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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kern für ein induktives Bauelement mit mindestens zwei Schenkeln, die jeweils an einem Ende durch ein Joch miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Kerns für ein solches induktives Bauelement.
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Stand der Technik
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Magnetische Drosseln werden beispielsweise in Schaltnetzteilen, Frequenzumrichtern und Wechselrichtern eingesetzt. Für die Energiewandlung in einem Wechselrichter wird beispielsweise aus einer Quelle mit konstanter Gleichspannung Energie entnommen und dieser Energie wird eine Senke mit periodisch wechselnder Spannung zugeführt. Im Zuge der Minimierung solcher Wechselrichter ist ein Trend zu resonant schaltenden Wechselrichtern zu verzeichnen. Magnetische Drosseln, die hierbei eingesetzt werden, bedürfen einer hohen Sättigung bei vergleichsweise kleinen induktiven Werten. Eine solche magnetische Drossel ist beispielsweise aus
EP 1 501 106 B1 bekannt. Diese Druckschrift offenbart einen Kern für eine Drosselspule, bei dem die Schenkel des Kerns durch zylindrische Segmente gebildet werden, wobei die einzelnen Segmente durch Isolatoren voneinander beabstandet sind. Ein Joch, das die einzelnen Schenkel miteinander verbindet, ist dabei quaderförmig ausgeführt.
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Sowohl Schenkel als auch Joch eines solchen Kerns für eine magnetische Drossel bestehen dabei aus Ferrit. Aufgrund der hohen Dichte des Ferrits gepaart mit einer verhältnismäßig geringen Sättigungsflussdichte und dem daraus bedingten Volumen weist der Kern einer solchen magnetischen Drossel daher ein hohes Gewicht auf. Somit hängt auch das gesamte Gewicht eines Energiewandlers, wie beispielsweise eines Wechselrichters, der eine solche magnetische Drossel beinhaltet, stark von dem Gewicht des Drosselkerns ab.
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Es besteht daher ein Bedarf nach einem Kern für ein induktives Bauteil, wie beispielsweise eine magnetische Drossel, mit einer verbesserten Form. Insbesondere besteht ein Bedarf nach einem Kern, der eine Verringerung der Drosselmasse ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß eines Aspektes schafft die vorliegende Erfindung einen Kern für ein induktives Bauelement mit mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Schenkeln; und mindestens einem Joch, das die Schenkel miteinander verbindet, wobei das mindestens eine Joch eine den Schenkeln zugewandte Unterseite und eine den Schenkeln abgewandte Oberseite aufweist, und die Unterseite eine größere Fläche als die Oberseite aufweist.
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Gemäß eines weiteren Aspektes schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Kerns für ein induktives Bauelement mit den Schritten des Bereitstellens von mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Schenkeln, des Bereitstellens mindestens eines Jochs, das eine Unterseite und eine Oberseite aufweist, wobei die Unterseite eine größere Fläche als die Oberseite aufweist; und des Verbindens der Schenkel durch das mindestens eine Joch, wobei das Joch so angeordnet ist, dass die Unterseite des Jochs den Schenkeln zugewandt ist.
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Gemäß einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Idee wird somit ein Kern für ein induktives Bauelement gebildet, bei dem das Joch eine den magnetischen Feldlinien im Kern angepasste Ausgestaltung aufweist. Insbesondere wird dabei der Tatsache Rechnung getragen, dass in den äußeren Ecken und Kanten des Jochs nahezu kein magnetischer Fluss vorhanden ist.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht daher darin, dass bei einem erfindungsgemäßen Joch weniger Joch-Material erforderlich ist. Insbesondere kann dabei in den Bereichen, in denen keine oder nur sehr wenige magnetische Feldlinien zu erwarten sind, Jochmaterial eingespart werden.
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Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass durch die Einsparung von Jochmaterial sich auch das Gewicht des Kerns für das induktive Bauteil verringert. Somit kann durch einen erfindungsgemäßen Kern eine Drosselgespule gebildet werden, die im Vergleich zu konventionellen Drosselspulen ein geringeres Gewicht aufweist, ohne dass dabei spürbare Einbußen im magnetischen Fluss innerhalb des Kerns auftreten.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jeder der mindestens zwei Schenkel jeweils aus einer Mehrzahl von magnetisierbaren Schenkelabschnitten gebildet, und die einzelnen Schenkelabschnitte eines Schenkels sind jeweils durch Abstandshalter voneinander beabstandet angeordnet. Durch diese Abstandshalter können in den Schenkeln mehrere Luftspalte realisiert werden. Hierdurch wird ein hoher Sättigungstrom bei kleinen induktiven Werten erreicht, wie dies zum Beispiel bei resonant schaltenden Wechselrichtern wünschenswert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Joch die Form eines Prismatoiden auf. Bei einem solchen Prismatoiden, bei dem die Unterseite größer ist als die Oberseite, verjüngt sich die Querschnittsfläche des Jochs kontinuierlich mit steigendem Abstand von den Schenkeln.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Grundflächen des Prismatoiden, also insbesondere die Unterseite und die Oberseite des Prismatoiden, eine gleiche Anzahl von Kanten auf. Somit ergeben sich für die Unterseite und die Oberseite des Jochs ein Polygon mit annähernd gleicher Form, die sich nur in der Größe unterscheiden.
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In eine Ausführungsform weist das mindestens eine Joch die Form mehrerer übereinander angeordneter Prismatoiden auf. Hierdurch ist eine besonders gute Anpassung der Form des Jochs an den Feldlinienverlauf möglich.
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In einer weiteren Ausführugnsform weisen die Außenkante der Unterseite und/oder der Oberseite des mindestens einen Jochs einen zumindest teilweise konkaven Kurvenverlauf aufweisen. Hierdurch ergeben sich Grundflächen mit einem gekrümmten Kantenverlauf, der sich insbesondere bei runden oder ovalen Schenkeln sehr gut an die Schenkelform annähern lässt.
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In einer weiterern Ausführungsform weist das mindestens eine Joch konvexe Außenseiten auf. Durch solche gewölbten Außenflächen ist ebenfalls eine sehr gute Anpassung an den Feldlinienverlauf möglich.
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine magnetische Drossel mit einem erfindungsgemäßen Kern.
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Eine weitere Ausführungsform betrifft einen elektrischen Wechselrichter mit einer magnetischen Drossel, die einen erfindungsgemäßen Kern aufweist. Ein solcher Wechselrichter mit einem erfindungsgemäßen Kern, der somit weniger Jochmaterial erfordert, besitzt auch ein geringeres Gewicht als ein Wechselrichter mit einem konventionellen Joch.
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Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine magnetische Drossel;
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2: eine schematische Darstellung des Verlaufs magnetischer Feldlinien in einer magnetischen Drossel;
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3: eine schematische Darstellung einer Schrägansicht eines Jochs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4: eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf ein Joch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5: eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf ein Joch gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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6: eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf ein Joch gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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7: eine schematische Darstellung einer Seitenansicht auf ein Joch gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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8: eine schematische Darstellung einer Ansicht von unten auf ein Joch gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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9: eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Kerns für ein induktives Bauelement gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
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Die im Folgenden verwendete Richtungsterminologie, das heißt Begriffe wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“ und dergleichen wird lediglich zum besseren Verständnis der Zeichnungen verwendet. Dies soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen im Allgemeinen gleichartige oder gleichwirkende Komponenten. Die in den Figuren dargestellten Zeichnungen sind zum Teil perspektivische Darstellungen, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht notwendigerweise maßstabsgetreu abgebildet sind.
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Induktive Bauelemente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind alle Arten von elektrischen oder elektronischen Bauelementen mit einem festen oder variablen Induktivitätswert. Induktive Bauelemente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind dabei insbesondere Spulen, (Signal-)Übertrager, Transformatoren und Drosseln. Zur Erhöhung des Induktivitätswertes eines induktiven Bauelementes kann das induktive Bauelement mit einem Kern versehen werden. Dabei ist die Induktivitätserhöhung von dem verwendeten Material des Kerns in dem induktiven Bauelement, sowie dem Aufbau des Kerns selbst abhängig.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine magnetische Drossel. Die Drossel umfasst dabei die beiden Schenkel 1 und 2. Je nach Anwendungsfall können die beiden Schenkel 1 und 2 dabei einen recheckigen, quadratischen, runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.
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Die beiden Schenkel 1 und 2 sind weiterhin an ihren Enden über die beiden Joche 3 und 4 miteinander verbunden. Um die Schenkel 1 und 2 ist eine Wicklung 7 eines (isolierten) elektrischen Leiters angeordnet. Alternativ ist es auch möglich, zwischen den Schenkeln 1 und 2, sowie dem Leiter 7 eine zusätzliche Isolierung (nicht dargestellt) einzubringen. In diesem Fall kann auf eine Isolierung des Leiters 7 verzichtet werden.
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In speziellen Anwendungsfällen werden die beiden Schenkel 1 und 2 durch einzelne Schenkelabschnitte 5 gebildet, die jeweils mittels Abstandshalter 6 voneinander beabstandet angeordnet sind. Hierdurch entstehen zwischen den einzelnen Schenkelabschnitte 5 Spalte. Dies führt zu einer Absenkung der Permeabilität, woduch bei vergleichbar kleinen induktiven Werten ein hoher Sättigungsstrom im Kern erzielt werden kann.
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Die beiden Schenkel 1 und 2 sind an ihren untern Enden über das Joch 3 miteinander verbunden. Die beiden oberen Enden der Schenkel 1 und 2 sind über das Joch 4 verbunden. Sowohl das untere Joch 3, wie auch das obere Joch 4 bestehend abei vorzugseise aus ferromagnetischem Material.
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In speziellen Ausgestaltungsformen kann der Kern ferner noch ein oder mehrere zusätzliche Schenkel (nicht dargestellt) aufweisen. Beispielsweise kann in der Mitte zwischen den beiden dargestellten Schenkeln 1 und 2 ein weiterer Schenkel angeordnet sein, der parallel zu den beiden äußeren Schenkeln 1 und 2 verläuft. Auch dieser zusätzliche Schenkel steht dann mit seinem unteren Ende in Kontakt mit dem unteren Joch 3 und an seinem oberen Ende in Kontakt mit dem oberen Joch 4.
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2 zeigt schematisch den Verlauf magnetischer Feldlinien in der linken oberen Ecke, der in 1 dargestellten magnetischen Drossel. In diesem Bereich liegen der Schenkel 1 und das Joch 4 aufeinander. Wie dabei zu erkennen ist, sind die magnetischen Feldlinien im Bereich der Ecke 10 rechts unten sehr stark gedrängt. Dagegen befinden sich im äußeren Bereich 11 oben links nahezu keine magnetischen Feldlinien. Da in diesem Bereich 11 nahezu keine magnetischen Feldlinien vorhanden sind, kann das Joch in diesem Bereich entsprechend angepasst werden.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer perspektivischen Ansicht eines Jochs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Joch besitzt dabei eine Unterseite 20, die den in dieser Figur nicht dargestellten Schenkeln der Drossel zugewandt ist. Auf der den Schenkeln 1 und 2 abgewandten und der Unterseite 20 gegenüberliegenden Seite befindet sich die Oberseite 30 des Jochs. Auch diese Seite weist eine rechteckförmige Fläche auf. Die Oberseite 30 besitzt jedoch im Vergleich zu der Unterseite 20 eine kleinere Fläche. Das heißt, das Joch verjüngt sich mit zunehmendem Abstand von den Schenkeln, also in positive y-Richtung. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die seitlichen Außenflächen 21 und 22 des Jochs nicht nur senkrecht zu der Unterseite 20 und der Oberseite 30 des Jochs angeordnet sind, sondern zumindest teilweise schräg angeordnet sind.
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Wie in 3 dargestellt, kann dabei zunächst über einen ersten Bereich h die Grundfläche konstant gehalten werden, so dass sich im unteren Bereich des Jochs ein Quader ausgebildet. In einem weiteren Bereich, der sich in y-Richtung daraufhin anschließt, sind dann die Außenseiten 21 und 22 so abgeschrägt, dass sich die Schnittfläche in einer x-z-Ebene zunehmend verringert. Auf diese Weise kann insbesondere im oberen Bereich des Jochs ein Teil des Jochmaterials eingespart werden. Da sich in diesem Bereich, wie in 2 dargestellt, ohnehin keine oder nur sehr wenige magnetische Feldlinien befinden, führt dies zu keiner signifikanten Beeinträchtigung der Funktion des Jochs.
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4 zeigt eine Seitenansicht auf die Seite 22 des Jochs. Dabei ist zu erkennen, dass sich die Außenkanten 25 in einem unteren Bereich, der an die Unterseite 20 des Jochs grenzt, senkrecht zu der Unterseite 20 des Jochs verlaufen. Darüber schließt sich ein Bereich an, in dem die Außenkanten 26 von dem Innenverlauf der Kanten 25 um einen Winkel β1 bzw. β2 abweichen. Somit reduziert sich im Bereich entlang der Außenkante 26 zur Oberseite hin kontinuierlich die Querschnittsfläche des Jochs.
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5 zeigt eine Seitenansicht auf die Außenseite 21 des Jochs. Analog zu der Ansicht auf die Außenseite 22, wie diese in 4 dargestellt ist, ist auch hier zu erkennen, dass in einem unteren Bereich die Kanten 25 zunächst senkrecht zur Unterseite 20 verläuft und sich daran ein Bereich anschließt, in dem die Kante 26 um die Winkel α1 und α2 von dem senkrechten Linienverlauf der Außenkante 25 abweicht. Somit verjüngt sich auch in dieser Richtung der Querschnitt des Jochs mit zunehmendem Abstand von den Schenkeln.
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Beispielsweise können die sich die zuvor beschriebenen Winkel α1 und α2 Bereich zwischen 10 und 45 Grad bewegen. Vorzugsweise können die Winkel α1 und α2 einen Wert von 25 Grad aufweisen. Ebenso ist für die Winkel β1 bzw. β2 ein Winkel von 10 und 45 Grad denkbar, vorzugsweise ein Winkelwert von etwa 25 Grad. Je nach speziellen Anwendungsfall können auch davon abweichende Winkelwerte angebracht und geeignet sein.
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In einer speziellen Ausführungsform kann dabei der Bereich h, in dem die Linie 25 senkrecht zu der Unterseite 20 des Jochs verläuft, gegen Null gehen. Somit sind die Außenseiten 21 und 22 des Jochs zwischen Unterseite 20 und Oberseite 30 vollständig abgeschrägt.
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Die Form des Jochs kann dabei sehr gut durch einen Prismatoiden beschrieben werden. Bei einem Prismatoiden handelt es sich um einem dreidimensionalen geometrischen Körper mit zwei parallelen Grundflächen. Im allgemeinen Fall sind die parallen Grundflächen durch Dreiecke oder Trapeze als seitliche Außenflächen verbunden.
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In den oben beschriebenen Fällen handelt es sich somit um einen Prismatoiden mit jeweils rechteckförmigen Grundflächen als Untersetie 20 und Oberseite 30, sowie mit trapezförmigen Außenseiten 21, 22.
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6 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Jochs. In diesem Fall ist die Außenseite 21 in mehrere Teilbereiche 21-1, 21-2 und 21-3 unterteilt. Mit zunehmendem Abstand vom Joch, also in positive y-Richtung weisen die Außenflächen dabei eine steigende Abschrägung auf. Das heißt, β3 ist kleiner als β4 und β4 ist kleiner als β5. In analoger Weise kann auch die Außenseite 22 in mehrere Teilbereiche unterteilt werden, die jeweils eine unterschiedliche Abschrägung α aufweisen. Auf diese Weise erhält man ein Joch, das die Form von mehreren übereinander gestapelte Prismatoiden aufweist.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Jochs. In diesem Fall weisen die Außenkanten 26 des Jochs einen bogenförmigen, konvexen Verlauf auf. In diesem Fall kann durch Abrundung der Außenseiten des Jochs eine besonders gute Anpassung der Jochform an den Feldlinienverlauf im Inneren erreicht werden.
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8 zeigt eine schematische Darstellung der Unterseite 20 einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Jochs. In diesem Fall besitzt das Joch keine rechteckige Unterseite, sondern vielmehr die Fläche eines symmetrischen Vieleckes. In dem in 8 dargestellten Fall handelt es sich dabei um ein symmetrisches Achteck.
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Ebenso sind auch Grundflächen mit abgerundeten Außenkanten möglich. In speziellen Fällen können auch Grundflächen mit einem ganz oder teilweise konkaven Kurvenverlauf der Außenkante der Grundflächen möglich. Durch die Anpassung der Unterseite 20 können somit auch speziellen Geometrien der verwendeten Schenkel 1 und 2 Rechnung getragen werden. So ist es insbesondere bei runden oder ovalen Schenkeln sinnvoll, auch die Unterseite 20 des Jochs an die Form der Schenkel 1 und 2 anzupassen.
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Entsprechend der Anpassung der Fläche der Unterseite 20 kann in analoger Form auch die Fläche der Oberseite 30 angepasst werden.
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Umfasst das erfindungsgemäße Joch in diesem Fall einen unteren Bereich h, in dem die Kanten 25 senkrecht zur Unterseite 20 des Jochs verlaufen, so dass sich das Joch in diesem Bereich nicht verjüngt, so ergibt sich in diesem Fall ein Joch, das die Form eines Prismas mit einem darüber angeordneten Prismatoiden aufweist.
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Wie oben angegeben wurde die Anpassung des oberen Jochs 4 eines Kerns für ein induktives Bauelement beschrieben. Sofern das induktive Bauteil darüber hinaus, wie beispielsweise in 1 dargestellt, ein weiteres Joch 3 aufweist, so kann dieses Joch in analoger Weise ebenfalls angepasst werden.
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Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Jochs für eine induktives Bauelement auch für solche Bauelemente möglich, die nur ein Joch aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Joch wurde weiter oben in Bezug auf das Joch für den Kern eines induktiven Bauteils insbesondere für eine magnetische Drossel beschrieben. Darüber hinaus ist ein solches Joch auch für Kerne von induktiven Bauteilen anderer Art, wie beispielsweise in Transformatoren, Übertragern oder ähnlichem möglich. Ferner sind erfindungsgemäße Joche auch in allen weiteren induktiven Bauelementen denkbar.
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9 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens 100 zur Herstellung eines Kerns für ein induktives Bauelement. In einem ersten Schritt 110 werden mindestens zwei zueinander parallel verlaufende Schenkel 1 und 2 bereitgestellt. In einem weiteren Schritt 120 wird daraufhin ein Joch 4 bereitgestellt, das eine Unterseite 20 und eine der Unterseite 20 gegenüberliegende Oberseite 30 aufweist. Die Unterseite 20 hat dabei eine größere Fläche als die Oberseite 30. Insbesondere kann das Joch dabei eine Form aufweisen, wie sie im Zusammenhang mit den 3 bis 8 beschrieben wurde. In einem weiteren Schritt 130 wird daraufhin das Joch 4 so angeordnet, dass es die beiden Schenkel 1 und 2 miteinander verbindet, wobei die Unterseite 20 des Jochs den beiden Schenkeln 1 und 2 zugewandt ist. Umfasst das induktive Bauelement darüber hinaus ein oder mehrere weitere Joche, so können auch diese entsprechend dem in Schritt 120 bereitgestellten Joch ebenfalls bereit gestellt werden und an den Schenkeln angeordnet werden.
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Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung einen Kern für ein induktives Bauelement, wie beispielsweise eine magnetische Drossel oder ähnliches. Das Joch 4 eines solchen Kerns besitzt dabei eine Geometrie, die an den Feldlinienverlauf im Inneren des magnetischen Kerns angelehnt ist. Somit können insbesondere in den äußeren Ecken des Jochs Material eingespart werden. Auf diese Weise ergibt sich ein erfindungsgemäßes Joch für einen Kern, der weniger Jochmaterial erfordert und somit leichtere Kerne ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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