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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Drossel der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 angegebenen Art sowie ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs
8 angegebenen Art zum Herstellen einer Drosselkerneinheit für eine Drossel.
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Stand der Technik
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Eine
derartige Drossel ist dem Fachmann dabei als induktives Bauelement
der Elektrotechnik bekannt und dient insbesondere zum Speichern
und Wiederabgeben von elektrischer Energie. Die Drossel umfasst
hierzu einen elektrischen Leiter zum Erzeugen eines Magnetfelds
sowie zumindest eine, im Bereich des elektrischen Leiters angeordnete
Drosselkerneinheit, welche ihrerseits einen Drosselkern aus einem
magnetisierbaren Material umfasst. Um eine nicht zu hohe magnetische
Flussdichte des Drosselkerns zu erhalten, umfasst der Drosselkern wenigstens
einen Luftspalt, durch welchen eine magnetische Sättigung
des Drosselkerns erst bei wesentlich höheren Feldstärken eintritt
und eine übermäßige Erwärmung beim
Betreiben der Drossel mit Wechselstrom vermieden wird. Zur mechanischen
Stabilisierung des Drosselkerns ist zumindest in einen Teil des
Luftspalts ein Füllmaterial
eingebracht, wodurch sowohl unerwünschte Schallemissionen während des
Betriebs der Drossel als auch Veränderungen der Spaltbreite vermieden
werden sollen. Als Füllmaterial
dienen hierzu üblicherweise
organische Klebstoffe oder Silikone, die zu nächst in den Luftspalt eingebracht
und anschließend
in diesem ausgehärtet werden.
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Als
nachteilig ist dabei der Umstand anzusehen, dass es durch die Temperaturänderungen
während
des Betriebs derartiger Drosseln zu Rissbildungen im Füllmaterial
des Spalts der Drosselkerneinheit bzw. im magnetisierbaren Material
des Drosselkerns kommt, was in weiterer Folge eine deutliche Verstärkung der
Schallemissionen im für
Menschen hörbaren
Frequenzbereich sowie eine Verringerung der mechanischen Stabilität der Drosselkerneinheit nach
sich zieht. Dies verringert die Betriebsdauer der Drossel mit niedriger
Schallemission erheblich.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Drossel zu schaffen,
welche eine erhöhte Betriebsdauer
mit niedriger Schallemission ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Drossel mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 zum Herstellen
einer Drosselkerneinheit für
eine Drossel gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte
Ausgestaltungen der Drossel als durch eine vorteilhafte Ausgestaltung
des Verfahrens bereitgestellt anzusehen sind und umgekehrt vorteilhafte
Ausgestaltungen des Verfahrens eine vorteilhafte Ausgestaltung der
Drossel zur Folge haben.
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Eine
Drossel, welche eine erhöhte
Betriebsdauer mit niedriger Schallemission ermöglicht, ist erfindungsgemäß da durch
geschaffen, dass das Füllmaterial
des Luftspalts des Drosselkerns derart ausgebildet ist, dass es
einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt, dessen Wert in einem Bereich von ±70% des Werts des Wärmeausdehnungskoeffizienten
des magnetisierbaren Materials liegt, aus dem der Drosselkern besteht.
Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem Füllmaterialien
mit fünf-
bis zehnfach höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten-Werten
als desjenigen des Drosselkern-Materials verwendet werden, wird
mit Hilfe eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Füllmaterials
sowohl die Rissbildung im Luftspalt der Drosselkerneinheit der Drossel als
auch im magnetisierbaren Material des Drosselkerns selbst zuverlässig verhindert.
Die bei längerem Betrieb
der Drossel entstehenden Temperaturschwankungen führen nunmehr
zu einem vergleichbaren temperaturabhängigen Ausdehnungsverhalten
des Drosselkerns bzw. seines Spalts einerseits und des Füllmaterials
andererseits, so dass keine Risse oder mechanischen Schäden auftreten
und die Betriebs- und Lebensdauer der Drossel erheblich verlängert wird.
Neben den hierdurch erzielbaren Kostenvorteilen wird zusätzlich sichergestellt,
dass es im Laufe des Betriebs der Drossel nicht zu störenden Schallemissionen
bei von Menschen hörbaren Frequenzen
kommt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das Füllmaterial
derart ausgebildet ist, dass es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt, dessen Wert in einem Bereich von ±50% und/oder in einem Bereich
von ±40% und/oder
in einem Bereich von ±25%
und/oder in einem Bereich von ±10%
des Werts des Wärmeausdehnungskoeffizienten
des magnetisierbaren Materials liegt, aus dem der Drosselkern besteht.
Durch ein derartig ausgebildetes Füllmaterial ist das temperaturabhängige Ausdehnungsverhalten
der Materialpaarung Füllmaterial-Drosselkern-Material
weiter angeglichen, wodurch die Betriebsdauer der Drossel mit niedriger
Schallemission zusätzlich
gesteigert wird. Mit Hilfe eines Füllmaterials, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten-Wert
aufweist, der im Vergleich zu demjenigen des magnetisierbaren Materials
des Drosselkerns zwischen 10% und 50% erhöht ist, kann mit steigender
Temperatur vorteilhaft eine gezielte mechanische Vorspannung des
Drosselkerns erzeugt werden, wodurch die mechanische Schwingfähigkeit
der Drosselkerneinheit und somit die resultierenden Schallemissionen
zusätzlich
reduziert werden.
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Material
der Wahl für
den Drosselkern ist zumindest eine Ferritart und/oder ein Eisenpulver und/oder
ein Molypermalloy-Pulver und/oder ein nanokristalliner Magnetwerkstoff.
Mit diesen Materialien ist eine flexible und optimal an den jeweiligen
Einsatzzweck anpassbare Ausgestaltung des Drosselkerns bzw. der
Drosselkerneinheit unter Berücksichtigung
der Herstellungskosten und der geforderten Parameter Induktivität, Permeabilität und Sättigungsflussdichte
ermöglicht.
Die Drossel kann somit beispielsweise als Resonanz-, Tiefsteller-
oder Lampendrossel für
elektronische Vorschaltgeräte
ausgeführt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der elektrische Leiter auf einen Spulenkörper gewickelt ist, vorzugsweise
mehrfach gewunden. So kann die Induktivität der Drossel durch Variierung
der Windungszahl des elektrischen Leiters einfach und kostengünstig an den
jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden.
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Dabei
hat es sich weiterhin als vorteilhaft gezeigt, wenn das Füllmaterial
ein anorganisches Bindemittel umfasst. Als anorganisches Bindemittel
können
beispielsweise Zemente, Oxide oder Gele verwendet werden. Derartige
Bindemittel sind besonders kostengünstig und besitzen üblicherweise
Wärmeausdehnungskoeffizienten,
deren Werte im für
die Erfindung gewünschten
Bereich für
die Drosselkern-Materialien liegen. Darüber hinaus sind sie unter Normalbedingungen
raumbeständig
sowie Wasser-, säure-
und oxidationsbeständig,
wodurch eine entsprechend hohe Lebensdauer der Drossel garantiert
ist. Weiterhin besitzen sie im nicht ausgehärteten Zustand den Vorteil
einer hohen Fließfähigkeit,
was zu einem erleichterten Einbringen des Füllmaterials in den Luftspalt
sowie zu hoher Homogenität
und hoher Maßgenauigkeit
des Drosselkerns führt.
Durch die erzielbare Härte
des Füllmaterials
werden zudem mechanische bzw. akustische Schwingungen der Drossel
bzw. des Drosselkerns zuverlässig
unterbunden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass das anorganische Bindemittel zumindest eine Art wassergehärteten Zements
umfasst. Dieser kann durch Zugabe von Wasser in pastöser Form
besonders einfach in den Luftspalt eingebracht werden und bindet
anschließend
selbständig
an Luft ab. Auf diese Weise kann die Drossel besonders einfach und
kostengünstig hergestellt
werden. Ein derartiges Füllmaterial
bietet zudem die Vorteile der Geruchlosigkeit, einer hohen Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit, einer
niedrigen Toxizität
sowie einer chemischen Stabilität
gegenüber Ölen, Lösungsmitteln
und den meisten organischen und anorganischen Säuren.
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Dabei
hat es sich in weiterer Ausgestaltung als vorteilhaft gezeigt, dass
der Zement ein Silikat, vorzugsweise Zirkonsilikat und/oder Natriumsilikat und/oder
Kalziumsilikat, und/oder ein Oxid, vorzugsweise Siliziumdioxid und/oder
Magnesiumoxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Eisenoxid und/oder
Kalziumoxid, und/oder ein Hydroxid, vorzugsweise Kalziumhydroxid,
und/oder ein Sulfat, vorzugsweise Kalziumsulfat, und/oder ein Phosphat
umfasst, vorzugsweise Magnesiumphosphat. Bei Verwendung dieser Materialien
können
die mechanischen und chemischen Eigenschaften des Zements optimal
an die Herstellungs- und Einsatzbedingungen der Drossel angepasst
werden.
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In
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen
einer Drosselkerneinheit für
eine Drossel bereitgestellt, bei welchem ein Drosselkern aus einem
magnetisierbaren Material mit wenigstens einem Luftspalt bereitgestellt
und ein Füllmaterial
zur mechanischen Stabilisierung zumindest in einen Teil des Luftspalts
eingebracht wird, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass ein
Füllmaterial
ausgewählt
wird, welches einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt, dessen Wert in einem Bereich von ±70% des Werts des Wärmeausdehnungskoeffizienten
des magnetisierbaren Materials liegt, aus dem der Drosselkern besteht.
Auf diese Weise wird die Rissbildung im Luftspalt der Drosselkerneinheit
der Drossel bzw. im magnetisierbaren Material des Drosselkerns zuverlässig verhindert,
da die insbesondere bei längerem
Betrieb der Drossel entstehenden Temperaturschwankungen hierdurch zu
einem vergleichbaren temperaturabhängigen Ausdehnungsverhalten
des Drosselkerns bzw. des Spalts und des Füllmaterials führen. Dies
bewirkt, dass keine Risse oder mechanischen Schäden auftreten und die Lebensdauer
der Drosselkerneinheit bzw. der mit dieser versehenen Drossel erheblich verlängert wird.
Neben den hierdurch erzielbaren Kostenvorteilen wird zusätzlich sichergestellt,
dass es im Laufe des Betriebs der Drossel nicht zu störenden Schallemissionen
bei von Menschen hörbaren Frequenzen
kommt.
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Es
hat sich als vorteilhaft gezeigt, wenn als Material des Drosselkerns
zumindest eine Ferritart und als Füllmamaterial ein wasserhärtbarer
Zement verwendet wird. Mit Hilfe eines aus zumindest einer Ferritart
gefertigten Drosselkerns können
aufgrund der sehr hohen Permeabilitätswerte entsprechend hohe Induktivitäten der
Drossel bei geringem Bauraumbedarf erreicht werden. In Kombination
mit wasserhärtbarem
Zement als Füllmaterial
ist eine chemisch und mechanisch stabile Materialpaarung mit sehr ähnlichen
Wärmeausdehungskoeffizient-Werten
der einzelnen Komponenten gegeben, wodurch eine etwaige Rissbildung
beim Betrieb der Drosselkerneinheit oder ein Brechen des Drosselkerns
zuverlässig
ausgeschlossen wird.
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Die
Drosselkerneinheit kann dabei besonders schnell, einfach und kostengünstig hergestellt werden,
indem der Zement zunächst
mit einer vorgegebenen Menge Wasser vermischt und anschließend in
den Luftspalt eingebracht wird. Aufgrund der guten Fließeigenschaften
und Dosierbarkeit des Füllmaterials
wird der Luftspalt ohne zusätzliche
Bearbeitungsschritte homogen gefüllt,
wodurch eine besonders hohe mechanische Festigkeit erzielt wird.
Das anschließende
Abbinden des Zements erfolgt an Luft.
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Dabei
kann ebenfalls vorgesehen sein, dass das Füllmaterial nach dem Einbringen
in den Luftspalt in diesem verpresst wird. Auf diese Weise wird
ein zumindest annähernd
vollständiges
Ausgefülltsein
des Luftspalts und eine entsprechend hohe mechanische Festigkeit
und Belastbarkeit der Drosselkerneinheit sichergestellt.
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Eine
weitere Erhöhung
der mechanischen Belastbarkeit der Drosselkerneinheit wird in weiterer Ausgestaltung
dadurch erzielt, dass beim Einbringen des Füllmaterials oder nach weiteren
Bearbeitungsschritten gewährleistet
wird, dass ein Kraftschluss zwischen dem Drosselkern und einem Spulenkörper der
Drossel hergestellt wird. Dies kann beispielsweise durch Verpressen
des Füllmaterials
in den Luftspalt oder durch Zusammenpressen des Drosselkerns erfolgen. Überschüssiges Füllmaterial
quillt hierbei gegebenenfalls über
und kann einfach entfernt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand
der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente
mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine
seitliche Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Drosselkerneinheit
für eine
Drossel;
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2 Spektren
für die
anregungsfrequenzabhängigen
Schwingungen zweier Drosseln; und
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3 eine
vergrößerte Ansicht
des in 2 gezeigten Bereichs III.
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Bevorzugte Ausführung der
Erfindung
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1 zeigt
eine seitliche Schnittansicht einer Drosselkerneinheit 10,
wie sie für
eine Drossel verwendbar ist. Die Drosselkerneinheit 10 umfasst einen
Drosselkern 12, welcher aus zwei im Querschnitt E-förmigen Drosselkernteilen 12a, 12b besteht.
Die Drosselkernteile 12a, 12b sind um einen im Querschnitt
doppel-T-förmigen
Spulenkörper 14 angeordnet,
der seinerseits zur Erhöhung
einer Induktivität
der Drossel dient, wenn er mehrfach mit einem nicht dargestellten
elektrischen Leiters umwickelt ist. Zwischen den Drosselkernteilen 12a, 12b und
dem Spulenkörper 14 befindet
sich ein Luftspalt 16, welcher in unterschiedlichen Abschnitten 16a–c unterschiedliche
Spaltdicken aufweist. Zur mechanischen Stabilisierung ist in den
Abschnitt 16b des Luftspalts 16, welcher einen
Mittelpfad der Drossel bildet, ein Füllmaterial 18 eingebracht.
Die die Außenschenkel der
beiden Drosselkernteile 12a, 12b bildenden Abschnitte 16a, 16c des
Luftspalts 16, welche vorliegend eine Dicke zwischen 0,01
mm und 0,05 mm besitzen, sind mit einem Klebstoff verklebt, wodurch
im magnetischen Kreis ein zusätzlicher
Luftspalt 16 erzeugt wird. Der Drosselkern 12 ist
im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus einer Ferritart gefertigt und besitzt dadurch einen Wärmeausdehnungskoeffizienten αD,
dessen Wert etwa im Bereich zwischen 11·10–6/K
und 12·10–6/K
liegt. Zur Verlängerung
der Betriebs- und Lebensdauer der Drosselkerneinheit 10 bzw.
der mit dieser versehenen Drossel ist das Füllmaterial 18 derart
ausgebildet, dass es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten αF besitzt,
dessen Wert in einem Bereich von ±70% des Werts des Wärmeausdehnungskoeffizienten αD des
Materials des Drosselkerns 12 liegt. Auf diese Weise ist
gewährleistet,
dass während
des Betriebs der Drossel bzw. der Drosselkerneinheit 10 auftretende
Temperaturschwankungen zu vergleichbaren Abmessungsänderungen
des Drosselkerns 12 bzw. des Luftspalts 16 einerseits
und des Füllmaterials 18 andererseits
führen.
Hierdurch werden eine Rissbildung und eine damit verbundene Störgeräuschentstehung
vermieden. Das Füllmaterial 18 kann
beispielsweise einen Zirkonium-basierten, wasserhärtenden
Zement umfassen, welcher einen Wärmeausdehnungskoeffizienten αF mit
einem Wert von etwa 4,7·10–6/K
besitzt. Dieses Füllmaterial 18 weist
eine hohe elektrische Isolierfähigkeit,
eine hohe Widerstandsfähigkeit
gegen thermischen Schock, eine hohe Temperaturbeständigkeit sowie
eine hohe chemische Beständigkeit
auf und ist aufgrund seiner Geruchlosigkeit und geringen Toxizität problemlos
handhabbar. Grundsätzlich
eignen sich die meisten anorganischen und silikat-basierten Zementarten
als Füllmaterial 18,
da diese üblicherweise
Wärmeausdehnungskoeffizienten αF mit
Werten zwischen etwa 4,0·10–6/K
und 18,0·10–6/K
besitzen. Beispielsweise kann als Füllmaterial 18 ein
chemisch abbindender Zement verwendet werden, welcher Magnesiumoxid,
Zirkonsilikat und Magnesiumphosphat umfasst. Ein solches Füllmaterial 18 besitzt dabei
im ausgehärteten
Zustand ebenfalls einen Wärmeausdehnungskoeffizienten αF mit
einem Wert von etwa 4,7·10–6/K.
Ebenfalls als Füllmaterial 18 denkbar
ist ein chemisch abbindender Zement, welcher auf Quarz und Natriumsilikat
basiert. Dieses Füllmaterial 18 besitzt
je nach konkreter Ausgestaltung einen Wärmeausdehnungskoeffizienten αF mit Werten
zwischen etwa 7,5·10–6/K
und 17,5·10–6/K und
ist besonders säurefest.
Im Gegensatz hierzu besitzen aus dem Stand der Technik bekannte,
Epoxid-Harze umfassende Füllmaterialien 18 Wärmeausdehnungskoeffizienten αF mit
Werten von etwa 60·10–6/K,
wodurch es bei thermischer Belastung schnell zu Rissbildungen und
unerwünschten
Schallemissionen kommt. Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein
Füllmaterial 18 verwendet
wird, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten-Wert αF aufweist,
der im Vergleich zum Wärmeausdehnungskoeffizienten-Wert αD des
magnetisierbaren Materials des Drosselkerns 12 zwischen
10% und 50% erhöht ist.
Dies kann beispielsweise durch entsprechende Wahl des Füllmaterials 18 oder
durch Beimengen von zusätzlichen
Substanzen mit entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten-Werten αS zum Füllmaterial 18 erreicht
werden. Durch die höhere Temperatur
im mittleren Abschnitt 16b gegenüber den lateralen Abschnitten 16a, 16c des
Luftspalts 16 dehnt sich das Füllmaterial 18 dadurch
stärker
als das magnetisierbare Material des Drosselkerns 12 auf äquivalenter
Länge.
Daraus resultiert eine mit steigender Temperatur zunehmende mechanische Vorspannung
des inneren Bereichs des Drosselkerns 12, wodurch die mechanische
Schwingfähigkeit
der Drosselkerneinheit 10 und die resultierenden Schallemissionen
zusätzlich
reduziert werden.
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Zur
Herstellung der Drosselkerneinheit 10 wird der jeweilige
Zement zunächst
mit der erforderlichen Menge Wasser vermischt und in den Abschnitt 16b des
Luftspalts 16 eingebracht. Durch Zusammenpressen der beiden
Drosselkernteile 12a, 12b wird ein Kraftschluss
zwischen dem Dros selkern 12 und dem Spulenkörper 14 hergestellt,
so dass nach dem Aushärten
des Zements ein mechanisch besonders stabiler Verbund entsteht.
Beim Zusammenpressen quillt das Füllmaterial 18 im mittleren
Abschnitt 16b über
und verfüllt
den Luftspalt 16 zumindest überwiegend. Überschüssiges Füllmaterial 18 kann
einfach entfernt werden. Zur Verbesserung der Fließfähigkeiten
können
dem Füllmaterial 18 optional Additive
beigegeben werden.
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2 zeigt
zwei Spektren, nämlich
zum ersten eine Spektralkurve 20a, die die Stärke der
mechanischen Schwingung in Abhängigkeit
von der Anregungsfrequenz f wiedergibt, bei einer aus dem Stand
der Technik bekannten Drossel ohne Füllmaterial 18. Zum
zweiten ist in 2 eine Spektralkurve 20b,
die die Stärke
der mechanischen Schwingung in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz
f wiedergibt, bei einer Drossel abgebildet, welche mit der in 1 gezeigten
Drosselkerneinheit 10 versehen ist. Der um den Spulenkörper 14 gewickelte
elektrische Leiter wird in beiden Fällen mit einem sinusförmigen Anregungsstrom
mit Anregungsfrequenzen f zwischen 10 kHz und 30 kHz betrieben.
Auf der Ordinate der Graphen sind die resultierenden Schwingungen FFT
des Drosselkerns 12 mit den höchsten Amplituden in m/s aufgetragen.
Aus 2 ist dabei leicht erkennbar, dass die Spektralkurve 20a aufgrund
der geringen mechanischen Stabilität des Luftspalts 16 insbesondere
im Bereich von für
den Menschen hörbaren
Frequenzen zwischen 16 kHz und 19 kHz einen Peak der mechanischen
Schwingungen aufweist, wodurch eine starke, unerwünschte Schallemission
erzeugt wird. Demgegenüber
zeigt der Amplitudenverlauf des Spektrums 20b ein Maximum
bei etwa 28 kHz bis 29 kHz. Diese Schwingungen befinden sich außerhalb
des Hörbereiches.
Die mechanischen Schwingungen der Drosselkerneinheit 10 und somit
auch der Schalldruckpegel gehen daher im Hörbereich im Vergleich zu einer
mit einer aus dem Stand der Technik bekannten Drosselkerneinheit
versehenen Drossel deutlich zurück.
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3 zeigt
zur weiteren Verdeutlichung dieses Umstands eine vergrößerte Ansicht
des in 2 gezeigten Diagrammbereichs III bei Anregungsfrequenzen
f zwischen 27 kHz und 30 kHz.