[0001] Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 einen Kern für ein induktives
passives Bauelement, insbesondere Drossel, welches zumindest aus zwei im Wesentlichen
parallel zueinander angeordneten und jeweils aus mehreren magnetisierbaren Schenkelabschnitten
bestehenden Schenkeln besteht, wobei die Schenkel an ihren beiden Enden durch jeweils
ein Joch miteinander verbunden sind.
[0002] Derartige Drosseln werden in Verbindung mit Kondensatoren als Sinusfilter, beispielsweise
in Gestalt eines Tiefpassfilters, für Frequenzumrichter eingesetzt.
[0003] Aus dem Stand der Technik ist hierzu die gattungsgemäße
EP 03 016 771 C1 vorbekannt. Gegenstand dieser Erfindung ist ein Kern für ein Induktivitätsbauteil
mit mindestens zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Schenkeln, die
an ihren beiden Enden durch ein aus I-Kernen mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildeten
Joch miteinander verbunden sind, wobei die Schenkel aus mehreren einzelnen Segmenten
bestehen, die jeweils durch einen Isolator voneinander getrennt sind. Die Segmente
sind dabei mit den Isolatoren verklebt. Kennzeichnend für diese Erfindung ist, dass
der Kern als Ferritkern ausgebildet ist und die zylindrischen Schenkel durch als gepresste
Ferrittabletten mit rundem oder ovalem Querschnitt ausgebildete Segmente gebildet
werden.
[0004] Nachteilig an dieser Erfindung ist, dass die zwischen den Segmenten verklebten Isolatoren
als separate Bauteile vorliegen, was den Fertigungsaufwand des Kerns empfindlich erhöht.
Da die Dicke der Isolatoren entscheidend auf die effektive Permeabilität des Kerns
und die Induktivität der Drossel Einfluss nimmt, sind daher erhöhte Anforderungen
an die Fertigungsgenauigkeit der Isolatoren gestellt. Zudem treten im Bereich der
Isolatoren auf Grund Feldlinienausbreitung Wirbelstromverluste in der stromführenden
Kupferwicklung auf, was zu einer unerwünschten Erwärmung der Drossel führt.
[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, einen Kern für ein induktives passives
Bauelement, insbesondere Drossel vorzuschlagen, der bei einem einfachen Aufbau geringere
Wirbelstromverluste erzeugt und der besser entstört ist.
[0006] Nach der Konzeption der Erfindung besteht der Kern für ein induktives passives Bauelement,
insbesondere Drossel, zumindest aus zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten
und jeweils aus mehreren magnetisierbaren Schenkelabschnitten bestehenden Schenkeln,
wobei die Schenkel an ihren beiden Enden durch jeweils ein Joch miteinander verbunden
sind. Erfindungsgemäß ist ein aus Ferrit bestehender Abstandshalter vorgesehen, der
jeweils zwischen den in Längserstreckung der Schenkel hintereinander platzierten Schenkelabschnitten
unter Ausbildung einer Klebefuge verklebt ist, wobei die effektive Querschnittsfläche
in Längserstreckung der Schenkel eines Abstandshalter zwischen 0,1 bis 20% der Querschnittsfläche
eines Schenkelabschnitts in Längserstreckung der Schenkel entspricht.
[0007] Die Bemessung des effektiven Querschnitts des Abstandshalters und dessen Platzierung
relativ zu den Schenkelabschnitten erfolgt in Abhängigkeit der statischen Erfordernisse
und der gewünschten magnetischen Eigenschaften des Kerns. Vorzugsweise ist der Abstandshalter
zentriert zwischen den Schenkelabschnitten platziert. Der Abstandshalter ist dabei
ringartig mit runder oder eckiger Form oder als Korpus in Gestalt eines Zylinders,
eines n-eckigen Prismas oder einer Kombination daraus ausgebildet.
[0008] Die gemeinsam den Schenkel bildenden Schenkelabschnitte und Abstandshalter ergänzen
sich im Montagezustand zu einem geraden Kreiszylinder oder einem n-eckigen regulären
Prisma mit - bis auf den Bereich der Klebefugen - geschlossener Mantelfläche. Durch
diese konstruktive Maßnahme werden die Wirbelstromverluste der Wicklung, die bei Kernen
aus dem Stand der Technik im Bereich der Isolatoren zu verzeichnen sind, signifikant
verringert.
[0009] Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind jeweils ein Schenkelabschnitt
und ein Abstandshalter einteilig ausgebildet, wobei jeder Schenkelabschnitt jeweils
eine erste Stirnseite mit ebener Stirnfläche sowie eine gegenüberliegende zweite Stirnseite
mit einem über die zugehörige Stirnfläche hinausragenden ringartigen Kragen bzw. Rand
aufweist, und im Montagezustand des Schenkels nur der Kragen bzw. Rand eines Schenkelabschnitts
mit der ebenen Stirnfläche des jeweils benachbarten Schenkelabschnitts verklebt ist.
[0010] Im Montagezustand umschließen bzw. begrenzen der Abstandshalter oder der ringartige
Kragen bzw. Rand jedes Schenkelabschnitts im Zusammenwirken mit den sich gegenüberstehenden
Stirnflächen der miteinander verklebten Schenkelabschnitte einen geometrisch definierten
Luftraum, wobei dieser Luftraum als Speicher magnetischer Energie dient.
[0011] Die Höhe des erfindungsgemäß ausgebildeten Abstandshalters oder Kragens bzw. Randes
der zweiten Stirnseite jedes Schenkelabschnitts, welche jeweils den stirnseitigen
Abstand benachbarter Schenkelabschnitte definieren, bemisst sich nach der gewünschten
Induktivität und dem Sättigungsverhalten des gesamten Kerns.
[0012] Jeder der beiden Schenkel weist eine symmetrische Anordnung von Schenkelabschnitten
auf, wobei die Symmetrieachse jeweils entweder der halben Höhe der Schenkel oder der
Längsachse der Schenkel entspricht. Bei einer ersten Variante sind dazu eine definierte
Anzahl x von Schenkelabschnitten und eine Anzahl x-1 von Abstandshaltern vorgesehen,
wobei ein Schenkelabschnitt exakt auf der halben Höhe des Schenkels platziert ist.
Bei einer zweiten Variante findet eine Vielzahl von einteilig ausgebildeten Abstandshaltern
und Schenkelabschnitten Verwendung, wobei die den Kragen bzw. Rand aufweisenden Stirnseiten
in Richtung der halben Höhe des Schenkels weisen. Exakt auf der halben Höhe des Schenkels
ist ein Schenkelabschnitt ohne Rand bzw. Kragen platziert.
[0013] Wie erwähnt, sind der ringartige Kragen bzw. Rand und der zugehörige Schenkelabschnitt
einteilig ausgebildet, wobei der Kragen bzw. Rand durch spanlose Umformungsverfahren,
beispielsweise Pressen, oder durch spanende Umformungsverfahren, beispielsweise Bohren
oder Fräsen, herstellbar ist.
[0014] Zur Verbesserung des magnetischen Flusses bei geringer Aussteuerung des Kerns bzw.
der Amplitutenpermeabilität im gesättigten Fall des Randes sind die einzelnen Schenkelabschnitte
und ringförmigen Kragen bzw. Ränder, und damit auch jeder der beiden Schenkel, aus
Ferrit gefertigt. Dadurch, dass auch der gegenüber der Stirnfläche überhöhte Kragen
bzw. Rand aus Ferrit besteht, geht dieser bei größerer Aussteuerung in Sättigung,
wobei die effektive Permeabilität des Kerns auf den berechneten Wert sinkt. Der sich
im Sättigungszustand befindliche Ferritkragen bzw. Ferritrand fungiert dabei als "Abschirmring"
und verringert die durch das magnetische Streufeld verursachten Wirbelstromverluste
im stromführenden Leiter der Wicklung, welche sich um die beiden Schenkel erstreckt.
[0015] Jedes der beiden im Querschnitt eckig ausgebildeten Joche besteht aus zumindest einem
Kern, wobei bei der Verwendung von mehreren Kernen diese stirnseitig miteinander direkt
verklebt oder jeweils durch einen eingefügten Isolator miteinander verklebt sind.
Vorzugsweise werden zwei Standard I-Kerne eingesetzt, die an einer ihrer Stirnseiten,
durch einen Isolator voneinander getrennt, miteinander verklebt sind. Optional können
auch die beiden Schenkel gegenüber den Jochen unter Verwendung eines Isolators verklebt
werden, um die effektive Permeabilität des Ferritkerns herabzusetzen.
[0016] Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik
sind im Wesentlichen:
● die Schenkel werden entweder durch eine Vielzahl von Schenkelabschnitten aus Ferrit,
die sich gegenseitig mittels eines auf einer Stirnseite der Schenkelabschnitte platzierten
Kragens bzw. Rands abstützen und im Randbereich miteinander verklebt sind oder durch
Schenkelabschnitte und zwischen den Schenkelabschnitten platzierten Abstandshaltern
gebildet,
● unter Verzicht auf zusätzliche, zwischen den Schenkelabschnitten als separate Bauteile
platzierte Isolatoren gemäß dem Stand der Technik kann der für eine Drossel vorgesehen
erfindungsgemäße Kern günstiger gefertigt werden,
● die Schenkelabschnitte und Abstandshalter können zweiteilig oder einteilig gefertigt
werden, wobei die einteilige Ausbildung vorzugsweise durch Pressen erfolgt,
● der zur Beabstandung der einzelnen Schenkelabschnitte dienenden Abstandshalter oder
Kragen bzw. Rand gehen bei größerer Aussteuerung in die Sättigung (µa → 1) und die
effektive Permeabilität des Kerns sinkt dabei auf den berechneten Wert,
● die Induktivität der Drossel ist vorteilhafterweise nicht linear; da die höchste
Amplitude des Trägers der PWM am Anfang des Sinus oder bei geringer Aussteuerung ist,
trägt an dieser Stelle eine höhere Induktivität zu einer besseren Entstörung bei und
● im Zustand der Sättigung dient der Abstandshalter oder Kragen bzw. Rand als Abschirmring
und verringert die Wirbelstromverluste in der um die Schenkel angeordneten stromführenden
Kupferwicklung.
[0017] Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden
ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen
der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten,
von denen zeigen:
- Fig. 1.1:
- eine schematische Seitenansicht des Kerns in einer ersten Ausgestaltung,
- Fig. 1.2:
- eine schematische Seitenansicht eines zwischen zwei Schenkelabschnitten platzierten
Abstandhalters gemäß erster Ausgestaltung,
- Fig. 2.1:
- eine schematische Seitenansicht des Kerns in einer zweiten Ausgestaltung,
- Fig. 2.2:
- eine Draufsicht auf die zweite Stirnseite eines Schenkelabschnitts,
- Fig. 2.3:
- eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A eines Schenkelabschnitts und
- Fig. 2.4:
- eine schematische Seitenansicht eines Schenkelabschnitts gemäß zweiter Ausgestaltung.
[0018] Die Fig. 1.1 zeigt eine schematische Seitenansicht des Kerns 1 in einer ersten Ausgestaltung
und die zugehörige Fig. 1.2 eine schematische Seitenansicht eines zwischen zwei Schenkelabschnitten
3 platzierten Abstandhalters 9. Der für ein induktives passives Bauelement, insbesondere
Drossel, vorgesehene Kern 1 besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten und
jeweils aus mehreren magnetisierbaren Schenkelabschnitten 3 bestehenden Schenkeln
2, wobei die Schenkel 2 an ihren beiden Enden durch jeweils ein Joch 5 miteinander
verklebt sind. Erfindungsgemäß ist ein aus Ferrit bestehender Abstandshalter 9 vorgesehen,
der jeweils zwischen den in Längserstreckung der Schenkel 2 hintereinander platzierten
Schenkelabschnitten 3 unter Ausbildung einer Klebefuge 8 verklebt ist. Die effektive
Querschnittsfläche jedes als Ring ausgebildeten Abstandshalters 9 entspricht zwischen
0,1 bis 20% der Querschnittsfläche eines Schenkelabschnitts 3. Durch eine gezielte
Bemessung der Dicke des Abstandshalters 9 kann eine gewünschte effektive Permeabilität
des Kerns 1 eingestellt werden.
[0019] Die Fig. 2.1 illustriert eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Kerns
1 in einer zweiten Ausgestaltung. Der für ein induktives passives Bauelement, insbesondere
Drossel, vorgesehene Kern 1 besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten und
jeweils aus mehreren magnetisierbaren Schenkelabschnitten 3 bestehenden Schenkeln
2. Die Längsachsen der beiden parallelen Schenkel 2 liegen dabei in einer gemeinsamen
Ebene. Die Schenkel 2 sind jeweils unter Verwendung eines Isolators 4 an ihren beiden
Enden durch jeweils ein aus I-Kernen aufgebautes Joch 5 miteinander verbunden. Jedes
der beiden Joche 5 besteht aus mehreren Standard I-Kernen, welche zu je zwei Blöcken
miteinander verklebt und durch einen Isolator 4 voneinander getrennt sind. Die in
Längserstreckung der Schenkel 2 hintereinander platzierten Schenkelabschnitte 3 umfassen
mit Blick auf die Figuren 2.3 und 2.4 jeweils eine erste Stirnseite 3.1 mit ebener
Stirnfläche 3.2 sowie eine gegenüberliegende zweite Stirnseite 3.3 mit einem über
die zugehörige ebene Stirnfläche 3.4 hinausragenden ringförmigen Kragen bzw. Rand
3.5, wobei im Montagezustand des Schenkels 2 nur der Kragen bzw. Rand 3.5 eines Schenkelabschnitts
3 mit der ebenen Stirnfläche 3.2 des jeweils benachbarten Schenkelabschnitts 3 verklebt
ist. Wie ersichtlich, ergänzen sich die Schenkelabschnitte 3 im Montagezustand zu
einem Schenkel 2 unter Ausbildung von Klebefugen 8 mit geschlossener Mantelfläche.
Die beiden Schenkel 2 werden zur Zwecke des Aufbaus einer funktionsfähigen Drossel
mit jeweils einer nicht dargestellten Wicklung eines stromführenden Leiters versehen.
Im hier gezeigten Montagezustand schließen ein oder begrenzen der ringförmige Kragen
bzw. Rand 3.5 jedes Schenkelabschnitts 3 im Zusammenwirken mit den sich gegenüberstehenden
Stirnflächen 3.2, 3.3, der miteinander verklebten Schenkelabschnitte 3 einen geometrisch
definierten Luftraum 6, der zur Speicherung magnetischer Energie dient. Jeder der
beiden Schenkel 2 weist eine symmetrische Anordnung der Schenkelabschnitte 3 auf,
wobei die Symmetrieachse 7 der halben Höhe der jeweiligen Schenkel 2 entspricht. Die
speziell im Bereich der Symmetrieachse 7 platzierten und die zwei benachbarten Schenkelabschnitte
3 sind dabei derart zueinander ausgerichtet, dass die jeweils zweiten Stirnseiten
3.3 mit ihren Kragen bzw. Rand 3.5 mit dem in der Symmetrieachse platzierten Schenkelabschnitt
ohne Kragen bzw. Rand, wie hier gezeigt, verklebt sind.
[0020] Aus der Fig. 2.2 ist eine Draufsicht auf die zweite Stirnseite eines Schenkelabschnitts
3 exemplarisch für alle Schenkelabschnitte 3 zu entnehmen. Jeder einzelne, aus Ferrit
bestehende, Schenkelabschnitt 3 ist im Querschnitt kreisförmig ausgebildet. Der Randbereich
des Schenkelabschnitts 3 weist einen gegenüber der zugehörigen Stirnfläche 3.4 überragenden
Rand bzw. Kragen auf, welcher die Stirnfläche 3.4 begrenzt.
[0021] Die Figuren 2.3 und 2.4 zeigen jeweils ein und denselben Schenkelabschnitt 3, wobei
im speziellen die Fig. 2.3 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A illustriert
und die Fig. 2.4 eine schematische Seitenansicht des Schenkelabschnitts 3 darstellt.
Die Höhe des Kragens bzw. Randes 3.5 der zweiten Stirnseite 3.3 jedes Schenkelabschnitts
3, welche im Montagezustand den stirnseitigen Abstand benachbarter Schenkelabschnitte
3 definiert, beträgt im dargestellten Beispiel zwischen 3 und 8 mm, vorzugsweise 5
mm. Die zugehörige Breite des Kragens bzw. Randes 3.5 der zweiten Stirnseite 3.3 jedes
Schenkelabschnitts 3 beträgt exemplarisch zwischen 0,5 und 6 mm, vorzugsweise 4 mm.
Auf dem sich ausbildenden Kreisring des Kragens bzw. des überhöhten Randes 3.5 ist
eine Filmschicht eines Klebers platziert, welche zur Verbindung von jeweils benachbarten
Schenkelabschnitten 3 dient. Es versteht sich für den Fachmann, dass die Filmschicht
des Klebers auf der Stirnfläche 3.2 der ersten Stirnseite 3.1 auch nur ringförmig,
nämlich ausschließlich in dem Bereich wo der Kragen bzw. Rand 3.5 des benachbarten
Schenkelabschnitts 3 aufsitzt, aufgebracht bzw. vorhanden ist. Zur Erzielung des Kragens
bzw. Randes 3.5 wird fertigungstechnisch vorzugsweise ein spanloses Umformungsverfahren,
beispielsweise Pressen, oder ein spanendes Umformungsverfahren, beispielsweise Bohren
oder Fräsen, eingesetzt.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
[0022]
- 1
- Kern
- 2
- Schenkel
- 3
- Schenkelabschnitte
- 3.1
- erste Stirnseite
- 3.2
- Stirnfläche
- 3.3
- zweite Stirnseite
- 3.4
- Stirnfläche
- 3.5
- Kragen bzw. Rand
- 4
- Isolator
- 5
- Joch
- 6
- Luftraum
- 7
- Symmetrieachse
- 8
- Klebefuge
- 9
- Abstandshalter
1. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, zumindest bestehend
aus zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten und jeweils aus mehreren
magnetisierbaren Schenkelabschnitten (3) bestehenden Schenkeln (2), wobei die Schenkel
(2) an ihren beiden Enden durch jeweils ein Joch (5) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Ferrit bestehender Abstandshalter (9) vorgesehen ist, der jeweils zwischen
den in Längserstreckung der Schenkel (2) hintereinander platzierten Schenkelabschnitten
(3) unter Ausbildung einer Klebefuge (8) verklebt ist, wobei die effektive Querschnittsfläche
in Längserstreckung der Schenkel eines Abstandshalter (9) zwischen 0,1 bis 20% der
Querschnittsfläche eines Schenkelabschnitts (3) in Längserstreckung der Schenkel entspricht.
2. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bemessung des effektiven Querschnitts des Abstandshalters (9) und dessen Platzierung
relativ zu den Schenkelabschnitten (3) in Abhängigkeit der statischen Erfordernisse
und der gewünschten magnetischen Eigenschaften des Kerns (1) erfolgt.
3. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (9) ringartig mit runder oder eckiger Form oder als Korpus in
Gestalt eines Zylinders, eines n-eckigen Prismas oder einer Kombination daraus ausgebildet
ist.
4. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach einem
der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsam den Schenkel (2) bildenden Schenkelabschnitte (3) und Abstandshalter
(9) sich im Montagezustand zu einem geraden Kreiszylinder oder einem n-eckigen regulärem
Prisma mit - bis auf den Bereich der Klebefugen (8) - geschlossener Mantelfläche ergänzen.
5. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach einem
der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Schenkelabschnitt (3) und ein Abstandshalter (9) einteilig ausgebildet
sind, wobei jeder Schenkelabschnitt (3) jeweils eine erste Stirnseite (3.1) mit ebener
Stirnfläche (3.2) sowie eine gegenüberliegende zweite Stirnseite (3.3) mit einem über
die zugehörige ebene Stirnfläche (3.4) hinausragenden ringartigen Kragen bzw. Rand
(3.5) aufweist, und im Montagezustand des Schenkels (2) nur der Kragen bzw. Rand (3.5)
eines Schenkelabschnitts (3) mit der ebenen Stirnfläche (3.2) des jeweils benachbarten
Schenkelabschnitts (3) verklebt ist.
6. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach einem
der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Montagezustand der Abstandshalter (9) oder der ringartige Kragen bzw. Rand (3.5)
jedes Schenkelabschnitts (3) im Zusammenwirken mit den sich gegenüberstehenden Stirnflächen
(3.3, 3.4) der miteinander verklebten Schenkelabschnitte (3) einen geometrisch definierten
Luftraum (6) einschließen oder begrenzen, wobei dieser Luftraum (6) zur Speicherung
magnetischer Energie dient.
7. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach einem
der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der beiden Schenkel (2) eine symmetrische Anordnung von Schenkelabschnitten
(3) aufweist, wobei die Symmetrieachse (7) jeweils entweder der halben Höhe der Schenkel
(2) oder der Längsachse der Schenkel (2) entspricht.
8. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach einem
der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ringartige Kragen bzw. Rand (3.5) und der zugehörige Schenkelabschnitt (3) einteilig
ausgebildet sind, wobei der Kragen bzw. Rand (3.5) durch spanlose Umformungsverfahren,
beispielsweise Pressen, oder durch spanende Umformungsverfahren, beispielsweise Bohren
oder Fräsen, herstellbar ist.
9. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach einem
der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder einzelne Schenkelabschnitt (3) aus Ferrit besteht.
10. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach einem
der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der beiden im Querschnitt eckig ausgebildeten Joche (5) aus zumindest einem
Kern besteht, wobei bei der Verwendung von mehreren Kernen diese stirnseitig miteinander
direkt verklebt oder jeweils durch einen eingefügten Isolator (4) miteinander verklebt
sind.
11. Kern (1) für ein induktives passives Bauelement, insbesondere Drossel, nach einem
der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel (2) jeweils eine Wicklung eines stromführenden Leiters aufweisen.