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Die Erfindung betrifft eine Drossel mit einem Drosselkern und einer Drosselwicklung.
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Bekannt sind Drosseln für beispielsweise Wechselrichter, bestehend aus einem Kern und einer Wicklung mit einem Rundleiter. Üblicherweise ist die Drossel so beschaffen, dass der Kern bei einem E-förmigen Kern der Mittelteil von der Wicklung umgeben ist, wohingegen bei einem U-förmigen Kern die beiden Außenschenkel die Wicklung aufweisen.
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Solche Drosseln nehmen in einem Wechselrichter einen relativ großen Bauraum ein, da diese Drosseln zum Beispiel als Filterdrosseln auf einer Netzseite des Wechselrichters oder als Hochsetzstellerdrosseln eingesetzt werden, wobei sich durch den relativ hohen Strom, der für solche Schaltungen berücksichtigt werden muss, ein großer Leitungsquerschnitt des Wicklungsleiters ergibt. Verkleinert man den Leitungsquerschnitt der Wicklungen, steigen nicht nur die ohmschen Verluste an, sondern es besteht die Gefahr, dass die Temperatur der Wicklung so hoch wird, dass die Isolierung der Wicklung schmilzt und somit eine irreversible Schädigung des Bauteils eintritt. Ein entsprechend voluminöser Kern, der das magnetische Feld leitet, ist außerdem zu berücksichtigen, damit magnetische Verluste in Grenzen gehalten werden. Durch magnetische Verluste ergibt sich eine weitere Erwärmung des Bauteils, der zu einem zusätzlichen Temperaturanstieg im Inneren eines Wechselrichtergehäuses oder im Inneren eines anderen Gehäuses für zum Beispiel ein allgemeines Schaltnetzteil, einer PFC-Stufe (Power-Faktor-Controll-Stufe) oder sonstige elektrische Schaltungen bzw. Bauteile führt.
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Aus der
JP 2001-297 922 A ist eine Drossel bekannt. Diese Schrift zeigt und beschreibt Drosseln mit einem Drosselkern und einer Drosselwicklung, die um den Drosselkern gewickelt ist. Die Drosselwicklung ist in einer ersten Wicklung und einer zweiten Wicklung aufgeteilt, wobei die erste Wicklung als eine litzenförmige Wicklung mit Litzendrähten ausgeführt ist, wobei die zweite Wicklung als eine massive Wicklung ausgeführt ist. Weiterhin ist gezeigt, dass die einzelnen Windungen der zweiten Wicklung genau fluchtend über den entsprechenden Windungen der ersten Wicklung angeordnet sein können.
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Die
DE 14 39 441 A beschreibt eine verlustarme Spulenwicklung für eine Induktivität, insbesondere für Drosselspulen für die Nachrichtentechnik. Die Drossel umfasst eine Litze, die aus einer Anzahl von voneinander isolierten Drähten mit kleinem Durchmesser bestehen, die verseilt sein können. Weiterhin kann ein ferromagnetischer Kern mit einem Luftspalt eingesetzt werden.
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Die
DE 10 2006 028 389 A1 betrifft einen Magnetkern und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Hier ist der Magnetkern mit Legierungspulver ausgeführt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drossel mit hohem Wirkungsgrad mit demzufolge niedrigen Verlusten zu schaffen, die eine geringere Erwärmung aufweist bzw. verlustarm ist und zudem eine kleine und leichte Bauform aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Drossel mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass in Schaltungen für Wechselrichter, Schaltnetzteile, PFC-Stufen oder auch anderen Schaltungen in der Drosselwicklung sowohl eine Gleichstromkomponente als auch eine hochfrequente Stromkomponente vorhanden ist. Durch den sogenannten Skineffekt einerseits und durch magnetische Beeinflussung bzw. den sogenannten Proximity-Effekt andererseits ist der Strom nicht gleichmäßig im Querschnitt des Wicklungsleiters verteilt, so dass in bestimmten Bereichen eine hohe Stromdichte und in anderen Bereichen eine geringere Stromdichte eintritt. Durch die hohe Stromdichte treten verhältnismäßig hohe Verluste mit entsprechend hoher Erwärmung auf.
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Durch den Skineffekt fließt in einem Rundleiter der Hochfrequenzstrom im Wesentlichen in den äußeren Bereich des Leiterquerschnitts. Ein weiterer Stromverdrängungseffekt bzw. der Proximity-Effekt tritt durch Beeinflussung benachbarter Windungen der Drossel auf. Der Strom einer Windung sorgt nämlich dafür, dass der Strom einer anderen Windung ungleichmäßig fließt.
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Zwar sind solche Effekte in speziellen Gebieten bekannt, in der Drosseltechnik konnten jedoch keine praktikablen Lösungen gefunden werden, um Verluste zu senken.
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Beispielsweise lassen sich solche Effekte anhand von Stromschienen in einem Niederspannungsverteiler veranschaulichen. So veranschaulicht die
DE 38 19 575 A1 , dass sich durch Stromfluss um die Stromschiene Magnetfelder aufbauen, die an den sich gegenüberliegenden Randbereichen der Schienen zu einer höheren Stromdichte führen. Daher sind dort die Wanddicken eines C-förmigen Profilquerschnittes derart ungleichmäßig, dass diejenigen Wände, die bei nebeneinander montierten Stromschienen einander am nächsten liegen, eine größere Dicke haben als die parallel zu einer Anschlussebene liegenden Wände. Wie aus dieser Schrift zu entnehmen ist, sind die Stromschienen C-förmig, so dass sie mit einem Hohlleiter vergleichbar sind, der für eine Berücksichtigung des Skineffektes optimal sein dürfte. Solche Stromschienenströme weisen nur einen Wechselstromanteil von 50 Hz, aber keinen Hochfrequenzstromanteil und keinen Gleichstromanteil auf.
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Um beide Stromverdrängungseffekte für hochfrequente Ströme optimal zu berücksichtigen und zudem einen hohen Gleichstromanteil zu erlauben, erfolgt eine Aufteilung in zwei Wicklungen. Beide Wicklungen sind quasi elektrisch parallel angeschlossen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass die Drosselwicklung aufgeteilt wird, und zwar in eine Wicklung für den Wechselstrom, d. h. in zum Beispiel eine HF-Wicklung mit HF-Litzen und einer vorzugsweise darüber angeordneten Wicklung aus beispielsweise einem Rechteck-Draht, der insbesondere hochkant auf den HF-Litzen sitzt. Eine HF-Litze besteht aus einzelnen Drähten, insbesondere Kupferdrähten, die einzeln isoliert und miteinander verdrillt sind.
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Der Querschnitt der HF-Wicklung und der massiven Wicklung ist von der in den Leitern vorhandenen Stromdichte abhängig. Durch die Erfindung ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Stromdichte in der HF-Wicklung gegeben. Durch die Einzelleiter in der HF-Litze kann sich der Hochfrequenzstrom relativ gleichmäßig in der HF.Litze verteilen, da durch die Isolierung der vielen Einzelleiter eine Stromverdrängung verhindert wird. Der Strom ist sozusagen ”in den Einzelleitern bzw. in der Oberfläche gefangen”.
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Für den Gleichstrom ist im Wesentlichen der massive Leiter, d. h. der Rechteckdraht vorgesehen. In zweckmäßiger Weise hat dieser einen größeren Leiterquerschnitt als die Litze. Da beim massiven Leiter wegen der DC- d. h. Gleichstromkomponente kein Skineffekt auftritt, liegt im Kern des Leiters eine genauso hohe Stromdichte wie in den Randbereichen des Leiters vor. Eine gleichmäßige Stromverteilung in beiden Wicklungen ist deshalb so wichtig, weil die Verlustleistung mit dem Quadrat des Stromes ansteigt wie nachfolgend veranschaulicht wird.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Stromdichten der HF-Litze und des Cu- bzw. massiven Leiters im gleichen Verhältnis zueinander stehen.
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Die Verlustleistung Pv (Wirkleistung) wird, vereinfacht gesagt, durch folgende Gleichung wiedergegeben: Pv = U × I (1)
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Hierbei sind:
- U
- = Gleichspannung an dem Spulenleiter,
- I
- = Strom
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Durch das ohmsche Gesetz kann die Spannung ersetzt werden durch: U = R × I (2)
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Hierbei ist R der ohmsche Widerstand des Leiters.
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Setzt man Gleichung (2) in Gleichung (1) ein, ergibt sich: Pv = R × I2 (3)
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Durch die Erfindung ist sowohl eine Senkung der Drosselverluste als auch eine deutliche Verkleinerung der Drosselbauform möglich.
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Es ist vorgesehen, dass die erste Wicklung nahe dem Kern gewickelt ist und die zweite Wicklung über der ersten Wicklung gewickelt ist. Die Windungen beider Wicklungen sollten im Verhältnis 1:1 sein; wobei die HF-Litze massiv dargestellt ist.
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Die einzelnen Windungen der zweiten Wicklung sind genau fluchtend über den entsprechenden Windungen der ersten Wicklung angeordnet. Bei der Herstellung der Drossel wird zuerst die kernnahe HF-Wicklung aufgewickelt. Danach wird in einem zweiten Herstellungsschritt die zweite Wicklung aufgewickelt. Eine stabile Fixierung der darüber liegenden zweiten Wicklung ergibt sich, wenn man darauf achtet, dass genau fluchtend über der entsprechenden HF-Litze die entsprechende Hochkantwicklung vorgesehen ist. Auch hier ist ein Verhältnis der Windungen von 1:1 zu berücksichtigen.
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Die zweite Wicklung besteht aus mindestens einem im Querschnitt rechteckförmigen, hochkant auf der Litze sitzenden Draht. Bei dieser Lösung ergeben sich eine optimale Wicklungsausnutzung und ein sehr hoher Kupferfüllfaktor. Eine Wicklung sollte mit einer einzigen Lage erfolgen. Eine einlagige Wicklung ist kapazitätsärmer. Außerdem ergibt sich eine bessere EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) und eine wesentlich gleichmäßigere Erwärmung sowie eine bessere Wärmeleitung, weshalb die Kühlung vorteilhafter erfolgt. Darüber hinaus gibt es weniger Verluste durch die Senkrechtstellung der Rechteck-Wicklung. Dies deshalb, weil dann die Ausrichtung der magnetischen Feldlinie im Leiter besser ist als bei horizontaler Ausrichtung der Rechteck-Wicklung.
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Um Stromverdrängungseffekte besser zu beseitigen und den Wirkungsgrad weiter zu erhöhen, ist es weiterhin günstig, wenn die erste Wicklung aus verseilten Litzen sowie insbesondere verseilten Einzeldrähten besteht. Die HF-Litze ist verseilt, worunter man versteht, dass die HF-Litze in sich verdreht ist. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform erfolgt eine Verdrehung um 360° über eine Windungslänge, um sicherzustellen, dass jeder Draht der Litze während einer Windung zumindest einmal möglichst nahe dem magnetischen Feld bzw. dem Kern kommt. Dies ist ein wichtiges Merkmal neben der Aufteilung des Stromes in einen HF-Anteil und einen DC-Anteil, der in der massiven Hochkant-Wicklung fließt.
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Die Erfindung zeichnet sich auch dadurch aus, dass der Kern als U- oder E-förmiger Kern mit einem Luftspalt ausgeführt ist, wobei der Luftspalt in mehrere Luftspalte aufgeteilt ist. Ein wesentlicher Vorteil ergibt sich durch die Aufteilung in mehrere Teil-Luftspalte. Bei einem E-förmigen Kern bedeutet dies, dass der Steg im Zentrum des E-förmigen Kernes mehrere horizontale Trennungen (Schnitte) aufweist, also mehrere Luftspalte, wobei mehrere kleinere, schmalere Luftspalte geringere Verluste bewirken als ein großer Luftspalt.
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Zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades kann allerdings auch vorgesehen sein, das Material des Kerns zu vermahlen, d. h. man erhält ein gesintertes Pulver, das nach seiner Vermahlung zusammengepresst und gegebenenfalls mit einem Kunstharz vergossen wird. Es existiert dann eine Vielzahl von Luftspalten, was zu den geringstmöglichen Verlusten führt.
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Die Durchmesser der Einzeladern richtet sich nach der Drossel-Frequenz. Die Anzahl der Einzeladern definiert den Gesamtquerschnitt der HF-Litze.
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So kann alternativ die zweite Wicklung auch aus mindestens einem im Querschnitt kreisförmigen, auf der Litze sitzenden Draht bestehen. Insbesondere besteht die zweite Wicklung aus zwei übereinander angeordnete Drähten, beispielsweise Runddrähten. Auch drei oder mehr Wicklungen sind nicht grundsätzlich ausgeschlossen. Ebenso sind übereinander angeordnete quadratische Leiter möglich.
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Ein Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 eine Drossel mit einer Drosselwicklung gemäß der Erfindung,
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Querschnitts der HF-Drosselwicklung gemäß 1,
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3 eine Detailansicht der HF-Drosselwicklung,
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4 eine vergrößerte Darstellung eines Querschnitts der Drosselwicklung gemäß 1,
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5 eine Schaltungsanordnung der ersten und zweiten Wicklung,
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6 eine vergrößerte Darstellung eines Querschnitts der zweiten, oberen Drosselwicklung gemäß einer alternativen Ausführungsform,
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7 eine Drossel mit einem E-förmigen Drosselkern,
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8 eine Drossel mit einem U-förmigen Drosselkern,
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9 einen einzigen Luftspalt eines Drosselkernes, und
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10 einen Luftspalt eines Drosselkernes, der in mehrere Luftspalte aufgeteilt ist.
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1 zeigt eine Drossel 1 mit einem Drosselkern 2 und einer Drosselwicklung 3, die um den Drosselkern 2 gewickelt ist.
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Die Drossel 1 ist ein elektrisches Bauteil, um eine definierte Induktivität zu erzeugen. Beispielsweise kann die Drossel 1 dazu genutzt werden, um elektrische Energie kurzzeitig zu speichern oder um eine Filterfunktion zu erfüllen. Ein Beispiel für die Energiespeicherung ist ein DC-DC-Wandler, bei dem durch Schaltvorgänge und mithilfe der Drossel eine DC-Spannung verändert wird. Ein anderes Beispiel sind Filterfunktionen, bei denen Oberschwingungen einer Netzfrequenz gefiltert werden.
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Erfindungsgemäß ist die Drosselwicklung 3 in eine erste Wicklung 4 und eine zweite Wicklung 5 aufgeteilt. Diese sind parallel geschaltet.
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Weiterhin veranschaulicht 1, dass die erste Wicklung 4 nahe dem Kern 2 gewickelt ist und die zweite Wicklung 5 über der ersten Wicklung 4 gewickelt ist und, dass die einzelnen Windungen der zweiten Wicklung 5 genau fluchtend über den entsprechenden Windungen der ersten Wicklung 4 angeordnet sind.
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Wie 2 veranschaulicht, ist die erste Wicklung 4 als eine litzenförmige Wicklung ausgeführt, bei der die einzelnen Litzendrähte 6 einzeln elektrisch isoliert sind. Die erste Wicklung besteht aus verseilten Litzen 10. Wie der Pfeil zeigen soll, ist die Litze 10 verdreht, so dass eine Verdrehung um 360° über eine Wicklungslänge erfolgt. Somit kommt jeder Draht der Litze während einer Windung zumindest einmal dem magnetischen Feld sehr nahe.
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3 zeigt drei der Mehrzahl an Litzendrähten 6. Jeder Litzendraht 6 hat einen Litzenleiter 7 mit einer umhüllenden elektrischen Isolierung 8.
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Die in 4 vergrößert dargestellte zweite Wicklung 5 ist als eine massive Wicklung mit einem massiven Leiter 9 ausgeführt. Sie kann ebenfalls eine Isolierung aufweisen. Massiv bedeutet, dass sie nicht aus Litzen 10 besteht. Die zweite Wicklung 5 besteht nach der in 4 gezeigten Variante aus mindestens einem im Querschnitt rechteckförmigen und hochtkant auf der Litze 10 sitzenden Draht 6.
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Eine Aufteilung in eine erste Wicklung 4 und eine zweite Wicklung 5 bedeutet elektrisch, dass beide Wicklungen 4, 5 elektrisch parallel geschaltet sind, wie 5 zeigt. Ein Teil des Drosselstromes I1 fließt durch die erste Wicklung 4, während ein anderer Teil des Drosselstromes I2 durch die zweite Wicklung 5 fließt. Hierbei wird die erste Wicklung als HF-Litze verwendet, während die zweite Wicklung als DC-Wicklung vorgesehen ist, sodass sich der durch die Drossel fließende Strom im Wesentlichen in einen HF-Anteil (I1) und einen DC-Anteil (I2) aufteilt, wobei die erste, litzenförmige Wicklung 4 im Wesentlichen für den HF-Anteil (I1) vorgesehen ist, während die zweite, massive Wicklung im Wesentlichen für den DC-Anteil (I2) vorgesehen ist. Die Windungen beider Wicklungen als Windungen 4 und 5 stehen in einem Wicklungs-Verhältnis 1:1 zueinander.
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Durch den Skineffekt und anderer Effekte ist eine andere Stromaufteilung der Leiter 6 und 7 bezüglich Wechsel- bzw. HF-Strom vorhanden. Maßgeblich ist nun nicht allein das Querschnittsverhältnis, sondern die von der Frequenz und Geometrie abhängige Stromverdrängung. So fließt ein wesentlich höherer Anteil an Wechselstrom durch die Leiter 7 (I1) als im DC-Fall. Optimal ist es, wenn ein höherer Wechselstrom durch die Leiter 7 fließt als durch den Leiter 9. Jeder der Leiter 7 und 9 trägt sowohl einen DC-Anteil als auch einen Wechselstrom- bzw. einen HF-Anteil.
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In 6 ist eine Variante der Erfindung gezeigt. Hierbei besteht die zweite Wicklung 5 aus mindestens einem im Querschnitt kreisförmigen, auf der Litze sitzenden Draht. In diesem Fall sind zwei übereinander angeordnete Runddrähte 11, 12 vorhanden.
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7 zeigt einen E-förmigen Kern 2. Der Drosselkern 2 besteht hier aus magnetische Feldlinien gut leitendem Material, beispielsweise aus Eisen. Der E-förmige Kern hat einen Mittelsteg 15 und als Joch zwei Seitenstege 16, 17. Die Drossel 1 ist so beschaffen, dass der Mittelsteg 15 mittig von den Wicklungen 4, 5 umgeben ist.
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8 zeigt einen U-förmigen Kern 2. Bei dieser Kernform weisen zwei gegenüberliegende Außenwände 18, 19 die Wicklungen 4, 5 auf.
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Wie in 9 näher gezeigt ist, ist es aus dem Stand der Technik bekannt den Kern 2 mit einem Luftspalt 20 auszuführen. Mit dem Bezugszeichen 21 sind die entsprechenden magnetischen Feldlinien im Spaltbereich gekennzeichnet. Durch den Luftspalt 21 kann die Induktivität definiert werden bzw. die Drossel 1 bemessen werden sowie die Windungsanzahl bestimmt werden.
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In 10 ist die erfindungsgemäße Lösung gezeigt, bei der der Luftspalt in mehrere Luftspalte bzw. Teil-Luftspalte 22, 23, 24 aufgeteilt ist. Die einzelnen Kernteile im Bereich der Luftspalte sind gleich ausgeführt bzw. haben die gleiche Größe.
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Eine nicht gezeigte Variante besteht darin, dass das Material des Kernes aus einem vermahlenen Material besteht, vorzugsweise aus einem gesinterten Pulver, das nach seiner Vermahlung zusammengepresst wird. Die Drossel ist besonders für Wechselrichter, Schaltnetzteile oder PFC-Stufen geeignet.
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In diesem Zusammenhang ist insbesondere Folgendes zu bemerken: Um eine Drossel effizient zu gestalten, ist es von Vorteil, wenn das Joch einen geringeren magnetischen Widerstand aufweist, als der oder die Schenkel, wobei der Schenkel vorzugsweise die Wicklung trägt. Dies kann man zum einen dadurch erreichen, dass im Bereich der Wicklung ein oder mehrere Luftspalte innerhalb der Wicklung verteilt im Kern angeordnet sind.
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Bei einem aus gesinterten Pulver hergestellten Kern kann das Pulver als Materialmix so gewählt werden, dass im Bereich der Wicklung eine Vielzahl kleiner Luftspalten entsteht, beispielsweise durch die Wahl einer groberen Körnung des Pulvers.
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Die Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, so kann die Wicklung 5 anstatt für einen DC-Strom für einen niederfrequenten Strom, z. B. Netzfrequenz z. B. 50 Hz geeignet sein, während die Wicklung 5 einen höherfrequenten Strom, z. B. HF-Strom, führt. Als HF-Strom wird ein Hochfrequenzstrom bezeichnet, der über 1 kHz sein kann. Auch kann die zweite Wicklung 5 als Hohlleiter ausgebildet sein oder sogar eine Litze ohne Isolierung sein. Die Wicklung 5 hat aber vorzugsweise eine voll mit Material gefüllte Querschnittsfläche. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Drosselkern nicht aus Eisen ist, sondern ein Wickelkörper, ein Grundkörper oder dergleichen aus z. B. Kunststoff ist, so dass die Drossel eine Luftspule ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drossel
- 2
- Drosselkern
- 3
- Drosselwicklung
- 4
- erste Wicklung
- 5
- zweite Wicklung
- 6
- Litzendrähte
- 7
- Litzenleiter
- 8
- elektrische Isolierung
- 9
- massiver Leiter
- 10
- Litze
- 11, 12
- Runddrähte
- 13, 14
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- 15
- Mittelsteg
- 16, 17
- Seitenstege
- 18, 19
- gegenüberliegende Außenwände
- 20
- Luftspalt
- 21
- Magnetfeldlinien
- 22, 23, 24
- Teilluftspalte
