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Die Erfindung betrifft Drosseln und Transformatoren die als Bauelemente der Elektrotechnik bekannt sind. Ferner betrifft die Erfindung Kerne für Drosseln und Transformatoren. Drosseln dienen – seriell in eine elektrische Leitung zwischengeschaltet – zur Reduzierung hochfrequenter Störungen, insbesondere durch hochfrequente Ströme, und werden z.B. in der Leistungselektronik sowie der Hochfrequenztechnik eingesetzt.
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Es sind verschiedene Bauformen von Drosseln bekannt, die grundsätzlich aus mehreren Windungen eines elektrischen Leiters gebildet sind. Die Windungen werden auch als Wicklung bezeichnet und entsprechen einer Spule bzw. Induktivität. Im Falle eines gewünschten hohen induktiven Widerstands einer Drossel, weist diese einen Kern auf, um den die Wicklung spiralförmig angeordnet ist.
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Ferner sind Transformatoren bekannt, die wie Drosseln einen Kern aufweisen. Um den Kern eines Transformators sind jedoch mindestens zwei Leiter zweier verschiedener Stromkreise gewickelt. Transformatoren dienen bekanntermaßen zur Erhöhung oder Verringerung von Wechselspannungen.
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Der Kern von Drosseln und Transformatoren erfüllt die regelmäßige Anforderung, den magnetischen Fluss stromdurchflossener Spulen zu bündeln sowie die Induktivität und die magnetische Flussdichte zu vergrößern.
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Zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten in den Kernen werden diese häufig aus Elektroblechen, die auch Dynamobleche, Transformatorbleche oder Kernbleche genannt werden, gefertigt. Zur Bildung des Kerns werden gestanzte Einzelbleche voneinander isoliert in einem Paket angeordnet. Auf diese Einzelbleche wird hierzu zuvor eine Isolierschicht zur Isolierung aufgebracht. Eine Verbindung der Einzelbleche erfolgt z.B. durch eine ebenfalls vor der Anordnung im Paket aufgebrachte spezielle Beschichtung, die beim Erhitzen eine Verbindung der Einzelbleche erzeugt.
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Derartige Pakete sind kostengünstig und einfach in großen Stückzahlen herzustellen. Ferner werden häufig jedoch spezielle elektrische Anforderungen an den Kern gestellt, die mit einem Kern mit Elektroblechen nicht erfüllt werden können. Ferner werden teilweise auch aufwendige Formen der Kerne gewünscht, die durch Elektrobleche nur sehr aufwendig herstellbar sind. Diese Anforderungen werden durch Kerne aus Pulververbundwerkstoffen, sogenannte Pulverkerne, erfüllt.
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Zur Herstellung eines Kerns aus Pulververbundwerkstoffen wird ein isolierendes Bindemittel mit ferromagnetischen Pulverteilchen vermischt. Dieses Gemisch wird dann in eine Form gepresst, um den Kern zu bilden, oder der Kern wird aus dem Gemisch in Gusstechnik hergestellt.
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Die elektrischen Eigenschaften von Kernen aus Pulververbundwerkstoffen weisen für bestimmte Anwendungen gegenüber Kernen aus Elektroblechen besondere Vorteile auf. Zum Beispiel verfügen die Kerne aus Pulververbundwerkstoffen gegenüber Kernen aus Elektroblechen über ein höheres Energiespeichervermögen. Ferner weisen Kerne aus Pulververbundwerkstoffen im Vergleich zu Kernen aus Elektroblechen einen zum Magnetfeld lineareren Induktionsverlauf ohne scharfe Sättigung auf.
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Kerne aus Pulververbundwerkstoffen weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Kosten für derartige Kerne gegenüber Kernen aus Elektroblechen um ein Vielfaches höher sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Kern für eine Drossel oder einen Transformator sowie eine Drossel und einen Transformator zu finden, die die Nachteile des Standes der Technik überwinden. Insbesondere soll ein günstiger Kern, der gleichzeitig gute elektrische Eigenschaften aufweist, gefunden werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch einen Kern für einen Transformator oder eine Drossel nach Anspruch 1 und einen Transformator oder eine Drossel nach Anspruch 6 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße Kern für einen Transformator oder eine Drossel umfasst mindestens einen ersten Bereich, also einen, zwei oder mehrere erste Bereiche. Der erste Bereich ist bzw. die ersten Bereiche sind jeweils mit Elektroblechen gebildet oder bestehen aus Elektroblechen. D.h., der Teil des Kerns, der als erster Bereich bezeichnet ist, umfasst Elektrobleche bzw. ist aus Elektroblechen gebildet.
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Ferner umfasst der erfindungsgemäße Kern mindestens einen zweiten Bereich, also einen, zwei, drei oder mehrere zweite Bereiche. Der zweite Bereich ist bzw. die zweiten Bereiche sind jeweils mit Pulververbundwerkstoffen, die insbesondere ferromagnetisch sind, gebildet oder bestehen aus Elektroblechen. D.h., der Teil des Kerns, der als zweiter Bereich bezeichnet ist, umfasst Pulververbundwerkstoffe bzw. ist aus Pulververbundwerkstoffen gebildet.
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Demnach ist also der erfindungsgemäße Kern aus einer Kombination von Elektroblechen und Pulververbundwerkstoffen in jeweils unterschiedlichen Bereichen ausgebildet, sodass der Kern im Vergleich zu reinen aus Elektroblech gefertigten Kernen bessere elektrische Eigenschaften aufweist und gleichzeitig im Vergleich zu reinen aus Pulververbundwerkstoffen hergestellten Kernen günstiger ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Kern mindestens zwei Joche und mindestens zwei Schenkel auf, wobei jedes Joch jeweils einem ersten Bereich und jeder Schenkel jeweils einem zweiten Bereich entspricht. D.h., der Kern umfasst zumindest zwei zweite Bereiche, die mit Pulververbundwerkstoff gebildet sind, und den Schenkeln des Kerns entsprechen. Um diese zweiten Bereich herum sind demnach jeweils ein oder mehrere Leiter anordenbar.
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Ferner umfasst der Kern gemäß der zuletzt genannten Ausführungsform zumindest zwei erste Bereiche, die mit Elektroblechen gebildet sind und den Jochen des Kerns entsprechen. Diese ersten Bereiche verbinden demnach die Schenkel.
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Gemäß dieser Ausführungsform sind gerade die Bereiche, die Schenkeln entsprechen, mit Pulververbundwerkstoff gebildet, sodass hier ein besser formbares Material verwendet ist. Die Schenkel können demnach für eine gewünschte Form der Wicklung angepasst sein. Gleichzeitig sind die Joche mit Elektroblechen gebildet, wodurch Kosten für die Herstellung des Kerns eingespart werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Schenkel zylinderförmig ausgebildet. Wie bereits zuvor genannt, sind die Schenkel bzw. die zweiten Bereiche mit dem Pulververbundwerkstoff in einfacher Art und Weise in beliebigen Formen herstellbar. Demnach ist auch eine zylinderförmige Form wählbar. Diese zylinderförmige Ausbildung dient, um eine möglichst ideale Spule durch Wickeln einer oder mehrerer Leitungen um die Schenkel zu ermöglichen. Im Gegensatz zu Schenkeln aus Elektroblechen weist der Kern keine Kanten oder Ecken aus, die zu Verlusten in der Wicklung der Induktivität führen würden.
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Häufig werden bei bekannten Elektroblechen zur Glättung von Kanten oder Ecken der Schenkel weitere ausgleichende Materialien auf dem Kern angeordnet, um eine zylinderförmige Ausbildung der Schenkel zu erzielen. Dies ist jedoch nachteilhaft, da sich durch diese weiteren Materialien der Luftspalt zwischen Wicklung und Kern vergrößert und sich damit die Induktivität erhöht. Auch diesem Nachteil wird durch zylinderförmige Schenkel gemäß der zuletzt genannten Ausführungsform entgegengewirkt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Joche quaderförmig gebildet. Eine quaderförmige Bildung der Joche erfolgt durch das einfache Stanzen von Elektroblechen in Rechteckform und Zusammenfügen dieser gestanzten Bleche zum Blechpaket, das dann einem Joch entspricht. Neben den bereits geringen Kosten für das Material sind derartige Joche mit geringem Aufwand und daher kostengünstig herstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Kern zwei zueinander im Wesentlichen parallel angeordnete erste Bereiche, insbesondere Joche, und drei zueinander im Wesentlichen parallel angeordnete zweite Bereiche, insbesondere Schenkel, auf. Jeder zweite Bereich, insbesondere Schenkel, weist jeweils ein erstes Ende und jeweils ein zweites Ende auf. Die ersten Enden der zweiten Bereiche, insbesondere Schenkel, sind mit dem ersten der ersten Bereiche und die zweiten Enden der zweiten Bereiche mit dem zweiten der ersten Bereiche verbunden.
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Ein Kern gemäß dieser Ausführungsform weist besonders gute elektrische Eigenschaften für Drosseln oder Transformatoren beim Einsatz für Anwendungen mit Dreiphasenwechselstrom auf.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Erfindung einen Transformator oder eine Drossel mit einem Kern gemäß einem der zuvor genannten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kerns und mit mindestens einer Wicklung.
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Ein derartiger Transformator oder eine derartige Drossel weist im Vergleich zu Transformatoren oder Drosseln, die mit einem Kern aus Elektroblech ohne Verwendung von Pulververbundwerkstoffen gefertigt sind, bessere elektrische Eigenschaften auf. Ferner sind die erfindungsgemäßen Transformatoren oder Drosseln günstiger als die mit einem Kern aus Pulververbundwerkstoffen ohne Verwendung von Elektroblech hergestellten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Transformators oder der Drossel ist mindestens eine Wicklung im zweiten Bereich des Kerns angeordnet, der einen Pulververbundwerkstoff aufweist.
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In diesem Bereich ist vorteilhafterweise eine beliebige Form, insbesondere eine zylinderförmige Form des Kerns, auf einfache Weise durch den Pulververbundwerkstoff herstellbar, sodass die Wicklung ideal, insbesondere stetig, gewickelt sein kann und damit das induktive Verhalten der Wicklung verbessert wird. Ein dichtes Anliegen der Windungen am Kern mit geringem oder ohne Luftspalt ist somit möglich. Verluste in unstetigen Bereichen der Windungen werden minimiert oder sogar im Wesentlichen eliminiert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Transformators oder der Drossel weist der Kern des Transformators oder der Drossel zwei zueinander im Wesentlichen parallel angeordnete erste Bereiche, insbesondere Joche, und drei zueinander im Wesentlichen parallel angeordnete zweite Bereiche, insbesondere Schenkel, auf. Um jeden Schenkel verläuft jeweils spiralförmig mindestens eine elektrische Leitung.
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Jeder zweite Bereich, insbesondere Schenkel, weist jeweils ein erstes Ende und jeweils ein zweites Ende auf. Die ersten Enden der zweiten Bereiche, insbesondere Schenkel, sind mit dem ersten der ersten Bereiche und die zweiten Enden der zweiten Bereiche mit dem zweiten der ersten Bereiche verbunden.
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Ein derartiger Transformator bzw. eine derartige Drossel stellen eine kostengünstige Ausführungsform für Dreiphasenstrom bzw. Drehstrom dar, die besonders gute elektrische Eigenschaften aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kern für einen Transformator oder eine Drossel durch Verbinden von mindestens einem ersten und mindestens einem zweiten Bereich hergestellt. Der erste Bereich wird zuvor mit Elektroblechen hergestellt und der zweite Bereich wird zuvor mit Pulververbundwerkstoff hergestellt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Drossel.
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1 zeigt eine Drossel 10 mit einem Kern 12 sowie drei Wicklungen 14a bis 14c. Die Wicklungen 14a bis 14c entsprechen jeweils einem elektrischen Leiter, der spiralförmig, nach Art eine Helix bzw. schraubenförmig um den Kern 12 gewickelt ist.
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Zudem weist der Kern 12 weist zwei erste Bereiche 15a und 15b, die jeweils einem Joch 16a und 16b des Kerns entsprechen, und drei zweite Bereiche 17a bis 17c auf, die jeweils einem Schenkel 18a bis 18c entsprechen.
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Die drei Schenkel 18a bis 18c sind parallel zueinander angeordnet und weisen jeweils ein erstes Ende 20a bis 20c und ein zweites Ende 22a bis 22c auf. Die ersten Enden 20a bis 20c der Schenkel 18a bis 18c sind mit dem ersten Joch 16a verbunden und die zweiten Enden 22a bis 22c der Schenkel 18a bis 18c sind mit dem zweiten Joch 16b verbunden.
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Die Schenkel 18a bis 18c sind mit einem Pulververbundwerkstoff gefertigt und die Joche 16a und 16b bestehen aus einem Packet bzw. Blechpaket, das mit Elektroblechen gefertigt ist. Die Joche 16a, 16b weisen eine quaderförmige Form auf. Die Joche weisen demnach eine Höhe h, eine Breite b und Tiefe t auf.
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Die Schenkel 18a bis 18c weisen eine zylindrische Form mit jeweils einer Mantelfläche auf. Die Wicklungen 14a bis 14c sind auf der Mantelfläche der zylindrisch ausgebildeten Schenkel 18a bis 18c angeordnet und weisen somit auch eine im Wesentlichen hohlzylindrische Form auf. Demnach verlaufen die Wicklungen 14a bis 14c z.B. nach Art einer Helix, spiralförmig bzw. schraubenförmig jeweils um einen der Schenkel 18a bis 18c. Die Wicklungen 14a bis 14c weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Anschluss auf, die hier jedoch nicht dargestellt sind.
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Die dargestellte Drossel 10 ist günstig herzustellen, da die Joche 16a und 16b kostengünstig herzustellen sind. Aufgrund der zylinderförmigen Schenkel 18a bis 18c aus Pulververbundwerkstoff weist die Drossel vorteilhafte elektrische Eigenschaften auf.
