EP2867906B1

EP2867906B1 - Induktives bauteil

Info

Publication number: EP2867906B1
Application number: EP13818687.9A
Authority: EP
Inventors: Christof Gulden; Bruce Carsten; Stefan Herzog; Alexander Stadler
Original assignee: Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
Current assignee: Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-12-09
Publication date: 2018-05-23
Anticipated expiration: 2033-12-09
Also published as: US20160005525A1; EP2867906A1; WO2014139607A1; ES2677720T3

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauteil gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Ein solches induktives Bauteil ist z. B. aus der unten noch näher erläuterten DE 2 424 131 A1 bekannt.
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 Spannungsregler in Form von sogenannten Tiefsetzstellern oder Hochsetzstellern eingesetzt. Ein Beispiel für einen sogenannten Hochsetzsteller ist in der Beschreibungseinleitung der DE 198 16 485 A1 und der dortigen Figur 1 offenbart.
Diese DE 198 16 485 A1 offenbart weiterhin, das induktive Bauteil negativ magnetisch vorzuspannen, indem der erwähnte Spalt, entgegengerichtet zum Feld der Wicklung mit permanentmagnetischem Material befüllt wird. Hierdurch kann der eigentliche Arbeitsbereich des induktiven Bauteils verschoben werden, weil sich der mögliche magnetische Hub, d. h. die mögliche 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 A1 erkannt und vorgeschlagen zur Reduzierung der Wirbelstromverluste den Permanentmagneten 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 innerhalb des Spaltes angeordnet sind (vgl. dort Figur 2).
Das Bereitstellen und insbesondere das Ausrichten und die Anordnung dieser Einzelpermanentmagnetstücke in dem Spalt bereitet, wie die DE 2 424 131 A1 selbst diskutiert, Probleme, weil bei der Ausrichtung der Magnetisierungsrichtungen der Einzelpermanentmagnetstücke eine Abstoßung zwischen den Magnetstücken mit gleicher Polarität erfolgt, wenn diese Magnetstücke nahe beieinander angeordnet sind. Die Einzelpermanentmagnetstücke 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 vorgeschlagen, die Einzelpermanentmagnetstücke zum Beispiel zunächst auf eine Folie aufzukleben, um dann diese Einzelpermanentmagnetstücke zusammen mit der Folie in den Spalt einzubringen. 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 Magnetstücke 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 Induktivität mit eingesetzten Permanentmagneten zur Vormagnetisierung so weiterzubilden, dass einerseits im Betrieb Wirbelstromverluste gering gehalten werden, andererseits aber auch eine einfache Herstellung gewährleistet ist.
Dieses Ziel wird durch ein induktives Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße induktive Bauteil beruht im Wesentlichen darauf, dass die Einzelpermanentmagnetstücke ausschließlich in eine Richtung nebeneinander beabstandet gestapelt sind, wobei die eine Richtung orthogonal zur Y-Richtung liegt, d. h. derjenigen Richtung die durch die Längs-erstreckung 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.
Gemäß 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 Luftschicht vorgesehen ist, bietet es sich an, auch jedes andere Isolatormaterial zu verwenden, zum Beispiel eine Kunststoffschicht, eine Papierschicht eine Klebeschicht oder dergleichen.
In einer 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. Diese Breite kann in der Größenordnung von zum Beispiel 1mm liegen.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass das induktive Bauteil einen weiteren Spalt, insbesondere einen Luftspalt aufweist, der im magnetischen Kreis vorgesehen ist. Dieser Luftspalt kann als separater Spalt im magnetischen Kreis neben dem Spalt, in dem die Permanentmagneteinheit platziert ist, vorgesehen sein. Es ist jedoch auch möglich, dass dieser weitere Spalt Bestandteil desjenigen Spaltes ist, in dem die Permanentmagneteinheit sitzt. Dies bedeutet, dass die Permanentmagneteinheit beispielsweise zu einer oder zu beiden Stirnflächen des Kernmaterials aus magnetisch weichem Material ein- oder beidseitig beabstandet ist.
Als magnetisches Material der Einzelpermanentmagnetstücke bietet 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 Koerzitivfeldstärke und damit durch eine hohe magnetische Energiedichte aus.
Wenngleich in einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Einzelpermanentmagnetstücke als nebeneinander liegende Lamellen oder Streifen ausgebildet sind, liegt es auch im Rahmen der Erfindung, dass die Einzelpermanentmagnetstücke zueinander gebogen, insbesondere abgewinkelt sind.
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 unterschiedlichen 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 Ausführungsbeispieles eines induktiven Bauteils nach der Erfindung,
Figur 2a-2f: sechs mögliche Ausführungsformen einer Permanentmagneteinheit, wie sie in Figur 1 eingesetzt werden kann, in perspektivischer Darstellung,
Figur 3a-3c: Draufsichten von drei weiteren Beispielen von Permanentmagneteinheiten, wie sie in Figur 1 einsetzbar sind, allerdings nicht zur Erfindung gehören,
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 Permanentmagneteinheiten, 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 Permanentmagneteinheiten mit 1024 Einzelpermanentmagnetstücken, einer lamellierten Ausführungsform mit Permanentmagnetstreifen und einer Kammstruktur von Permanentmagnetstreifen, und
Figur 9: 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 beiden Querschenkel 10a und 10b miteinander verbindenden Längsschenkel 10c und 10d. Die beiden Querschenkel 10a, 10b und/oder die beiden Längsschenkel 10c, 10d können einen mehreckigen Querschnitt aufweisen, aber auch einen runden oder ovalen 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 10d 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. Orthogonal 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 10d ist eine Spule 30 gewickelt. Die Permanentmagneteinheit 50 ist dabei 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 Papierschicht oder ähnlichem gebildet sein kann.
Eine solche Permanentmagneteinheit 50 in Blockform kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass die Einzelpermanentmagnetstreifen 51 mit den Isolatoren 55 miteinander verklebt oder vergossen werden. Die gesamte Permanentmagneteinheit 50 wird in den Spalt 20 des magnetischen Kreises 10 eingesetzt und zwar derart, dass der Spalt 20 vorzugsweise vollständig 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, ausgefüllt sein.
Es hat sich als günstig herausgestellt, für die Permanentmagneteinheit 50 und damit die Einzelpermanentmagnetstücke 51 ein magnetisches Material zu verwenden, welches aus einer Seltenerdverbindung 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 Koerzitivfeldstärke aus, wodurch die so hergestellten Permanentmagnete eine hohe magnetische Energiedichte 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 Permanentmagneteinheit 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 gelegten 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 ° gezeigt. Andere Verdrehwinkel, wie zum Beispiel 30 °, 45 ° oder 60 ° sind ebenfalls möglich. Zudem können die aufeinander gesetzten Permanentmagneteinheiten 50, 50' zum Beispiel auch eine unterschiedliche Höhe in Y-Richtung und/oder eine unterschiedlich dicke Lamellierung aufweisen.
Wenngleich bisher immer nur Permanentmagneteinheiten 50, 50' beschrieben wurden, die eine quaderförmige Außenkontur aufweisen, ist es ohne Weiteres möglich, eine zylindrische Außenkontur vorzusehen. Dies ist in den Fig. 2a, 2b und 2d gestrichelt angedeutet.
In Figur 2c ist eine ähnliche Anordnung der Permanentmagneteinheit 50 wie in Figur 2a dargestellt. Im Unterschied hierzu sind die Einzelpermanentmagnetstreifen 51 an ihren dem Betrachter 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 Einzelpermanentmagnetstreifen 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 Permanentmagneteinheit 50 dargestellt. Dabei sind die Einzelpermanentmagnetstreifen 51 durch einen mittleren Steg 54 miteinander verbunden.
In Figur 3 sind weitere Ausführungsformen von Permanentmagneteinheiten 50 in Draufsicht, also in Y-Richtung gesehen, dargestellt. Figur 3a zeigt eine L-förmige Struktur der Einzelpermanentmagnetstücke, 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 halten, kann auch eine gewickelte Struktur der Permanentmagneteinheit 50 vorgesehen sein.
Die Figuren 4 und 5 zeigen jeweils Ausschnitte eines magnetischen 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 Permanentmagneteinheit 50 mit Einzelpermanentmagnetstücken 51 vorgesehen, sondern im magnetischen Kreis 10 ein zusätzlicher Spalt 20' angeordnet, in dem eine zusätzliche Permanentmagneteinheit 50' mit Einzelpermanentmagnetstücken 51' angeordnet ist, wobei diese ebenfalls so zueinander ausgerichtet sind, wie die Einzelpermanentmagnetstücke 51 in der Permanentmagneteinheit 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 Permanentmagneteinheiten 50 dargestellt. Figur 6a zeigt eine Permanentmagneteinheit 50 mit einem quaderförmigen Einzelmagneten, 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 dargestellt, aber in vier würfelförmige Einzelmagnetstücke 51 rechtwinklig unterteilt.
Schließlich zeigt Figur 6c eine noch weiter unterteilte Permanentmagneteinheit 50, nämlich eine solche, mit 16 Einzelpermanentmagnetstücken, die in einer 4 x 4-Matrix zueinander liegen. Die Einzelpermanentmagnetstücke 51 in den Figuren 6b und 6c sind minimal zueinander beabstandet, so dass annäherungsweise 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 Permanentmagneteinheit 50 wird weiterhin mit 1 mm angenommen.
Geht man davon aus, dass die in den Figuren 6a, 6b und 6c dargestellten Permanentmagneteinheiten 50 von einem sich zeitlich ändernden Magnetfeld B, also einem Wechselfeld, durchsetzt werden, das - wie in Figur 6a angedeutet - aus der Zeichenebene herauskommt, so bilden sich - wie ebenfalls in Figur 6a durch den Kreispfeil angedeutet - Wirbelströme. Diese Wirbelströme 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 B_e = 100 mT angelegt, so zeigt sich eine Verlustleistung in Abhängigkeit der Frequenz des angelegten Wechselfeldes, wie dies in Figur 7 in der oberen Kurve I gezeigt ist. Bei einer Frequenz von 20 kHz würde sich eine Verlustleistung von etwa 1000 Watt einstellen, was natürlich inakzeptabel hoch ist.
Wird der in Figur 6a gezeigte Magnet dagegen in vier Einzelpermanentmagnetstücke 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 immer 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 Einzelpermanentmagnetstücke 51, wie dies in Figur 8a dargestellt ist, nämlich in tausendvierundzwanzig Einzelpermanentmagnetstücke, also in eine Matrix von 32 x 32 Einzelpermanentmagnetstücke 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 tausendvierundzwanzig 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. Einzelpermanentmagnetlamellen ausgebildet wird. Die zu einer Permanentmagneteinheit gemäß Figur 8b zugehörige Kennlinie ist in Figur 9 mit V bezeichnet. Es ist klar erkennbar, dass bei einer Frequenz 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 Permanentmagneteinheit 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.

Bezugszeichenliste

1: Induktives Bauteil

10: magnetischer Kreis
10a: Querschenkel
10b: Querschenkel
10c: Längsschenkel
10d: Längsschenkel
12: erstes stirnseitiges freies Ende
14: zweites stirnseitiges freies Ende

20: Spalt
20': Spalt

30: Spule

50: Permanentmagneteinheit
50': Permanentmagneteinheit
51: Einzelpermanentmagnetstücke, Einzelpermanentmagnetstreifen, Einzelpermanentmagnetlamelle
51': Einzelpermanentmagnetstücke, Einzelpermanentmagnetstreifen, 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,

- eine Permanentmagneteinheit (50), die in dem Spalt (20) sitzt und aus mehreren voneinander beabstandeten Einzelpermanentmagnetstücken (51) besteht, welche jeweils eine zur Y-Richtung (Y) gleichgerichtete Magnetisierungsrichtung aufweisen,

- mindestens eine Spule (30), die um die Permanentmagneteinheit (50) gewickelt ist,
gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
- die Einzelpermanentmagnetstücke(51) sind als Einzelpermanentmagnetstreifen oder -lamellen ausgebildet und von Isolierschichten getrennt ausschließlich in eine Richtung orthogonal zur Y-Richtung (Y) nebeneinander beabstandet gestapelt, und

- die Spule (30) ist um sämtliche Einzelpermanentmagnetstreifen oder -lamellen gewickelt.
Induktives Bauteil (1) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe (H) der Einzelpermanentmagnetstücke (51) in Y-Richtung (Y) größer ist als die Breite (B) der Einzelpermanentmagnete (51) in Stapelrichtung.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpermanentmagnetstücke (51) unter Zwischenlage von Isolierschichten (55) zueinander angeordnet sind.
Induktives Bauteil (1) nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, 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 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit einem magnetischen Isolator gefüllter weiterer Spalt (60), insbesondere ein Luftspalt, im magnetischen Kreis (10) vorgesehen ist.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische 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 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Einzelpermanentmagnetstücke (51) gebogen ist, insbesondere abgewinkelt.
Induktives Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelpermanentmagnetstücke (51) nach Art einer Kamm- oder Doppelkammstruktur miteinander verbunden sind.