einem der Enden des Magnetkerns (58) hin zunimmt.
Anordnung mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 14 und mit einer diesen umgebenden elektrisch leitenden Wicklung (59), dadurch gekenntzeichnet, dass die Wicklung (59) sich axial an wenigstens einem Ende des Magnetkerne über dessen Ende hinaus erstreckt.
Anordnung mit einem Magnetkern nach einem der Ansprüche 1 - 14 und mit einer diesen umgebenden elektrisch leitenden Wicklung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsdichte zu wenigstens einem Ende des Magnetkerns (58) hin zunimmt und dass die Wicklung (59) sich axial an wenigstens einem der Enden des Magnetkerns über dessen Ende hinaus erstreckt.
Anordnung mit einem Magnetkern, nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher magnetisch wirksamer Körper (16, 17, 44, 60) vorgesehen ist, durch dessen Anwesenheit der magnetische Fluss in den Magnetkern unsymmetrisch ein- und/oder austritt.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper ein elektrisch leitfähiger Körper (17) ist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (16) aus einem eine magnetische Permeabilität 1 aufweisenden Material besteht.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern so ausgebildet und angeordnet ist, dass der magnetische Fluss überwiegend an Kanten der magnetischen Elemente austritt.