EP2867906A1 - Induktives bauteil - Google Patents

Induktives bauteil

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EP2867906A1
EP2867906A1 EP13818687.9A EP13818687A EP2867906A1 EP 2867906 A1 EP2867906 A1 EP 2867906A1 EP 13818687 A EP13818687 A EP 13818687A EP 2867906 A1 EP2867906 A1 EP 2867906A1
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EP
European Patent Office
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permanent magnet
inductive component
core material
gap
magnetic
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EP13818687.9A
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EP2867906B1 (de
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Christof Gulden
Bruce Carsten
Stefan Herzog
Alexander Stadler
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Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
Original Assignee
Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
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Publication date
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Publication of EP2867906B1 publication Critical patent/EP2867906B1/de
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    • H01F1/057—Alloys characterised by their composition containing rare earth metals and magnetic transition metals, e.g. SmCo5 and IIIa elements, e.g. Nd2Fe14B
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    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F2027/348—Preventing eddy currents

Definitions

  • the invention relates to an inductive component
  • Inductive components having a magnetic circuit of magnetically soft core material and a coil wound around a portion of the core material are well-known throughout electrical engineering. Frequently, the magnetic circuit also has a gap extending from a first end free end of the core material to an opposite second end free end of the core material.
  • Such inductive components are used, for example, as a clamping ⁇ voltage regulator in the form of so-called buck converters or step-up converters.
  • buck converters or step-up converters.
  • boost converter is disclosed in the introduction to the description of DE 198 16 485 AI and the local figure 1.
  • Gap opposite to the field of the winding with permanent ⁇ magnetic material is filled.
  • the actual working range of the inductive component can be moved because the possible magnetic stroke, ie the maximum possible ⁇ magnetic induction change by the provision of the permanent magnetic material in the gap significantly increased.
  • the present invention aims to develop the known Indukti ⁇ vity with permanent magnet used for biasing so that on the one hand during operation eddy current losses are kept low, on the other hand, but also a simple production is guaranteed.
  • the inductive component according to the invention is essentially based on the fact that the Einzelpermanentmagnet Sharinge are stacked primarily and in a particular embodiment of the invention exclusively in one direction next to each other spaced where ⁇ in the one direction at least approximately orthogonal to the Y Direction is, that is, the direction given by the longitudinal extent of the gap in the magnetic circuit, which extends in the Y direction from a first end-side free end of the core material to an opposite second end of the core material.
  • the Einzelpermanentmagnet unitede are performed laminated, so as slats or strips, said individual slats or strips are each stacked spaced from each other in one direction.
  • a thin air is layer provided between the single permanent magnet pieces as an insulator, it lends itself to use any other insulator material, for example a plastic ⁇ layer, a paper layer, an adhesive layer or derglei ⁇ chen.
  • the height of the Einzelpermanentmagnet Age in the Y direction, ie in the longitudinal extent of the gap is greater than the width of the Einzelpermanentmagnet mixede in the stacking direction.
  • the ⁇ se width can be in the order of, for example 1mm.
  • the inductive construction ⁇ part has a further gap, in particular an air gap on ⁇ which is provided in the magnetic circuit.
  • This air gap may be provided as a separate see ⁇ gap in the magnetic circuit next to the gap in which the permanent magnet unit is placed.
  • this further component of that gap is the gap in which the Perma ⁇ nentmagnetmaschine sits.
  • the permanent magnet netü example one or both faces of the core material of magnetically soft material on one or both sides is spaced.
  • the individual permanent magnet pieces can be stacked one above the other in the gap direction.
  • the magnetic material of the single permanent magnet pieces is to use a rare earth compound, for example SmCo, NdFeB, SmFeN or a hard ferrite, in particular SrFe, BaFe or a mixture of these materials.
  • a rare earth compound for example SmCo, NdFeB, SmFeN or a hard ferrite, in particular SrFe, BaFe or a mixture of these materials.
  • These first-mentioned magnetic materials are characterized by an extraordinarily high magnetic remanence flux density and a high magnetic coercive field strength and thus by a high magnetic energy density.
  • the Einzelpermanentmagnets are formed as adjacent lamellae or stripes, it is also within the scope of the invention that the Einzelpermanentmagnetgnae bent to each other, in particular angled.
  • the single permanent magnet pieces zuein ⁇ other are coaxially disposed or the permanent magnet unit is designed coaxially wound.
  • a particularly simple handling of the permanent magnet unit results when it is formed as a comb structure, so the plurality of Einzelpermanentmagnet Suiteen in the form of lamellae or strips at one end or on an end surface in one piece or several pieces are mechanically connected to each other.
  • the connection of the single permanent magnet pieces may be arbitrarily provided within the permanent magnet unit to under ⁇ different union positions, so that, for example Also, a double comb structure with connecting central web or a zig-zag structure or other structures of the permanent magnet unit are possible.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of an embodiment of an inductive component according to the invention
  • Figure 2a-2f six possible embodiments of a permanent magnet ⁇ unit as used in Figure 1 ⁇ the can, in a perspective view;
  • FIG. 3a-3c are plan views of three further embodiments of permanent magnet units, as they can be used in Figure 1,
  • Figure 5 shows a detail of the magnetic circuit of an inductance similar to Figure 1 with a further gap
  • Figure 5 shows a detail of the magnetic circuit of an inductor similar to Figure 1 with two columns, in each of which a permanent magnet unit is used with Einzelpermanentmagnet Sharingen
  • Figure 6a-6c plan views of three various Permanentmag ⁇ netanneen, namely one with a single block, with four single permanent magnet pieces, and a single permanent magnet pieces 16 with
  • FIG. 7 shows the simulated power losses of the permanent magnet units of FIG. 6 as a function of the frequency of an applied alternating field at a constant alternating field amplitude
  • FIG manentmagnetstsammlung 8 are plan views of three different Permanentmag ⁇ netiseren 1024 Einzelpermanentmagnetstü ⁇ CKEN, a laminated embodiment Per and a comb structure of permanent magnetic strips, and the simulated power loss of the permanent magnet units illustrated in Figure 8 as a function of the frequency of the applied alternating magnetic field.
  • Figure 1 shows a side view of the structure of an inductive component 1 with a magnetic circuit 10 of magnetically soft core material, for. B. soft iron.
  • the magnetic circuit 10 is annular in shape with an upper transverse limb 10a, a spaced lower transverse leg 10b and two at the ⁇ the transverse legs 10a and 10b interconnecting longitudinal ⁇ leg 10c and lOd.
  • the two longitudinal legs 10c, 10d may have a polygonal cross-section, but also a round or oval cross-section.
  • edges of the magnetic circuit 10 are rounded, wherein the magnetic circuit 10 may be designed in particular as a circular ring or toroid.
  • the longitudinal leg 10d shown on the left has a gap 20, which is bounded by a first end-side free end 12 of the core material of the magnetic circuit 10 and an opposite second front-side, free end 14 of the magnetic circuit 10.
  • the gap 20 has a longitudinal extent from the first end face 12 to the second end face 14, which according to the definition is the Y direction Y in the present case.
  • Orthogon ⁇ nal this are the two directions X and Z, which are also perpendicular to each other.
  • This permanent magnet unit 50 is particularly designed and consists of a plurality of Einzelpermanentmagnet Suiteen 51, which are stacked primarily and preferably exclusively spaced apart in one direction side by side, which is a direction at least approximately orthogonal, preferably exactly orthogonal to the mentioned Y-direction.
  • a coil 30 is wound around the longitudinal leg 10d shown on the left in FIG. The permanent magnet unit 50 has arrived at ⁇ wrapped by the coil 30th
  • FIG. 2a shows, in a perspective view, the construction and alignment of such a permanent magnet unit 50 with individual permanent magnet pieces 51 stacked in the X-direction, which in the present case are designed as single permanent magnetic strips or single permanent magnetic strips.
  • Each of these single permanent magnet strips 51 has a width B in the X direction and a height H in the Y direction.
  • the width B may be, for example, 0.1 to 5 mm, preferably about 0.5 to 2 mm.
  • As the height H for example, 0.1 to 10 mm, preferably about 0.5 to 5 mm may be provided.
  • an insulator 55 which may be formed for example of a plastic layer, a Pa ⁇ pier bark or the like.
  • Such a permanent magnet unit 50 in block form can be prepared by examples of play, that the Einzelperma ⁇ nentmagnetstMail 51 or bonded with the insulators 55 each shed.
  • the entire permanent magnet unit 50 is inserted into the gap 20 of the magnetic circuit 10 in such a way that the gap 20 is preferably completely filled by the permanent magnet unit 50.
  • one or both end faces 12, 14 to be arranged at a distance from the permanent magnet unit 50, that is to say a remaining gap to the permanent magnet unit 50 is formed.
  • This remaining gap can, for example, with an insulator, for. As plastic, be filled out ⁇ .
  • the Permanentmag ⁇ netssen 50 It has proven to be favorable to use for the Permanentmag ⁇ netssen 50 and thus the Einzelpermanentmagnet Togethere 51, a magnetic material which consists of a rare ⁇ earth compound, in particular SmCo, NdFeB, SmFeN or hard ferrite, in particular SrFe, BaFe or a mixture of these materials.
  • the former materials are characterized by a high residual magnetic flux density and a high magnetic coercive field strength, whereby the permanent magnets so forth ⁇ made have a high magnetic energy like ⁇ te.
  • FIG. 2 b a similar permanent magnet unit 50 is shown in FIG. 2 a in the form of individual permanent magnetic strips 51 located next to one another and separated by insulator layers 55.
  • a second, identically constructed, magnetic field is formed next to the permanent magnet unit 50.
  • the superimposed permanent magnet units 50, 50 ' can also be rotated relative to each other about the axis Y, as indicated in FIG. 2d.
  • a rotation of the upper permanent magnet unit 50 to the lower permanent magnet unit 50 ' is shown by 90 °.
  • Other angles of rotation, such as 30 °, 45 0 or 60 0 are also possible.
  • the stacked permanent magnet units 50, for example having 50 ' also have a different height in the Y direction and / or under ⁇ differently thick lamination can.
  • FIG. 2c shows a similar arrangement, the permanent magnet ⁇ unit as shown in Figure 2a 50th
  • the individual permanent magnet strips 51 are integrally connected to one another in the region via a transverse web 53 at their lower end facing the observer, so that a comb structure results for the permanent magnet unit 50.
  • This comb structure has the advantage that the individual permanent magnet strips 51 are mechanically connected to one another, so that gluing of the permanent magnet unit 50 can be dispensed with.
  • the insulator layers 55 may be air-filled as simple slots or filled with an insulating material.
  • FIG. 2e shows another cuboid body of a permanent magnet unit 50. The insulator layers 55 are now alternately introduced from the viewer side facing and opposite side of Figure 2e to each shortly before the opposite end in the permanent magnet unit 50 so that a total of a zigzag structure of the permanent magnet unit 50 results.
  • FIG. 2f shows a so-called double comb structure of the permanent magnet unit 50.
  • the Einzelperma ⁇ nentmagnetstMail 51 are interconnected by a central web 54th
  • FIG. 3 shows further embodiments of permanent magnet units 50 in plan view, that is to say seen in the Y direction.
  • 3a shows a L-shaped structure of the Einzelper ⁇ manentmagnet Publishede
  • Figure 3b is a U-shaped structure
  • Figure 3c is a coaxial structure of the permanent magnet unit 50.
  • a coiled structure of the permanent magnet ⁇ unit may be provided 50th
  • FIGS. 4 and 5 show sections of a magneti ⁇ rule circuit 10, as presented in Figure 1, in addition to which modifications are carried out to the representation of FIG. 1
  • a further gap 60 here an air gap, is introduced into the magnetic circuit 10 in order to be able to set the inductance and the saturation current intensity of the inductive component 1 in a targeted manner.
  • Figure 6c shows a further divided Perma ⁇ nentmagnet Anlagen 50, namely, one with 16 nentmagnet Suiteen ⁇ Einzelperma, which lie in a 4 x 4 matrix to each other.
  • the Einzelpermanentmagnet Sharinge 51 in Figures 6b and 6c are minimally spaced from each other, so that it can be assumed approximatively ⁇ way that the outer contour of these permanent magnet units 50 in Figure 6b and 6c is approximately 32 mm x 32 mm again.
  • the thickness of the permanent magnet ⁇ unit 50 is further assumed to be 1 mm.
  • the permanent magnet unit 50 is formed only into thirty-two single permanent magnet pieces 51, specifically in the form of single permanent magnet strips or single permanent magnet lamellae. 8b the characteristic curve associated to a permanent magnet unit according ⁇ figure, indicated in Figure 9 with V. It is clear that in a Fre acid sequence of about 20 kHz only a slightly increased power loss to the curve of IV is recorded. The power loss is at a frequency of 20 kHz here only about 4.2 watts.
  • the permanent magnet unit 50 of FIG. 8b is modified such that it is connected to one another at its lower side according to FIG. 8c, ie has a comb structure, the result is almost the same power loss curve (compare the characteristic curve VI in FIG Permanentmagnetein ⁇ unit of Figure 8b, so the local characteristic V.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Induktives Bauteil (1) mit folgen-den Merkmalen: - einen magnetischen Kreis (10) aus magnetisch weichem Kernmaterial - der magnetische Kreis (10) weist mindestens einen Spalt (20) auf, welcher sich in Y-Richtung (Y) von einem ersten stirnseitigen freien Ende (12) des Kernmaterials zu einem gegenüberliegenden zweiten stirnseitigen Ende (14) des Kernmaterials erstreckt, - mindestens eine Spule (30), die um mindestens einen Teil des Kernmaterials gewickelt ist, - eine Permanentmagneteinheit (50), die aus mehreren voneinander beabstandeten Einzelpermanentmagnetenstücke (51) besteht, welche jeweils eine zur Y-Richtung (Y) mindestens annähernd gleichgerichtete Magnetisierungsrichtung aufweisen. Erfindungsgemäß sind die Einzelpermanentmagneten (51) vornehmlich in eine Richtung die mindestens annähernd orthogonal zur Y-Richtung (Y) liegt, nebeneinander beabstandet gestapelt. Vorteil: Hohe Vormagnetisierung der Induktivität mittels Permanentmagneten; geringere Verlustleistung, einfachere Herstellung; höherer Füllfaktor.

Description

Induktives Bauteil
Die Erfindung betrifft ein induktives Bauteil
gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Induktive Bauteile mit einem magnetischen Kreis aus magnetisch weichem Kernmaterial und einer um einen Teil des Kernmaterials gewickelten Spule sind in der gesamten Elektrotechnik hinlänglich bekannt. Häufig weist der magnetische Kreis hierbei auch einen Spalt auf, der sich von einem ersten stirnseitigen freien Ende des Kernmaterials zu einem gegenüberliegenden zweiten stirnseitigen freien Ende des Kernmaterials erstreckt.
Derartige induktive Bauteile werden beispielsweise als Span¬ nungsregler in Form von sogenannten Tiefsetzstellern oder Hochsetzstellern eingesetzt. Ein Beispiel für einen sogenannten Hochsetzsteller ist in der Beschreibungseinleitung der DE 198 16 485 AI und der dortigen Figur 1 offenbart.
Diese DE 198 16 485 AI offenbart weiterhin, das induktive Bau¬ teil negativ magnetisch vorzuspannen, indem der erwähnte
Spalt, entgegengerichtet zum Feld der Wicklung mit permanent¬ magnetischem Material befüllt wird. Hierdurch kann der eigentliche Arbeitsbereich des induktiven Bauteils verschoben werden, weil sich der mögliche magnetische Hub, d. h. die mögli¬ che maximale magnetische Induktionsänderung durch das Vorsehen des permanentmagnetischen Materials im Spalt deutlich vergrößert .
Werden jedoch solche Permanentmagneten im Spalt des magnetischen Kreises des induktiven Bauteils eingesetzt, bilden sich unerwünschte Wirbelströme, sobald das induktive Bauteil hochfrequente Wechselstromanteile führt. Diese Wirbelströme werden umso größer, je höher die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes ist und je höher die Energie des Wechselfeldes ist .
Dieses Problem hat die DE 2 424 131 AI erkannt und vorgeschla- gen zur Reduzierung der Wirbelstromverluste den Permanentmag¬ neten in eine Mehrzahl von Einzelpermanentmagnetstücken zu unterteilen. In einem konkreten Ausführungsbeispiel wurden konkret insgesamt 25 Einzelpermanentmagnetstücke vorgeschlagen, die jeweils als identische Würfel in einer 5x5-Matrix inner- halb des Spaltes angeordnet sind (vgl. dort Figur 2) .
Das Bereitstellen und insbesondere das Ausrichten und die An¬ ordnung dieser Einzelpermanentmagnetstücke in dem Spalt berei¬ tet, wie die DE 2 424 131 AI selbst diskutiert, Probleme, weil bei der Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen der Einzelpermanentmagnetstücke eine Abstoßung zwischen den Magnetstü¬ cken mit gleicher Polarität erfolgt, wenn diese Magnetstücke nahe beieinander angeordnet sind. Die Einzelpermanentmag¬ netstücke können somit nicht ausgerichtet angeordnet werden, ohne dass hierbei hinreichende Abstände zwischen benachbarten Einzelpermanentmagnetstücken eingehalten sind. Es wird deshalb vorgeschlagen, die Einzelpermanentmagnetstücke an einer der Stirnseiten des magnetischen Kreises, die dem Spalt zugewandt ist, festzukleben und dann den zwei geteilten magnetischen Kreis mit der zweiten Stirnfläche auf die andere Seite der Einzelpermanentmagnetstücke aufzusetzen.
Darüber hinaus werden weitere Montagemöglichkeiten für die Einzelpermanentmagnetstücke vorgestellt. Es wird zudem vorge- schlagen, die Einzelpermanentmagnetstücke zum Beispiel zu¬ nächst auf eine Folie aufzukleben, um dann diese Einzelperma¬ nentmagnetstücke zusammen mit der Folie in den Spalt einzu¬ bringen. Schließlich wird auch diskutiert, auf den beiden sich gegenüberliegenden Stirnseiten der freien Stirnflächen des magnetischen Kreises eine Vielzahl von Ausnehmungen anzubringen, in die die Einzelpermanentmagnetstücke jeweils einzeln eingesetzt werden können. Die Montage dieser Einzelpermanentmagnetstücke im magnetischen Kreis und deren Fixierung dort ist deshalb problematisch und mit erhöhtem Aufwand verbunden, wenngleich die Verwendung von Einzelpermanentmagnetstücken die Wirbelstromverluste des induktiven Bauteils deutlich reduziert.
Problematisch bei der Verwendung einer Vielzahl von Einzelpermanentmagnetstücken, insbesondere von quader- oder würfelförmigen Magnetstücken, ist die Tatsache, dass der sogenannte Füllfaktor auf Grund der notwendigen Beabstandung der Mag- netstücke zueinander immer ungünstiger, d. h. schlechter wird. Mit Füllfaktor ist das Verhältnis von magnetisch wirksamen Querschnitt zum geometrischen Querschnitt gemeint.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, die bekannte Indukti¬ vität mit eingesetzten Permanentmagneten zur Vormagnetisierung so weiterzubilden, dass einerseits im Betrieb Wirbelstromverluste gering gehalten werden, andererseits aber auch eine ein- fache Herstellung gewährleistet ist.
Dieses Ziel wird durch ein induktives Bauteil mit den Merkma¬ len des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße induktive Bauteil beruht im Wesentlichen darauf, dass die Einzelpermanentmagnetstücke vornehmlich und in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ausschließlich in eine Richtung nebeneinander beabstandet gestapelt sind, wo¬ bei die eine Richtung mindestens annähernd orthogonal zur Y- Richtung liegt, d. h. derjenigen Richtung die durch die Längserstreckung des Spaltes im magnetischen Kreis gegeben ist, welcher sich in Y-Richtung von einem ersten stirnseitigen freien Ende des Kernmaterials zu einem gegenüberliegenden zweiten Ende des Kernmaterials erstreckt.
In einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Einzelpermanentmagnetstücke lamelliert ausgeführt sind, also als Lamellen bzw. Streifen, wobei diese einzelnen Lamellen oder Streifen jeweils zueinander beabstandet in eine Richtung gestapelt sind.
Wenngleich es grundsätzlich möglich ist, dass zwischen den Einzelpermanentmagnetstücken als Isolator eine dünne Luft- schicht vorgesehen ist, bietet es sich an, auch jedes andere Isolatormaterial zu verwenden, zum Beispiel eine Kunststoff¬ schicht, eine Papierschicht eine Klebeschicht oder derglei¬ chen . In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Höhe der Einzelpermanentmagnetstücke in Y-Richtung, also in Längserstreckung des Spaltes, größer ist, als die Breite der Einzelpermanentmagnetstücke in Stapelrichtung. Die¬ se Breite kann in der Größenordnung von zum Beispiel 1mm lie- gen.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das induktive Bau¬ teil einen weiteren Spalt, insbesondere einen Luftspalt auf¬ weist, der im magnetischen Kreis vorgesehen ist. Dieser Luft- spalt kann als separater Spalt im magnetischen Kreis neben dem Spalt, in dem die Permanentmagneteinheit platziert ist, vorge¬ sehen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass dieser weitere Spalt Bestandteil desjenigen Spaltes ist, in dem die Perma¬ nentmagneteinheit sitzt. Dies bedeutet, dass die Permanentmag- neteinheit beispielsweise zu einer oder zu beiden Stirnflächen des Kernmaterials aus magnetisch weichem Material ein- oder beidseitig beabstandet ist. In einer Ausführungsform der Erfindung können die Einzelpermanentmagnetstücke übereinander in Spaltrichtung gestapelt ange¬ ordnet sein.
Als magnetisches Material der Einzelpermanentmagnetstücke bie- tet es sich an, eine Seltenerdverbindung einzusetzen, zum Beispiel SmCo, NdFeB, SmFeN oder ein Hartferrit, insbesondere SrFe, BaFe oder eine Mischung aus diesen Materialien. Diese erstgenannten magnetischen Materialien zeichnen sich durch eine außerordentlich hohe magnetische Remanenzflussdichte und eine hohe magnetische Koerzitivfeidstärke und damit durch eine hohe magnetische Energiedichte aus.
Wenngleich in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Einzelpermanentmagnetstücke als nebeneinander liegende La- mellen oder Streifen ausgebildet sind, liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass die Einzelpermanentmagnetstücke zueinander gebogen, insbesondere abgewinkelt sind. Darüber hinaus, ist es ebenfalls möglich, dass die Einzelpermanentmagnetstücke zuein¬ ander koaxial angeordnet sind oder die Permanentmagneteinheit koaxial gewickelt ausgeführt ist.
Eine besonders einfache Handhabung der Permanentmagneteinheit ergibt sich dann, wenn diese als Kammstruktur ausgebildet ist, also die Vielzahl von Einzelpermanentmagnetstücken in Form von Lamellen bzw. Streifen an einem Ende bzw. an einer Endfläche einstückig oder mehrstückig miteinander mechanisch verbunden sind. Die Verbindung der Einzelpermanentmagnetstücke kann aber auch beliebig innerhalb der Permanentmagneteinheit an unter¬ schiedlichen Positionen vorgesehen sein, so dass zum Beispiel auch eine Doppelkammstruktur mit verbindendem Mittelsteg oder eine Zick-Zack-Struktur oder noch andere Strukturen der Permanentmagneteinheit möglich sind.
Die Erfindung wird nachfolgend im Zusammenhang mit mehreren Figuren anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 den schematischen Aufbau eines Ausführungsbei- Spieles eines induktiven Bauteils nach der Erfindung,
Figur 2a-2f sechs mögliche Ausführungsformen einer Permanent¬ magneteinheit, wie sie in Figur 1 eingesetzt wer¬ den kann, in perspektivischer Darstellung,
Figur 3a-3c Draufsichten von drei weiteren Ausführungsbeispielen von Permanentmagneteinheiten, wie sie in Figur 1 einsetzbar sind,
Figur 4 ausschnittsweise den magnetischen Kreis einer Induktivität ähnlich zu Figur 1 mit einem weiteren Spalt , Figur 5 ausschnittsweise den magnetischen Kreis einer Induktivität ähnlich zu Figur 1 mit zwei Spalten, in die jeweils eine Permanentmagneteinheit mit Einzelpermanentmagnetstücken eingesetzt ist, Figur 6a-6c Draufsichten auf drei verschiedene Permanentmag¬ neteinheiten, nämlich eine mit einem einzigen Block, eine mit vier Einzelpermanentmagnetstücken und eine mit 16 Einzelpermanentmagnetstücken, Figur 7 die simulierten Verlustleistungen der Permanentmagneteinheiten von Figur 6 in Abhängigkeit der Frequenz eines angelegten Wechselfeldes bei konstanter Wechselfeldamplitude,
Figur 8 Draufsichten auf drei verschiedene Permanentmag¬ neteinheiten mit 1024 Einzelpermanentmagnetstü¬ cken, einer lamellierten Ausführungsform mit Per manentmagnetstreifen und einer Kammstruktur von Permanentmagnetstreifen, und die simulierte Verlustleistung der in Figur 8 dargestellten Permanentmagneteinheiten in Abhängigkeit der Frequenz des angelegten magnetischen Wechselfeldes .
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung .
Figur 1 zeigt in Seitenansicht den Aufbau eines induktiven Bauteils 1 mit einem magnetischen Kreis 10 aus magnetisch weichem Kernmaterial, z. B. Weicheisen. Der magnetische Kreis 10 ist ringförmig gestaltet mit einem oberen Querschenkel 10a, einem beabstandeten unteren Querschenkel 10b und zwei die bei¬ den Querschenkel 10a und 10b miteinander verbindenden Längs¬ schenkel 10c und lOd. Die beiden Querschenkel 10a, 10b
und/oder die beiden Längsschenkel 10c, lOd können einen mehreckigen Querschnitt aufweisen, aber auch einen runden oder o- valen Querschnitt. Daneben ist es auch möglich, dass die in
Fig. 1 dargestellten Kanten des magnetischen Kreises 10 abgerundet sind, wobei der magnetische Kreis 10 insbesondere auch als Kreisring oder Toroid gestaltet sein kann. Der links dargestellte Längsschenkel lOd weist einen Spalt 20 auf, welcher von einem ersten stirnseitigen freien Ende 12 des Kernmaterials des magnetischen Kreises 10 und einem gegenüberliegenden zweiten stirnseitigen, freien Ende 14 des magnetischen Kreises 10 begrenzt ist. Wie das in Figur 1 zusätzlich dargestellte Koordinatendiagramm andeutet, hat der Spalt 20 von der ersten Stirnseite 12 zur zweiten Stirnseite 14 eine Längserstreckung, die definitionsgemäß vorliegend die Y-Richtung Y ist. Orthogo¬ nal hierzu stehen die beiden Richtungen X und Z, die ebenfalls senkrecht zueinander stehen.
In dem Spalt 20 sitzt eine Permanentmagneteinheit 50, um eine magnetische Vorspannung der Induktivität 1 zu bewirken. Diese Permanentmagneteinheit 50 ist besonders gestaltet und besteht aus einer Vielzahl von Einzelpermanentmagnetstücken 51, welche vornehmlich und vorzugsweise ausschließlich in eine Richtung nebeneinander beabstandet gestapelt sind, wobei diese eine Richtung mindestens annähernd orthogonal, vorzugsweise exakt orthogonal zur erwähnten Y-Richtung liegt. Um den in Figur 1 links dargestellten Längsschenkel lOd ist eine Spule 30 gewickelt. Die Permanentmagneteinheit 50 ist da¬ bei von der Spule 30 umwickelt.
In Figur 2a ist in perspektivischer Darstellung die Ausbildung und Ausrichtung einer solchen Permanentmagneteinheit 50 mit in X-Richtung gestapelten Einzelpermanentmagnetstücken 51, die vorliegend als Einzelpermanentmagnetsstreifen bzw. Einzelpermanentmagnetlamellen ausgebildet sind, gezeigt. Jeder dieser Einzelpermanentmagnetstreifen 51 weist eine Breite B in X- Richtung und eine Höhe H in Y-Richtung auf. Die Breite B kann beispielsweise 0,1 bis 5 mm, vorzugsweise etwa 0,5 bis 2 mm betragen. Als Höhe H können zum Beispiel 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise etwa 0,5 bis 5 mm vorgesehen werden. Zwischen den Einzelpermanentmagnetstreifen 51 befindet sich ein Isolator 55, der beispielsweise aus einer KunststoffSchicht , einer Pa¬ pierschicht oder ähnlichem gebildet sein kann.
Eine solche Permanentmagneteinheit 50 in Blockform kann bei- spielsweise dadurch hergestellt werden, dass die Einzelperma¬ nentmagnetstreifen 51 mit den Isolatoren 55 miteinander verklebt oder vergossen werden. Die gesamte Permanentmagneteinheit 50 wird in den Spalt 20 des magnetischen Kreises 10 ein¬ gesetzt und zwar derart, dass der Spalt 20 vorzugsweise voll- ständig von der Permanentmagneteinheit 50 ausgefüllt wird. Es ist aber auch möglich, dass eine oder beide Stirnseiten 12, 14 beabstandet zu der Permanentmagneteinheit 50 angeordnet sind, sich also ein verbleibender Zwischenraum zur Permanentmagneteinheit 50 ausbildet. Dieser verbleibende Zwischenraum kann beispielsweise mit einem Isolator, z. B. Kunststoff, ausge¬ füllt sein.
Es hat sich als günstig herausgestellt, für die Permanentmag¬ neteinheit 50 und damit die Einzelpermanentmagnetstücke 51 ein magnetisches Material zu verwenden, welches aus einer Selten¬ erdverbindung besteht, insbesondere SmCo, NdFeB, SmFeN oder aus Hartferrit, insbesondere SrFe, BaFe oder eine Mischung aus diesen Materialien. Die erstgenannten Materialien zeichnen sich durch eine hohe magnetische Remanenzflussdichte und eine hohe magnetische Koerzitivfeidstärke aus, wodurch die so her¬ gestellten Permanentmagnete eine hohe magnetische Energiedich¬ te haben.
In Figur 2b ist eine ähnliche Permanentmagneteinheit 50 wie in Figur 2a dargestellt in Form von nebeneinander liegenden und durch Isolatorschichten 55 voneinander getrennte Einzelpermanentmagnetstreifen 51. Zur Erhöhung der magnetischen Energiedichte des gesamten magnetischen Kreises 10 ist neben der Permanentmagneteinheit 50 eine zweite, identisch aufgebaute Per- manentmagneteinheit 50' mit Einzelpermanentmagnetstreifen 51' und Isolatorschichten 55' unter die Permanentmagneteinheit 50 platziert. Es können weitere solche Permanentmagneteinheiten auf- oder untergelegt werden. Dabei können die aufeinander ge- legten Permanentmagneteinheiten 50, 50' auch zueinander um die Achse Y verdreht sein, wie dies in Fig. 2d angedeutet ist.
In Figur 2d ist eine Verdrehung der oberen Permanentmagneteinheit 50 zur unteren Permanentmagneteinheit 50' um 90 0 ge- zeigt. Andere Verdrehwinkel, wie zum Beispiel 30 °, 45 0 oder 60 0 sind ebenfalls möglich. Zudem können die aufeinander gesetzten Permanentmagneteinheiten 50, 50' zum Beispiel auch eine unterschiedliche Höhe in Y-Richtung und/oder eine unter¬ schiedlich dicke Lamellierung aufweisen.
Wenngleich bisher immer nur Permanentmagneteinheiten 50, 50' beschrieben wurden, die eine quaderförmige Außenkontur aufweisen, ist es ohne Weiteres möglich, eine zylindrische Außenkon¬ tur vorzusehen. Dies ist in den Fig. 2a, 2b und 2d gestrichelt angedeutet.
In Figur 2c ist eine ähnliche Anordnung der Permanentmagnet¬ einheit 50 wie in Figur 2a dargestellt. Im Unterschied hierzu sind die Einzelpermanentmagnetstreifen 51 an ihren dem Bet- rachter zugewandten unteren Ende im Bereich über einen Quersteg 53 einstückig miteinander verbunden, so dass sich für die Permanentmagneteinheit 50 eine Kammstruktur ergibt. Diese Kammstruktur hat den Vorteil, dass die Einzelpermanentmagnet¬ streifen 51 mechanisch miteinander verbunden sind, so dass ein Verkleben der Permanentmagneteinheit 50 entbehrlich ist. Die Isolatorschichten 55 können als einfache Schlitze luftgefüllt sein oder mit einem Isoliermaterial gefüllt sein. In Figur 2e ist ein weiterer quaderförmiger Körper einer Permanentmagneteinheit 50 dargestellt. Die Isolatorschichten 55 sind jetzt abwechselnd von der dem Betrachter zugewandten Seite und gegenüberliegenden Seite von Figur 2e bis jeweils kurz vor das gegenüberliegende Ende in die Permanentmagneteinheit 50 eingebracht, so dass sich insgesamt eine Zick-Zack-Struktur der Permanentmagneteinheit 50 ergibt.
In Figur 2f ist eine sogenannte Doppelkammstruktur der Perma- nentmagneteinheit 50 dargestellt. Dabei sind die Einzelperma¬ nentmagnetstreifen 51 durch einen mittleren Steg 54 miteinander verbunden.
In Figur 3 sind weitere Ausführungsformen von Permanentmagnet- einheiten 50 in Draufsicht, also in Y-Richtung gesehen, dargestellt. Figur 3a zeigt eine L-förmige Struktur der Einzelper¬ manentmagnetstücke, Figur 3b eine U-förmige Struktur und Figur 3c eine koaxiale Struktur der Permanentmagneteinheit 50. Anstelle der in Figur 3c gezeigten koaxialen Struktur der beiden Einzelpermanentmagnetstücke 51, welche mit einem radialen Schlitz 56 versehen ist, um Wirbelstromverluste gering zu hal¬ ten, kann auch eine gewickelte Struktur der Permanentmagnet¬ einheit 50 vorgesehen sein.
Die Figuren 4 und 5 zeigen jeweils Ausschnitte eines magneti¬ schen Kreises 10, wie er in Figur 1 vorgestellt wurde, wobei zusätzlich noch Abänderungen zu der Darstellung von Figur 1 vorgenommen sind. Gemäß Figur 4 ist in den magnetischen Kreis 10 ein weiterer Spalt 60, hier ein Luftspalt, eingebracht, um die Induktivität und die Sättigungsstromstärke des induktiven Bauteils 1 gezielt einstellen zu können. In Figur 5 ist nicht nur ein Spalt 20 zur Aufnahme der Perma¬ nentmagneteinheit 50 mit Einzelpermanentmagnetstücken 51 vorgesehen, sondern im magnetischen Kreis 10 ein zusätzlicher Spalt 20' angeordnet, in dem eine zusätzliche Permanentmagnet- einheit 50' mit Einzelpermanentmagnetstücken 51' angeordnet ist, wobei diese ebenfalls so zueinander ausgerichtet sind, wie die Einzelpermanentmagnetstücke 51 in der Permanentmagnet¬ einheit 50. Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise eines nach der Erfindung in einen Spalt eines magnetischen Kreises eingesetzten Permanentmagneten werden nachfolgend die Figuren 6 bis 9 betrachtet . In Figur 6 sind wiederum in Draufsicht drei verschiedene Per¬ manentmagneteinheiten 50 dargestellt. Figur 6a zeigt eine Permanentmagneteinheit 50 mit einem quaderförmigen Einzelmagne¬ ten, welcher beispielsweise eine Kantenlänge von 32 mm x 32 mm aufweist und 1 mm dick ist. Das magnetische Material dieses Einzelmagneten ist gesintertes NdFeB.
In Figur 6b ist der gleiche Magnet wie in Figur 6a darge¬ stellt, aber in vier würfelförmige Einzelmagnetstücke 51 rechtwinklig unterteilt.
Schließlich zeigt Figur 6c eine noch weiter unterteilte Perma¬ nentmagneteinheit 50, nämlich eine solche, mit 16 Einzelperma¬ nentmagnetstücken, die in einer 4 x 4-Matrix zueinander liegen. Die Einzelpermanentmagnetstücke 51 in den Figuren 6b und 6c sind minimal zueinander beabstandet, so dass annäherungs¬ weise davon ausgegangen werden kann, dass die Außenkontur dieser Permanentmagneteinheiten 50 in Figur 6b und 6c ungefähr wiederum 32 mm x 32 mm beträgt. Die Dicke der Permanentmagnet¬ einheit 50 wird weiterhin mit 1 mm angenommen. Geht man davon aus, dass die in den Figuren 6a, 6b und 6c dar¬ gestellten Permanentmagneteinheiten 50 von einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld B, also einem Wechselfeld, durchsetzt werden, das - wie in Figur 6a angedeutet - aus der Zeichenebe¬ ne herauskommt, so bilden sich - wie ebenfalls in Figur 6a durch den Kreispfeil angedeutet - Wirbelströme. Diese Wir¬ belströme fließen in UhrZeigerrichtung, wie durch die Pfeilrichtung in Figur 6a angedeutet.
Wird an den in Figur 6a gezeigten NdFeB-Magneten ein Magnetfeld mit einer Amplitude von Be = 100 mT angelegt, so zeigt sich eine Verlustleistung in Abhängigkeit der Frequenz des angelegten Wechselfeldes, wie dies in Figur 7 in der oberen Kur- ve I gezeigt ist. Bei einer Frequenz von 20 kHz würde sich ei¬ ne Verlustleistung von etwa 1000 Watt einstellen, was natürlich inakzeptabel hoch ist.
Wird der in Figur 6a gezeigte Magnet dagegen in vier Einzel- Permanentmagnetstücke gemäß Figur 6b unterteilt, ergibt sich die Kurve II von Figur 7, die deutlich unterhalb der Kurve I liegt. Allerdings zeigt sich bei einer Frequenz von 20 kHz im¬ mer noch eine inakzeptable Verlustleistung von etwa 450 Watt. Für die in Figur 6c gezeigte Permanentmagneteinheit 50 mit sechzehn Einzelpermanentmagnetstücken 51 ergibt sich die in Figur 7 unten dargestellte Kurve III. Diese Kurve III zeigt eine weiter reduzierte Verlustleistung, die aber immer noch etwas über 100 Watt bei einer Frequenz von 20 kHz beträgt.
Unterteilt man die Permanentmagneteinheit 50 weiter in Einzel¬ permanentmagnetstücke 51, wie dies in Figur 8a dargestellt ist, nämlich in tausendvierundzwanzig Einzelpermanentmagnetstücke, also in eine Matrix von 32 x 32 Einzelpermanentmag- netstücke 51, die jeweils als Würfel mit einer Kantenlänge von 1 mm ausgebildet sind, so kann die Verlustleistung bei einer Frequenz von 20 kHz, wie dies in Figur 9 in der Kurve IV dargestellt ist, auf etwa 2,2 Watt reduziert werden. Allerdings bedeutet die Realisierung einer solchen Permanentmagneteinheit 50 mit tausendvierundzwanz ig sehr kleinen Einzelpermanentmagnetstücken 51 einen erheblichen Aufwand bei der Herstellung und auch bei der späteren Montage einer solchen Permanentmagneteinheit 50 in einen Spalt 20 einer Induktivität 1.
Wesentlich einfacher und nahezu genauso effektiv ist es, wenn die Permanentmagneteinheit 50, wie in Figur 8b dargestellt, lediglich in zweiunddreißig Einzelpermanentmagnetstücke 51 und zwar in Form von Einzelpermanentmagnetstreifen bzw. Einzelper- manentmagnetlamellen ausgebildet wird. Die zu einer Permanent¬ magneteinheit gemäß Figur 8b zugehörige Kennlinie ist in Figur 9 mit V bezeichnet. Es ist klar erkennbar, dass bei einer Fre¬ quenz von etwa 20 kHz nur eine gering erhöhte Verlustleistung zu der Kurve von IV zu verzeichnen ist. Die Verlustleistung beträgt bei einer Frequenz von 20 kHz hier nur etwa 4,2 Watt.
Ändert man die Permanentmagneteinheit 50 von Figur 8b so ab, dass diese an ihrer unteren Seite miteinander verbunden ist gemäß Figur 8c, also eine Kammstruktur aufweist, so ergibt sich nahezu die gleiche Verlustleistungskurve (vgl. in Figur 9 die zugehörende Kennlinie VI) wie bei der Permanentmagnetein¬ heit von Figur 8b, also der dortigen Kennlinie V.
Ein besonderer Vorteil ist auch bei dem induktiven Bauteil 1 nach der vorliegenden Erfindung darin zu sehen, dass bei nahezu gleich niedriger Verlustleistung wie bei quader- oder würfelförmigen Einzelpermanentmagnetstücken (vgl. hierzu Fig. 8a) ein höherer Füllfaktor der Permanentmagneteinheit 50 erreicht wird. Dieser beträgt beim Stand der Technik gemäß Fig. 8a 0,81 und bei der vorliegenden Erfindung bei 0,9 (vgl. hierzu Fig. 8b oder 8a), was eine Steigerung um 11% bedeutet.
Bezugs zeichenliste
1 Induktives Bauteil
10 magnetischer Kreis
10a Querschenkel
10b Querschenkel
10c Längsschenkel
lOd Längsschenkel
12 erstes stirnseitiges freies Ende
14 zweites stirnseitiges freies Ende
20 Spalt
20' Spalt
30 Spule
50 Permanentmagneteinheit
50' Permanentmagneteinheit
51 Einzelpermanentmagnetstücke, Einzelpermanentmagnet¬ streifen, Einzelpermanentmagnetlamelle
51' Einzelpermanentmagnetstücke, Einzelpermanentmagnet¬ streifen, Einzelpermanentmagnetlamelle
53 Steg
54 Steg
55 Isolierschicht
55' Isolierschicht
60 weiterer Spalt
X X-Richtung
Y Y-Richtung
Z Z-Richtung
H Höhe der Einzelmagnete 51 in Y-Richtung
B Breite der Einzelmagnete 51
D Dicke der Isolierschicht 55 in Stapelrichtung

Claims

Induktives Bauteil (1) mit folgenden Merkmalen:
einen magnetischen Kreis (10) aus magnetisch weichem Kernmaterial
der magnetische Kreis (10) weist mindestens einen Spalt (20) auf, welcher sich in Y-Richtung (Y) von einem ersten stirnseitigen freien Ende (12) des Kernmaterials zu einem gegenüberliegenden zweiten stirnseitigen freien Ende (14) des Kernmaterials erstreckt ,
mindestens eine Spule (30), die um mindestens einen Teil des Kernmaterials gewickelt ist,
eine Permanentmagneteinheit (50), die aus mehreren voneinander beabstandeten Einzelpermanentmagnetstü¬ cken (51) besteht, welche jeweils eine zur Y-Richtung (Y) mindestens annähernd gleichgerichtete Magnetisie¬ rungsrichtung aufweisen, g e k e n n z e i c h n e t durch folgendes Merkmal: die Einzelpermanentmagnetstücke ( 51 ) sind vornehmlich in eine Richtung nebeneinander beabstandet gestapelt, welche mindestens annähernd orthogonal zur Y-Richtung (Y) liegt.
Induktives Bauteil (1) nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ein¬ zelpermanentmagnetstücke (51) ausschließlich in die Rich¬ tung nebeneinander beabstandet gestapelt sind.
Induktives Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Höhe (H) der Einzelpermanentmagnetstücke (51) in Y-Richtung (Y) größer ist als die Breite (B) der Einzelpermanentmag¬ nete (51) in Stapelrichtung.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ein zelpermanentmagnetstücke (51) unter Zwischenlage von Iso¬ lierschichten (55) zueinander angeordnet sind.
Induktives Bauteil (1) nach Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Isolierschichten (55) in Stapelrichtung eine Dicke (D) aufweisen, die schmäler ist als die Breite (B) der Einzelpermanentmagnetstücke (51).
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindes tens ein mit einem magnetischen Isolator gefüllter weiterer Spalt (60), insbesondere ein Luftspalt, im magneti¬ schen Kreis (10) vorgesehen ist.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einzelpermanentmagnetstücke (51) auch in Y- Richtung (Y) übereinander gestapelt angeordnet sind.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das mag netische Material der Einzelpermanentmagnetstücke (51) aus einer Seltenerdverbindung, insbesondere SmCo, NdFeB, SmFeN oder aus Hartferrit, insbesondere SrFe, BaFe oder eine Mischung aus diesen Materialien ist.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindes¬ tens ein Teil der Einzelpermanentmagnetstücke (51) gebo¬ gen ist, insbesondere abgewinkelt.
Induktives Bauteil (1) nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ein¬ zelpermanentmagnetstücke (51) zueinander koaxial angeord¬ net sind.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ein¬ zelpermanentmagnetstücke (51) zumindest teilweise mitein¬ ander magnetisch verbunden sind.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Ein¬ zelpermanentmagnetstücke (51) nach Art einer Kamm- oder Doppelkammstruktur miteinander verbunden sind.
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