Magnetkern

Aus einzelnen Bauteilen zusammensetzbarer Transformator zu Anschauungszwecken. Links der U-förmige Teil des Magnetkerns (U-Kern), im mittleren Bild sind Spulen über dessen Schenkel gesteckt, im rechten Bild ist ein I-förmiger Kern auf den U-Kern gelegt (UI-Kern), wodurch der magnetische Kreis geschlossen wird.

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.^[1] 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.

1. ↑ Franz Moeller, Paul Vaske (Hrsg.): Elektrische Maschinen und Umformer. Teil 1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten, 11. überarbeitete Auflage, B. G. Teubner, Stuttgart 1970.