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Die
Erfindung betrifft einen Magnetkern, insbesondere in Form eines
Gehäuses
eines Topfmagneten, einen Elektromagneten mit einem solchen Magnetkern,
ein magnetisches Axiallager mit einem solchen Elektromagneten und
Verfahren zum Herstellen des Magnetkerns.
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Um
Wirbelströme
in Kernen für
Elektromagnete, einschließlich
Transformatoren, zu vermeiden, müssen
geeignete Maßnahmen
getroffen werden. Wirbelströme
produzieren Verluste und begrenzen die Eindringtiefe des magnetischen
Feldes in das Material. Mit höheren
Frequenzen nehmen die Wirbelströme
zu, weswegen die Eindringtiefe des Feldes immer kleiner wird. Klassisch
werden deshalb die Kerne aus dünnen
Einzelblechen aufgebaut, wobei an der Isolation zwischen den Blechen
die Wirbelströme
unterbrochen werden. Kerne für
runde Elektromagnete (Topfmagnete), z. B. für die axiale Lagerung von Magnetlagern
oder andere Anwendungen, sind jedoch produktionstechnisch nur schwer
aus Einzelblechen zu fertigen, da diese nach bisheriger Kenntnis
die Form von Kuchenstücken
haben müssten.
Bleche mit konstanter Dicke sind ebenfalls nicht direkt verwendbar,
da ein variabler und Außen
viel zu großer
Luftspalt entstehen würde.
Für eine
runde Geometrie sind folglich keine geblechten Anordnungen bekannt.
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Alternativ
können
für höherfrequente
Anwendungen mit geringeren Feldstärken auch Ferrite verwendet
werden, die einen sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand
aufweisen und daher Wirbelströme
sehr gut unterdrücken.
Ein Aufbau aus Ferrit hat den Nachteil einer geringeren Sättigungsfeldstärke von
0,3 bis 0,4 T im Vergleich zu 1,5 bis 2 T für Eisenbleche.
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Neuartige
Materialien aus gepressten, lackierten Eisenspänen (Pulververbundwerkstoffe) sind
ebenfalls verwendbar, aber teuer und weisen deutlich geringere Permeabilitätswerte
als massives Eisen auf.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetkern, insbesondere
einen runden Magnetkern (insbesondere ein Gehäuse eines Topfmagneten) bereitzustellen,
welcher verlustminimiert ist und einen schnellen Feldaufbau erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird mittels eines Magnetkerns, eines Elektromagneten, eines
axialen Magnetlagers und mittels zweier Verfahren zur Herstellung eines
Magnetlagers nach dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen
sind insbesondere den abhängigen
Ansprüchen entnehmbar.
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Der
Magnetkern ist zumindest teilweise aus Einzelblechen gefertigt,
welche zumindest annähernd
kreisevolventenförmig
geformt sind, insbesondere kreisevolventenförmig. Durch einen Aufbau des Magnetkerns
aus in Form einer Kreisevolvente gebogenen Blechen, insbesondere
konstanter Dicke, kann eine wirkungsvolle Blechung des Kerns und
damit eine wirksame Unterdrückung
von Wirbelströmen erreicht
werden. Der Herstellungsaufwand ist vergleichsweise gering, und
es können
wesentlich größere Feldstärken erreicht
werden als bei einem Kern aus Ferritmaterial, was eine wesentlich
kompaktere Bauweise ermöglicht.
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Zur
besonders einfachen Herstellung werden Einzelbleche bevorzugt, welche
zumindest vor der Biegung in die kreisevolvente Form eine konstante
Dicke aufweisen. Der Herstellungsaufwand ist deutlich geringer als
ein Aufbau aus Elementen variabler Dicke, welcher grundsätzlich auch
möglich
ist.
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Eine
solche kreisevolventenförmige
Blechung ist besonders einfach herstellbar für im Wesentlichen achssymmetrische
Körper.
Daher wird ein zumindest äußerlich
runder bzw. zylinderförmiger Magnetkern,
insbesondere ein Topfmagnet, bevorzugt. Genauer gesagt wird insbesondere
ein Magnetkern mit zumindest annähernd
zylinderförmiger
(einschließlich
scheibenförmiger)
Mantelfläche
bevorzugt.
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Es
wird zur einfachen Herstellung besonders bevorzugt, wenn die Einzelbleche
um eine Symmetrieachse, insbesondere Längsachse, des Gehäuses winkelsymmetrisch
angeordnet sind.
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Die
Einzelbleche sind dann vorzugsweise in Umfangsrichtung der Symmetrieachse
gebogen.
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Zur
einfachen Herstellung und Nutzung als Topfmagnet kann ein Magnetkern
bevorzugt sein, der insbesondere eine mittige Aussparung entlang
seiner Symmetrieachse aufweist, z. B. zur Durchführung einer Achse oder Welle,
z. B. eines magnetischen Lagers.
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Es
wird insbesondere ein Magnetkern bevorzugt, der ein Gehäuse eines
Topfmagneten darstellt, da dieser besonders einfach aus den kreisevolventen Blechen
herstellbar ist.
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Die
kreisevolvente Blechung macht sich bereits vorteilhaft bei einem
als Gehäuse
eines Topfmagneten ausgestalteten Magnetkern bemerkbar, falls mindestens
eine (insbesondere kreis- oder
ringförmige)
Bodenplatte aus den kreisevolventenförmigen Einzelblechen geformt
ist. Diese ist meist besonderes einfach herstellbar.
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Es
wird zur besonders wirksamen Unterdrückung von Wirbelströmen jedoch
ein Gehäuse
eines Topfmagneten bevorzugt, das im Wesentlichen vollständig aus
den kreisevolventenförmig
geformten Einzelblechen aufgebaut ist.
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Die
Aufgabe wird auch mittels eines Elektromagneten gelöst, welcher
mindestens einen solchen Magnetkern aufweist.
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Das
magnetische Axiallager weist mindestens einen solchen Magnetkern
bzw. Elektromagneten mit einem solchen Magnetkern, speziell Topfmagneten,
auf. Eine kreisevolvente Blechung ist hierbei nicht nur vorteilhaft,
um Verluste zu vermeiden, sondern auch, um einerseits einen schnellen
Feldaufbau bei großen
Kraftgradienten zu ermöglichen
und andererseits ein hochfrequentes Feld aufzumodulieren, was dann
zur Positionsbestimmung des Rotors genutzt werden kann. Dies funktioniert
allerdings nur dann, wenn die Wirbelströme geeignet unterdrückt werden
können,
wie nun möglich.
Andere Anwendungen (z. B. Kerne für Trafos) mögen eine kreisevolvente Blechung
vorzugsweise zur Verlustminimierung benötigen.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines solchen Magnetkerns weist mindestens
den Schritt eines Biegens von vollflächigen Einzelblechen in eine
kreisevolvente Form auf, um einen Vollkörper aus den aufeinanderliegenden,
kreisevolvent geformten Einzelblechen zu bilden. Im einfachsten
Fall wird so ein Magnetkern mit einer vollzylindrischen oder rohr-
oder scheibenförmigen
Grundform geschaffen.
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Um
komplexere Formen aus einer solchen Grundform zu entwickeln, wird
es bevorzugt, wenn sich daran ein Schritt eines Einbringens von
Aussparungen in den Vollkörper
anschließt,
z. B., um ein Gehäuse
für einen
Topfmagneten zu bilden.
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Ein
anderes Herstellungsverfahren umfasst mindestens den Schritte eines
Biegens von mit Aussparungen versehenen Einzelblechen in eine kreisevolvente
Form, um ein Gehäuse
für einen
Elektromagneten aus den aufeinanderliegenden, kreisevolvent geformten
Einzelblechen zu bilden.
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In
den folgenden Figuren wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels
schematisch genauer beschrieben. Dabei können zur besseren Übersichtlichkeit
gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen sein.
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1 zeigt
in Schrägansicht
ein aufgeschnittenes magnetisches Lager mit einem Topfmagneten;
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2 zeigt
in Schrägansicht
ein Gehäuse des
Topfmagneten aus 1;
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3 skizziert
in Ansicht von vorne einen Aufbau einer Bodenplatte des Gehäuses aus 2 aus
kreisevolvent geformten Einzelblechen.
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1 zeigt
ein magnetisches Radiax-Lager 1 mit einer zu lagernden
Welle 2. Die Welle 2 wird axial mittels eines
magnetischen Axiallager 3 gelagert, an das sich zu beiden
Seiten beabstandet jeweils ein magnetisches Radiallager 4 anschließt.
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Das
Axiallager 3 weist zwei benachbarte zylinderförmige Elektromagnete
(Topfmagnete) 5 auf, welche die Welle 2 berührungslos
umgeben und in deren auch als Magnetkern dienenden Gehäusen 6 jeweils
eine die Welle 2 ringförmig
umgebende Wicklung 7 eingeschlossen ist. Zur Sicherstellung
der axialen Lagerung wird eine in einem Zwischenraum zwischen den
Topfmagneten 5 an der Welle 2 senkrecht stehend
angebrachte Lagerscheibe 8 aus magnetischem Material verwendet.
Das Gehäuse 6 des
Topfmagneten 5, das die Wicklung 7 aufnimmt, weist
im Einzelnen seitliche Bodenplatten 13 auf sowie radiale Wandungen 14 auf.
Die Welle 2 ragt lose durch eine Aussparung (ohne Bezugszeichen)
des Gehäuses 6.
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Die
Lagerscheibe 8 ist von den Topfmagneten 5 durch
einen Luftspalt (ohne Bezugszeichen) getrennt. Die Lagerscheibe 8 dreht
sich somit mit der Welle 2 gegen die Topfmagnete 5 mit
und stellt folglich den Rotor des Axiallagers 3 dar. Die
Lagerscheibe 8 wird üblicherweise
als ein Teil des Axiallagers 3 angesehen. Die Lagerscheibe 8 müsste nach
bisheriger Kenntnis radial geblecht werden (in Form von Kuchenstücken), was
fertigungstechnisch nicht sinnvoll ist. Ebenso wenig kommt ein Ferritmaterial
oder gepresstes Eisenpulver in Frage. Für einige Magnetanordnungen
tritt ein ähnliches
Problem auch bei der radialen Lagerung auf. Ist der Rotor 8 nicht
geblecht, kann nach bisheriger Kenntnis eine Signalauswertung der
posi tionsabhängigen
Induktivität
jedoch nur mit relativ geringen Messfrequenzen erfolgen bzw. ist der
Signalhub der Induktivität
zu Rotorposition relativ gering. Folglich muss ein erheblicher Aufwand
in eine Signalauswertung investiert werden. Der hochfrequente Anteil
des magnetischen Flusses, der zur Positionsbestimmung des Rotors
ausgenutzt wird, weist nur eine relativ geringe Amplitude im Verhältnis zum im
Wesentlichen gleichstromartigen Anteil des Feldes für die Krafterzeugung
auf. Deshalb würde
schon eine kleine Verbesserung der Eindringtiefe eine deutliche
Verbesserung der Signalaufnahme bringen.
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Das
Radiallager 4 weist drei um jeweilige als Magnetkerne wirkende
Streben 9 eines statischen Rahmens bzw. Stators 10 gewickelte
Wicklungen 11 auf, welche winkelsymmetrisch um die Welle 2 angeordnet
sind. Der Stator 10 umgibt ein an der Welle 2 befestigtes
magnetisches Element 12 mit ringförmiger Außenkontur ('Rotor'). Der Rotor 12 ist vom Stator 10 durch
einen Luftspalt (ohne Bezugszeichen) getrennt.
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2 zeigt
ein herkömmliches
Gehäuse 6 des
Topfmagneten 5 des Axiallagers 3 aus 1 mit der
Bodenplatte 13, der Mantelfläche 14 und der mittigen
Aussparung 15 zur Durchführung der Welle.
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3 zeigt
eine vereinfachte Skizze eines Aufbaus einer Bodenplatte 13 des
Gehäuses 6 eines Topfmagneten 5 aus
kreisevolvent geformten Einzelblechen, die als durchgehende Linien
dargestellt sind und von denen hier ein Einzelblech 16 zur übersichtlicheren
Darstellung als breitere Linie hervorgehoben ist. Die Einzelbleche 16 setzen
senkrecht an der Aussparung 15 an und sind dann so gegen
den Uhrzeigersinn um die durch die Aussparung 15 laufende Längsache
bzw. Drehachse L verdreht, dass sie vollflächig aufeinanderliegen. Dadurch
ergibt sich eine im Querschnitt kreisevolvente Form der Einzelbleche 16,
welche nur zur Vereinfachung nicht bis zur Rand der Bodenplatte 13 weitergeführt gezeichnet
sind.
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Durch
eine Blechung, bei der die einzelnen Bleche 16 in Form
einer Kreisevolvente gebogen sind, lässt sich sowohl das Problem
der zu großen Luftspalte
lösen als
auch die Fertigung relativ einfach halten. Durch die Biegung in
Form einer Kreisevolventen bleibt die Materialdichte über den
radialen Querschnitt näherungsweise
konstant. Ferner können
zur Herstellung Standardbleche verwendet werden, die lediglich in
die richtige Form gebogen werden müssen.
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Eine
solche Bodenplatte 13 kann beispielsweise dadurch hergestellt
sein, dass zunächst
ebene Einzelbleche 16 aneinander an ihren Kanten kontaktierend
der Kontur der Aussparung 15 folgend angesetzt werden,
wobei die Einzelbleche sich zunächst ungefähr radial
und zueinander winkelsymmetrisch erstrecken. Folgend werden die
Bleche 16 gegen den Uhrzeigersinn so lange um die Längsachse
L verdreht, bis sie vollflächig
aufeinander aufliegen. Dann bilden sie einen aus den aufeinanderliegenden,
kreisevolvent geformten Einzelblechen 16 gebildeten zylindrischen
Vollkörper
mit der mittigen Aussparung 15.
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Falls
das gesamte Gehäuse 6 aus
einem solchen Blechpaket hergestellt wird, folgt der Schritt des Einbringens
von Aussparungen in den Vollkörper,
um das Gehäuse
aus dem Zylinder zu bilden, z. B. mittels Fräsens und so weiter.
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Alternativ
oder zusätzlich
können
Einzelbleche 16 in die kreisevolvente Form gebogen werden, welche
bereits Aussparungen enthalten, die auf eine Aussparung des fertigen
Gehäuses
abgestimmt sind.
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Der
gezeigte Aufbau der Bodenplatte 13 kann analog auch für die Lagerscheibe 8 aus 1 verwendet
werden.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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So
können
die kreisevolvent geformten Bleche auch für Elemente eines Transformators
verwendet werden.
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Ein
aus diesen Blechen geformter Körper kann
zur Erhöhung
der mechanischen Stabilität
außenseitig
mittels einer darüber
aufgezogenen Hülse oder
Rings versehen sein.