Als Ringkern bezeichnet man einen magnetischen Kern in Ringform. Aus geometrischer Sicht sind dies Toroide, Ronden, Rohrabschnitte bzw. kreisrunde Körper mit einem Loch in der Mitte. Der Ringkern stellt eine geschlossene magnetische Form dar, die zusammen mit der Wicklung ein induktives Bauteil wie z.B. einen Transformator oder eine Drossel ergibt. Alle anderen Kernformen haben durch Ihre Teilbarkeit einen mehr oder weniger großen Luftspalt so das der Ringkern bezüglich der Ausnutzung der Materialeigenschaften als "ideal" gilt. Mit Ringkernen lassen sich die höchsten Permeabilitäten erreichen. Je nach Magnetwerkstoff werden zur Feststellung der Materialeigenschaften häufig Ringkerne als Referenz herangezogen.
Berechnungen
Für weiterführende Berechnungen bei Ringbandkernen sind die magnetisch wichtigen Dimensionen notwendig. Als kennzeichnende Größen besitzt der Ringkern einen Außendurchmesser (da) einen Innendurchmesser (di) sowie ein Höhe (h).
- magnetische Weglänge, Eisenweglänge: lFe
- magnetischer Querschnitt, Eisenquerschnitt: AFe
- Volumen, Eisenvolumen: VFe
- Kernmasse (Gewicht): mFe
Formel 1
Formel 2
Formel 3
Formel 4
Erläuterung: Der Eisenfüllfaktor ηFe stellt das Verhältnis zwischen magnetischen Kernquerschnitt zu geometrischem Kernquerschnitt dar. (typ. Wert für RBK: 75-90%,
Beispiel: NiFe Banddicke 0,3 mm: ηFe = 95 %, amorphes Material, Banddicke 0,023mm: ηFe= ca. 80%.
Die Dichte γ des Kernmaterial angegeben in g/cm3. Beispiele: metallische Legierungen: 7-9 g/cm 3, Ferrite: 4-5 g/cm3, Metallpulverkerne: 5-7 g/cm3.
Für die unterschiedlichen weichmagnetischen Werkstoffe sind verschiedene Herstellverfahren für Ringkerne bekannt.
Ringkerne aus Ferrit oder Pulverwerkstoffe
Diese Kernform wird durch das Pressen von Pulver in ein ringförmiges Werkzeug erzeugt. Die gepressten "Grünlinge" werden in nachfolgenden Temperaturbehandlungen verfestigt und teilweise auch bei erhöhter Temperatur gesintert. Anschließend sind häufig Verfahren zur Entgratung und nachfolgenden Beschichtungen mit Lack oder Kunststoff zur Isolation erforderlich. Alle Pulverwerkstoffe haben den Nachteil der Brüchigkeit, so das derartige Ringkerne bei kräftigen Stößen häufig Risse bekommen, ihre Eigenschaften verlieren und im Extremfall zerreissen. Vorteil dieser Kerne ist die relativ hohe Genauigkeit ihrer Außenabmaße (Werkzeuggebunden) und die verrundeten Kanten was den nachfolgenden Prozess der Bewicklung häufig vereinfacht.
Ringkerne aus Bandmaterial
Die Herstellung von gewickelten Kernen aus Bandmaterial führte zu der Bezeichnung Ringbandkerne (RBK). Diese werden aus kristallinen Bändern z.B. aus NiFe-Werkstoffen sowie aus amorphen und nanokristallinen Legierungen hergestellt. Hierbei wird das Bandmaterial auf einem metallischen Zylinder befestigt und dann bis zur Sollstärke aufgewickelt. Nachdem das Ende ebenfalls befestigt wurde, erhält man nach dem Herausziehen des zylindrischen Wickeldornes den Ringbandkern. Je nach Legierung erfolgt dann eine Wärme- bzw. Feldwärmebehandlung in einem Ofen, um die optimalen Magneteigenschaften einzustellen. Banddicken zwischen 0,006 mm und 0,3 mm sind typisch. Zur Verminderung der Wirbelstromverluste werden die Bänder meistens mit einer möglichst dünnen Isolationsschicht ausgestattet.
Zum Schutz des RBK vor mechanischen Belastungen sowie zum Schutz des Wickeldrahtes vor den scharfen Kanten ist eine nachfolgende Isolation bzw. Umhüllung notwendig. Übliche Verfahren sind: Lackieren, Beschichten z.B. mit Epoxidpulver, Einlegen in Kunststoffgehäuse (Tröge) mit Deckel.
Gegenüber anderen Ringkernen kann ein Ringbandkern im Prinzip beliebig groß hergestellt werden. Ringbandkerne mit einem Außendurchmesser von über 2 m werden z.B. in der Beschleunigertechnik für Elementarteilchen verwendet.
Für Sonderanwendungen sind sogenannte Mischkerne aus verschiedenen Legierungen hergestellt worden.
Alternativ zum gewickelten Bandkern sind auch Stanzscheibenkerne am Markt. Die Stanzringscheiben werden meist als Kernpakete gestapelt in Schutztrögen geliefert.
Die bei Pulverkernen eingebaute innere Scherung kann bei Bandkernen durch das Einbringen eines Luftspaltes erzeugt werden. Diese Technik erhöht deutlich die Gleichstromvorbelastbarkeit und wird häufig bei Speicherdrosseln und Speicherübertragern eingesetzt.
Weiterverarbeitung von Ringkernen:
Zur Herstellung von induktiven Bauteilen wie Transformatoren, Übertrager, Drosseln, usw. ist die Bewicklung der Ringkerne mit einem Leiter notwendig. Hier kommt überwiegend Kupferlackdraht zum Einsatz. Für Ringkerne hat sich durch die geometrischen Besonderheiten eine eigenständige Bewickeltechnik etabliert.
Handbewicklung:
Bei geringen Windungszahlen und auch bei sehr kleinen Ringkernen erfolgt die Bewicklung per Hand. Hierbei werden je nach Drahtlänge und Drahtstärke Hilfmittel wie Nähnadeln oder Magazine bzw. Schiffchen benutzt.
Maschinenbewicklung:
1. Ringkernwickelmaschinen sind seit über 50 Jahren etablierte Fertigungsanlagen. Am weitesten verbreitet sind die halbautomatischen Maschinen bei denen jeweils ein Bediener notwendig ist. Der Kerne wird dabei in ein teilbares Magazin eingelegt, und der Wickeldraht auf das Magazin aufgespult. Danach erfolgt die Abwicklung des Drahtes vom Magazin auf den Ringkern, wobei der Kern in einer Aufnahme langsam gedreht wird. Je nach Kerngröße und entsprechend dünnem Draht sind Bewicklung von 5000 Windungen und mehr möglich. Relativ teuer und entsprechend selten sind vollautomatische Ringkernwickelmaschinen.
2. Für geringere Windungszahlen und größere Drahtstärken sind auch Häkelnadelmaschinen bekannt. Hierbei wird der Kern horizontal von außen gehalten, und eine in z-Achse bewegliche Häkelnadel taucht von unten durch das Innenloch und zieht die komplette Drahtlänge mit sich.