Ein magnetischer Kern, auch Magnetkern oder nach der historischen Entwicklung auch Eisenkern genannt, ist ein Bauteil, aus dem zusammen mit elektrischen Leitern und mechanischen Teilen ein elektrisches oder elektronisches Bauelement, eine Induktivität, hergestellt werden kann.
Der Magnetkern bildet zusammen mit einem elektrischen Leiter eine Induktivität (Spule, Transformator usw.).
Magnetkerne bestehen aus einem weichmagnetischen Werkstoff mit möglichst hoher magnetischer Sättigungsflussdichte und hoher magnetischer Permeabilität. Dadurch wird der magnetische Fluss, der bei Stromfluss durch den elektrischen Leiter der Spule entsteht, verlustarm gebündelt, geführt und die Induktivität erhöht.Franz Moeller, Paul Vaske (Hrsg.): Elektrische Maschinen und Umformer. Teil 1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten, 11., überarbeitete Auflage, B. G. Teubner, Stuttgart 1970. Eine hohe Permeabilität erhöht das Magnetfeld einer Induktivität um bis zu fünf Zehnerpotenzen gegenüber einer Induktivität mit Luft als Kern, wodurch die Abmessungen der Induktivität mit einem Magnetkern kleiner als bei einer Luftspule werden können.
Als Werkstoffe für Magnetkerne werden entweder ferromagnetische Metalllegierungen, meist in Form von Blech bzw. Folie (Elektroblech, Metallisches Glas) oder gebundenem Pulver (Pulverkern) eingesetzt oder es werden oxidkeramische ferrimagnetische Werkstoffe (Ferrite) eingesetzt (Ferritkern).
Entscheidend für die Anwendung von Werkstoffen für Magnetkerne sind die bei Wechselstrom auftretenden Verluste. Die sogenannten Eisen- bzw. Kernverlusten haben zwei Komponenten: Ein geringer Restmagnetismus ist Voraussetzung für eine verlustarme Ummagnetisierung im Wechselstrombetrieb. Die Wirbelstromverluste werden bei Kernen aus Elektroblech-Paketen durch voneinander isolierte Bleche verringert.
Nur bei Gleichstromanwendungen (z. B. Elektromagnet) können ungeblechte (massive) Eisenkerne verwendet werden.
Ferritkerne haben um einige Zehnerpotenzen geringere Wirbelstromverluste als Eisenkerne, da sie als Metalloxide den elektrischen Strom schlecht leiten. Ähnliches gilt auch für Pulverkerne – hier sind Metallpulverteilchen voneinander isoliert.
Magnetkerne aus Blechen werden überwiegend für niederfrequente (Netzfrequenz bis wenige kHz) Anwendungen und große und sehr große Leistungen bis in den Megawattbereich hinein verwendet. Elektroblech-Kerne decken von der eingesetzten Masse her wohl etwa die Hälfte des Marktes an Magnetkernen ab. Sie zeichnen sich aus durch skalierbare Baugrößen, die von kleinen Netztransformatoren in Streichholzschachtelgröße über Transformatoren und Elektromotoren bis hin zu Kraftwerksgeneratoren geht. Nachteilig sind die Wirbelstrom- und Hystereseverluste.
Ferritkerne sind aufgrund entfallender Wirbelstromverluste, einstellbarer Eigenschaften, vielfältiger Bauformen und geringer Kosten von der Quantität her die am häufigsten eingesetzten Magnetkerne für Induktivitäten. Sie werden meist für höhere Frequenzen und Leistungen meist unter etwa 10 kW und somit bevorzugt in elektronischen Geräten eingesetzt. Beispiele sind Stromversorgungen für Notebooks, Tablets, Smartphones und LED-Lampen oder auch Schweißinverter. Der durch den Herstellprozess der Ferritkerne begrenzten maximalen Baugröße begegnet man durch Reihen- bzw. Parallelschaltung.
Pulverkerne werden dann eingesetzt, wenn auf kleinem Bauraum bei hohen Frequenzen viel magnetische Energie gespeichert werden muss – so z. B. für Ringkern-Speicherdrosseln.
Für Spezialanwendungen wie z. B. beim Spaltpolmotor mit Synchronbetrieb finden auch Magnetkerne aus gemischten weich- und hartmagnetischen Materialien Verwendung.
Allgemeine Hinweise Abgrenzung gegenüber hartmagnetischen Werkstoffen mini|Der Unterschied zwischen weich- und hartmagnetischen Werkstoffen ist an der Form der Hysteresekurven sichtbar. In einem weichmagnetischen Kern aus einem ferro- oder ferrimagnetischen Material kann eine geringe Feldstärke eine große elektromagnetische Induktion mit einer hohen magnetische Flussdichte (auch Induktion genannt) bewirken. Dieses Verhalten ist eine Materialeigenschaft und führt zu einer Magnetisierung des Kernmaterials. Auch bei weichmagnetischen Werkstoffen verbleibt jedoch eine Restmagnetisierung (Remanenz) nach dem Abschalten des Feldes, die durch eine gegenpolige Feldstärke, die sogenannte Koerzitivfeldstärke, zurückgesetzt werden kann. Als Grenze zwischen weich- und hartmagnetischen Materialien wurde eine Koerzitivfeldstärke von 1000 A/m definiert.
Weichmagnetische Werkstoffe können materialabhängig bis zu einer Sättigungspolarisation von etwa 2,3 Tesla (T) magnetisiert werden.
Wichtige Kenngrößen von Magnetkernen Beim Einsatz von Magnetkernen in Induktivitäten sind neben den mechanischen Abmessungen auch folgende magnetische und elektrische Kenngrößen zu berücksichtigen:Tridelta, Definitionen und Erläuterungen (PDF; 199 kB)
Magnetische Flussdichte bei Sättigung bzw. die Sättigungsmagnetisierung oder auch Sättigungsinduktion des Materials in Tesla (T) Remanenz , das ist die Restmagnetisierung, die nach Abschalten des Feldes im Material verbleibt Magnetische Feldstärke des anliegenden Feldes in A/m Koerzitivfeldstärke , das ist die magnetische Feldstärke, die notwendig ist, um eine Remanenz des Materials vollständig zu entfernen Permeabilität (magnetische Leitfähigkeit des Kernmaterials), dargestellt als absolute Permeabilität oder durch die Permeabilitätszahl (früher relative Permeabilität genannt) der spezifische Widerstand des Kernmaterials in die spezifischen Eisen- oder Kernverluste in W/kg oder W/cm³ für eine oder mehrere Frequenzen.
Alle elektrischen und magnetischen Eigenschaften sind material-, frequenz- und temperaturabhängig, insbesondere bei temperaturbelasteten Pulverkernen auch alterungsabhängig.
Permeabilität und Hysterese In einem magnetischen Kreis ist der Magnetkern der Leiter des Magnetflusses in Analogie zum metallischen Leiter im elektrischen Stromkreis, wobei die Permeabilität, die magnetische Leitfähigkeit des jeweiligen Materials, das Analogon zum elektrischen Widerstand ist.
Die magnetische Permeabilität (auch magnetische Leitfähigkeit) ist eine Materialeigenschaft, die die Durchlässigkeit des Materials für das magnetische Feld bestimmt. Anders ausgedrückt: Die Permeabilität bestimmt die Magnetisierung eines Materials durch ein äußeres Magnetfeld. Die materialabhängigen Permeabilitätszahl (früher auch als relative Permeabilität bezeichnet) ergibt sich aus der Permeabilität dividiert durch die magnetische Permeabilität des Vakuums
Aufgrund des geringen Zahlenwerts der magnetische Permeabilität des Vakuums, dargestellt in SI-Einheiten, unterscheiden sich die Konstanten und für ein Material auch durch die typische Größenordnung ihrer Zahlenwerte. Beispiel: Eisenblech: , .
mini|Typische Hysteresekurve eines weichmagnetischen Werkstoffes. Die jeweilige Permeabilität ergibt sich aus den Tangenten an bestimmten Kurvenabschnitten. (rot = Neukurve) mini|Der jeweilige Quotient der Induktion und der Feldstärke ergibt eine nichtlineare Funktion der Permeabilität für weichmagnetische Werkstoffes
Ermittelt wird die magnetische Permeabilität aus der Division der Flussdichte im Magnetkern und der zugehörenden Feldstärke :
Dieser Zusammenhang ist in der Praxis ein komplexer Sachverhalt: Wenn um den Magnetkern ein äußeres Magnetfeld aufgebaut wird, indem eine umschließende Spule von einem elektrischen Strom durchflossen wird, dann wird der Kern zwar magnetisiert, aber der Verlauf der Magnetisierung ist nur in kleinen Bereichen linear. Dieser Verlauf der magnetischen Flussdichte bzw. Induktion bei Änderungen des angelegten Feldes wird in einer Magnetisierungskurve dargestellt. Die Kurve wird bei einem Ummagnetisierungsvorgang zu einer sogenannten Hystereseschleife.
Die Hystereseschleife zeigt, dass die Permeabilität nicht linear ist. Der Zahlenwert der Permeabilität hängt vom Bezugspunkt auf der Magnetisierungskurve ab.H. Völz: Vorlesungsmaterial Magnetismus. (PDF; 2,4 MB) 1. April 2010 Je nach Anwendung werden verschiedene Definitionen der Permeabilität benutzt. Für technische Anwendungen ist sie in der Norm mit unterschiedlichen Bezugspunkten definiert.DIN 50460:1988-08, Bestimmung der magnetischen Eigenschaften von weichmagnetischen Werkstoffen; Allgemeines, Begriffe, Grundlagen der PrüfverfahrenTDK, Ferrite, Summary. (PDF; 95 kB) (PDF) Im obigen Bild rechts sind davon zwei Definitionen eingezeichnet, die Anfangspermeabilität , die sich aus Anfangs-Magnetisierungskurve ergibt und die maximale Permeabilität , die den Beginn der Sättigung anzeigt. Bis zu diesem Punkt ist die Permeabilität annähernd linear. Außerhalb dieses Bereiches geht das Material in die Sättigung, die Permeabilität nimmt stark ab.
Weichmagnetische Kerne haben materialabhängig Permeabilitätszahlen, die um bis zu 4 bis 5 Zehnerpotenzen größer als die der Luft sind.Bosch (Hrsg.): Technische Unterrichtung Elektrotechnik. 1. Ausgabe, Robert Bosch GmbH, Stuttgart 1976, VDT-UBE 002/1. Dadurch wird der magnetische Fluss in einen kleinen Kernquerschnitt konzentriert und kann dahin geführt werden, wo er wirken soll. Im Allgemeinen wird dadurch eine kleinere Baugröße von Induktivitäten ermöglicht. Bei Transformatoren wird außerdem eine kleinere Windungszahl der Primärspule möglich.A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965.
Hystereseschleifen – Form und Anwendung Mit der Form von Hystereseschleifen werden bestimmte Anwendungen ermöglicht:G. Herzer: Amorphous and Nanocrystalline Soft Magnets. (PDF) Vacuumschmelze
120px Runde Hysterese-R-Schleifen entstehen, wenn im Material keine magnetische Vorzugsrichtung dominiert. Charakteristisch ist ein Verhältnis von Remanenz- zu Sättigungsinduktion von . R-Schleifen werden bei bipolarer Aussteuerung mit höchster Permeabilität benötigt, beispielsweise in Stromwandlern für Fehlerstrom-Schutzschalter, ISDN-Übertragern oder stromkompensierten Funkentstördrosseln. 120px Rechteckige Hysterese-Z-Schleifen besitzen ein Remanenzverhältnis von . Die Anfangspermeabilität ist niedrig und die Maximalpermeabilität hoch. Z-Schleifen werden benötigt, wenn eine kleine Feldstärkeänderung eine sprunghafte Induktions- bzw. Impedanzänderung zur Folge haben soll. Beispiele sind Schaltkerne, Transduktordrosseln, hochpermeable bipolar ausgesteuerte Wandler und Transformatoren sowie Warensicherungsetiketten. 120px Flache Hysterese-F-Schleifen besitzen einen Zentralbereich konstanter Steigung mit niedriger Remanenz und nahezu konstantem Permeabilitätsniveau. F-Schleifen werden für verzerrungsarme Signal-Übertragungen oder erhöhte Gleichstromtoleranz benötigt, beispielsweise in Speicherdrosseln, stromkompensierten Drosseln, Signalübertragern mit Gleichstromtoleranz, Stromwandlern oder Messwandlern.
Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung mini|Die gewünschten magnetischen Eigenschaften von Werkstoffen werden erst durch eine Wärmebehandlung (Schlussglühen) erreicht.
Magnetkerne, die aus lamellierten Blechpaketen weichmagnetischer Legierungen bestehen, bedürfen meist einer speziellen Nachbehandlung zur Erzielung gewünschter magnetischer Eigenschaften, die sich z. B. in der Form der Hystereseschleife ausdrücken. Bis auf wenige Ausnahmen müssen diese Bleche einer Wärmebehandlung unterzogen werden, denn diese Werkstoffe werden in der Regel unter Vakuum erschmolzen und danach meist unkontrolliert abgekühlt. Dadurch hat das Material zunächst relativ undefinierte magnetische Eigenschaften. Auch können sich bei der Weiterverarbeitung der Bleche durch Stanzen, Schneiden oder Verformen die magnetischen Eigenschaften ändern.