Die Erfindung betrifft eine Kernanordnung mit magnetischen Eigenschaften für eine elektrische Vorrichtung, wobei die Kernanordnung Ferritmaterial umfasst und dazu ausgebildet und eingerichtet ist, in einem Betrieb der elektrischen Vorrichtung einen magnetischen Fluss zu leiten.

Die Erfindung betrifft auch eine Drossel mit einer derartigen Kernanordnung und mindestens einer elektrisch leitenden Spule, wobei die mindestens eine elektrisch leitende Spule die Kernanordnung mindestens abschnittsweise umwickelt.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Vorrichtung mit einer derartigen

Kernanordnung

Kernanordnungen sind beispielsweise als Bestandteil von Drosseln in elektronischen

Vorrichtungen anzutreffen oder bilden beispielsweise Transformatorkerne in

Transformatoren aus. Sie dienen der Leitung eines von einer Spule oder mehreren Spulen induzierten magnetischen Flusses F in diesen elektrischen Vorrichtungen. Bei den Drosseln kann es sich beispielsweise um Drosseln zur Glättung einer sinusförmigen

Wechselspannung mit hochfrequenten Anteilen handeln, wie sie beispielsweise im

Leistungspfad eines Wechselrichters im Nachgang der Wechselrichterbrücken anzutreffen sind. Derartige Drosseln können Teil eines Sinusfilters sein, so dass diese auch die Funktion einer EMV-Filterdrossel aufweisen. EMV-Filterdrosseln dienen der Filterung von

Störsignalen, die sich in der elektrischen Vorrichtung ausbreiten können und nicht in die Umgebung gelangen sollen.

In Kernanordnungen werden zur Leitung des magnetischen Flusses möglichst geringe Verluste und einen möglichst hohen magnetischen Leitwert A des magnetischen Materials angestrebt. Zur Verdeutlichung sei für eine geschlossene umlaufende Kernanordnung mit konstantem Querschnitt A und einer Länge l der vereinfachte Zusammenhang L = gegeben, wobei m ₀ die magnetische Feldkonstante und m _G eine relative Permeabilität des Materials ist. Eisen als Kernmaterial ist kostengünstig und verfügt über vorteilhaft hohe Werte für m _G , weist aber aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit auch hohe Verluste durch Wirbelströme auf. Ferrit als Kernmaterial weist ebenfalls hohe Werte für m _G auf, ist aber im Vergleich zu Eisen ein schlechter Leiter. Ferrit ist ein ferrimagnetisches Material. Sollen Kernanordnungen schnell veränderliche Magnetfelder leiten, kommen beispielsweise weichmagnetische Materialen zum Einsatz, die im Vergleich zu hartmagnetischen Materialen eine schmalere Hysterese-Kurve aufweisen und dadurch geringere

Ummagnetisierungsverluste in den Kernanordnungen hervorrufen.

Zur Leitung hoher magnetischer Flüsse können Kernanordnungen mit einem entsprechend großen Querschnitt ausgestaltet werden. Dies erhöht sowohl die Materialkosten als auch das Gewicht derartiger Bauteile. Bei Energieerzeugungsanlagen mit mindestens einem

Wechselrichter sind Drosseln mit einer Kernanordnung im Nachgang der

Wechselrichterbrücken bekannt, die im Leistungspfad der Anlagen angeordnet und hohen magnetischen Flüssen ausgesetzt sind. Diese Drosseln können ein Gewicht im

Tonnenbereich aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kernanordnung der eingangs genannten Art und eine Drossel der eingangs genannten Art anzugeben sowie eine elektrische Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher in mindestens einem Frequenzbereich eine besonders verlustarme Leitung eines magnetischen Flusses ermöglicht ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Kernanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kernanordnung mindestens einen Stapel mit mindestens zwei Ferrit-Scheiben aus Ferritmaterial umfasst,

-wobei die Ferrit-Scheiben jeweils eine Vorder- und eine Rückseite als Seiten und

mindestens einen die Vorder- und Rückseite verbindenden Rand aufweisen und mit einander zugewandten Seiten, wobei die Kernanordnung dazu ausgebildet und eingerichtet ist, in mindestens einem Betriebszustand der elektrischen Vorrichtung einen magnetischen Fluss zu leiten, der im Bereich des Stapels parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Seiten verläuft.

Mit der erfindungsgemäßen Kernanordnung können mehrere zu Verlusten führende Effekte in Ferritmaterial in mindestens einem Frequenzbereich reduziert oder unterdrückt werden, wobei diese Effekte besonders im MHz-Bereich verstärkt zu Verlusten führen. Aufgrund dieser verlustärmeren Leitung des magnetischen Flusses im Ferritmaterial kann

Ferritmaterial in der Kernanordnung eingespart werden, wodurch sich das Gewicht der Kernanordnung verringert. Bei erfindungsgemäßen Prototypen für EMV-Filterdrosseln mit einem auf Ferritmaterial basierenden Kern konnten in dieser Weise signifikante

Gewichtsreduktionen gegenüber herkömmlichen EMV-Filterdrosseln mit einstückigem Ferritkern erreicht werden. Diese verlustbehafteten Effekte werden in den Herstellerangaben von Ferritkernen nicht berücksichtigt, da sie im Allgemeinen entweder nicht bekannt sind oder allgemein als vernachlässigbar betrachtet werden. Erstaunlicherweise führt eine Unterdrückung oder Reduzierung dieser entweder als vernachlässigbar betrachteten oder allgemein wenig bekannten verlustbehafteten Effekte in Ferritmaterial mittels der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kernanordnung aber in Summe zu einer signifikanten Verbesserung der Performance von Ferritkernen.

Der erste hier angesprochene verlustbehaftete Effekt wird als Volumen-Effekt (Volume Effect) oder Dimensions-Effekt (Dimensional Effect) oder Dimensions-Resonanz

(Dimensional Resonance) bezeichnet. Die drei Begriffe seien im Rahmen dieser Erfindung synonym verwendet. Die Dimensions-Resonanz ist vorhanden, wenn die räumliche

Dimension eines einstückigen Ferrit-Kerns größer ist als die Hälfte der Wellenlänge einer den Ferrit-Kern durchquerenden elektromagnetischen Welle. Da Ferrit eine hohe dielektrische Konstante und eine hohe Permeabilität ausweist, ist die

Wellenausbreitungsgeschwindigkeit im Material geringer als beispielsweise in Luft oder im leeren Raum, so dass die Wellenlängendifferenz zu einer Phasendifferenz der Welle an der Oberfläche des magnetischen Materials führt. Der Dimensions-Effekt beeinflusst die Impedanz des Ferritkerns, die von induktiv bei geringen Frequenzen zu resistiv bei hohen Frequenzen wechselt, wenn die Resonanz präsent ist. Durch Reduzierung der räumlichen Ausdehnung des Ferrit-Kerns in mindestens einer Dimension mittels Aufteilung in Ferrit- Scheiben lässt sich für hohe Frequenzen die Dimensions-Resonanz reduzieren oder verhindern.

Die Resonanz-Dimension D _R ist eine Funktion der Frequenz und weiterer

materialabhängiger Größen wie folgt:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Vakuum, e ₀ eine absolute Permittivität des

Ferritmaterials, s _r eine relative Permittivität des Ferritmaterials, / eine Frequenz einer elektromagnetischen Welle, w ein Produkt aus 2p mal der Frequenz /, m _G eine relative Permeabilität (Permeabilitätszahl) des Ferritmaterials und p eine spezifischer elektrischer Widerstand des Ferritmaterials ist.

Die Resonanz-Dimension D _R für Mangan-Zink Ferrit (MnZn Ferrit) und Nickel-Zink Ferrit (NiZn Ferrit) als Funktion der Frequenz / ist in der Figur 4 dargestellt. Um bei einer gegebenen Frequenz / die Dimensions-Resonanz und damit die hierdurch verursachten Verluste vollständig zu verhindern, muss die kleinste räumliche Abmessung des Ferritkerns bzw. der Ferrit-Scheiben geringer oder gleich der Hälfte von D _R bei dieser Frequenz sein.

Die Verluste, die durch die Dimensions-Resonanz verursacht werden, lassen sich aber auch schon für größere Abmessungen reduzieren, indem in mindestens einer Richtung die räumliche Abmessung des Ferritkerns bzw. der Ferrit-Scheibe reduziert wird. Somit weist beispielsweise jeder einstückige Ferrit-Kern, der zur Reduzierung der Dimensions-Resonanz in mindestens zwei Ferrit-Scheiben in vorgesehener Richtung des magnetischen Flusses zerschnitten wird, geringere Verluste auf als der einstückige Ferrit-Kern, auch wenn die Abmessungen der Ferrit-Scheiben quer zum magnetischen Fluss wesentlich größer sind als die Hälfte von D _R im betrachteten Frequenzbereich. Die Ferrit-Scheiben des Stapels können mit ihren Seiten, die in dem Beispiel den Schnittflächen entsprechen, aneinander an liegen oder voneinander beabstandet angeordnet sein. Um die Dimensions-Resonanz im

Ferritmaterial zu reduzieren bedarf es keines speziellen Materials, insbesondere keines elektrisch isolierenden Materials, zwischen den Ferrit-Scheiben des Stapels. Sofern zwischen den Ferrit-Scheiben des Stapels magnetisches Material - also paramagnetisches, ferromagnetisches, ferrimagnetisches oder antiferromagnetisches Material - eingefügt wird, ist allerdings zu beachten, dass dieses wiederum eigene Verluste im magnetischen Fluss erzeugen kann. Wird zwischen den Ferrit-Scheiben unmagnetisches Material oder diamagnetisches Material eingefügt, können durch das Füllmaterial hervorgerufene Verluste vermieden werden. Da jedes Material auf atomarer Ebene diamagnetisch ist, sei im Rahmen dieser Erfindung mit diamagnetischem oder rein diamagnetischem Material solches gemeint, das nicht zusätzlich in dominierender Weise paramagnetisch, ferromagnetisch,

ferrimagnetisch oder antiferromagnetisch auf ein äußeres Magnetfeld reagiert. Alternativ sei magnetisches Material definiert durch eine Permeabilitätszahl größer 1 , unmagnetisches Material durch eine Permeabilitätszahl von 1 und diamagnetisches Material durch eine Permeabilitätszahl kleiner 1. Insbesondere sei im Rahmen dieser Erfindung Luft als diamagnetisch bezeichnet, auch wenn es in der Literatur teilweise hiervon abweichend als paramagnetisch bezeichnet wird. Als Beispiel für ein unmagnetisches Material sei

Polyethylen angegeben, dessen Permeabilitätszahl ~1 entspricht.

Da Ferrit ein sprödes Material ist, welches bei Kernanordnungen aufgrund eines

Wicklungsprozesses einer um die Kernanordnung herum angeordneten elektrisch leitenden Spule mechanischem Stress ausgesetzt ist, kann das Füllmaterial zu einem Abfedern dieser mechanischen Kräfte verwendet werden. Beispielsweise kann hierfür zwischen mindestens zwei der Ferrit-Scheiben der Kernanordnung ein elastisches Füllmaterial angeordnet sein. Als zweiter verlustbehafteter Effekt in Ferrit-Kernen sei ein Kern-Skineffekt (core skin effect) genannt, der auch mit magnetischem Skineffekt (flux skin effect) bezeichnet wird. Die Kerngröße und der Frequenzbereich des Anwendungsbereichs der Kernanordnung haben einen starken Einfluss auf die Verteilung des magnetischen Flusses im Kern. Aufgrund des Kern-Skineffekts (core skin effect) kommt es zu einer ungleichmäßigen Verteilung des magnetischen Flusses im Kern, obgleich Verluste durch Kreisströme in Ferritmaterial als vernachlässigbar gelten. Bei hohen Frequenzen wird der magnetische Fluss aufgrund von Kreisströmen und Verschiebungsströmen aus dem Inneren des Ferrit-Kerns gedrängt, so dass ein magnetischer Skineffekt (flux skin efffect) analog dem Skineffekt des elektrischen Stroms (electric current skin effect) in elektrischen Leitungen auftritt. Der magnetische Fluss ist dann höher im Bereich der inneren Oberfläche des Kerns und geschwächt im zentralen Bereich des Kerns. Die ungleichförmige Verteilung des magnetischen Flusses kann zu lokaler magnetischer Sättigung, reduzierter Permeabilität und substantiellen Verlusten führen. Die magnetische Skintiefe d [m] ist eine Funktion der Frequenz / [Hz] und hängt von der spezifischen Leitfähigkeit s [S/m] des Materials, der absoluten Permeabilität m ₀

[4TT10 ⁷ H/GTI] und der relativen Permeabilität m _G des Materials wie folgt ab:

Die Verluste, die durch den magnetischen Skineffekt im Ferrit-Kern verursacht werden, lassen sich reduzieren, indem der Ferrit-Kern in mindestens zwei Ferrit-Scheiben in vorgesehener Richtung des magnetischen Flusses zerschnitten wird, so dass ein

gegebenenfalls vorhandener innerer Bereich der Ferrit-Scheiben mit geschwächtem magnetischem Fluss verkleinert wird und Kreisströme und Verschiebungsströme im Inneren des Ferritmaterials reduziert sind.

Selbstverständlich können bei den angeführten Beispielen die erfindungsgemäßen Ferrit- Kerne anstelle eines Zerschneidens in mindestens zwei Ferrit-Scheiben auch anderweitig hergestellt werden, beispielsweise durch separates Herstellen der Ferrit-Scheiben und anschließendes Zusammensetzen.

Erfindungsgemäß umfasst die Kernanordnung mindestens einen Stapel mit mindestens zwei Scheiben aus Ferritmaterial. Die Kernanordnung kann auch weitere Stapel mit mindestens zwei Scheiben aus Ferritmaterial umfassen. Der Stapel kann beispielsweise mindestens drei oder mindestens vier Scheiben aus Ferritmaterial umfassen. Die Ferrit-Scheiben können aus unterschiedlichem Ferritmaterial bestehen oder aus dem gleichen Ferritmaterial. Das gleiche Ferritmaterial kann unterschiedliche Arten von Ferritmaterial umfassen. Bei dem

Ferritmaterial kann es sich um weichmagnetisches Ferritmaterial handeln. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.

Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Stapel mindestens zwei Ferrit-Scheiben aus dem gleichen oder im Wesentlichen aus dem gleichen Ferritmaterial umfasst.

Diese Ausgestaltung der Erfindung soll nochmals verdeutlichen, dass der erfindungsgemäße Gedanke in der Aufteilung eines Ferritkerns in Ferrit-Scheiben liegt. Da Ferrit ein schlechter Leiter ist, finden sich laminierte Kerne im Stand der Technik nur für leitende magnetische Materialien. Die mindestens zwei Ferrit-Scheiben aus dem gleichen Ferritmaterial können beispielsweise aus einer Sorte Ferritmaterial bestehen oder beispielsweise Bereiche mit unterschiedlichen Sorten Ferritmaterials umfassen.

Es kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass mindestens zwei, insbesondere alle,

Ferrit-Scheiben des Stapels voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei der mindestens eine Zwischenraum zwischen direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels ausgefüllt oder im Wesentlichen ausgefüllt ist

-mit nicht-magnetischem oder diamagnetischem Material und/oder

einem nicht-magnetischen oder diamagnetischen gasförmigen oder flüssigen Stoffs.

Der mindestens eine Zwischenraum zwischen direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels kann eine gegenseitige Beschädigung der beiden direkt benachbarten Ferrit- Scheiben bei einer mechanischen Belastung der Kernanordnung verhindern, beispielsweise während eines Wicklungsprozesses von elektrisch leitenden Spulen um die Kernanordnung herum. Die Wortwahl„direkt benachbarte Ferrit-Scheiben“ bezieht sich auf den Umstand, dass es sich bei den beiden Ferrit-Scheiben um eine nächstfolgende Ferrit-Scheibe im Stapel handelt. Unabhängig hiervon, kann gemäß der Ausgestaltung der Erfindung zwischen den beiden direkt benachbarten Ferrit-Scheiben mindestens eine weitere Scheibe aus einem nicht-magnetischen oder diamagnetischen Material angeordnet sein. Um die an den mindestens einen Zwischenraum angrenzenden Ferrit-Scheiben auf Abstand zu halten, ist in dem Zwischenraum nicht-magnetisches oder diamagnetisches Material angeordnet. Das nicht-magnetische oder diamagnetische Material kann den ganzen Zwischenraum ausfüllen. Um die beiden an den Zwischenraum angrenzenden Ferrit-Scheiben auf Abstand zu halten, ist es aber nicht unbedingt nötig, dass das nicht-magnetische oder diamagnetische Material den ganzen Zwischenraum ausfüllt. Das nicht-magnetische oder diamagnetische Material kann beispielsweise als scheibenförmiges Gitter zwischen den beiden Ferrit-Scheiben angeordnet sein, wobei die Durchbrüche des Gitters beispielsweise mit Luft oder Öl gefüllt sind. Das nicht-magnetische oder diamagnetische Material hat den Vorteil, dass es keine Verluste des magnetischen Flusses in der Kernanordnung bewirkt. Der magnetische Fluss wird gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung im Bereich des Stapels in den Ferrit- Scheiben geleitet. Bei dem nicht-magnetischen oder diamagnetischen Material kann es sich beispielsweise um Pappe, Plastik, Kupfer, Polyurethan, Plastikfolie, Gummi, Gummi-PET- Folie, Silikongummi oder Naturkautschuk handeln. Der Zwischenraum kann beispielsweise auch Kombinationen aus diesen Materialien umfassen.

Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass mindestens zwei, insbesondere alle, Ferrit-Scheiben des Stapels voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei mindestens einer des mindestens einen Zwischenraums zwischen direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels unterteilt ist in mindestens einen mittleren Hilfsbereich und beidseitig

angrenzende Unterzwischenräume, wobei der Hilfsbereich ausgefüllt ist oder im

Wesentlichen ausgefüllt ist mit mindestens einer Scheibe aus magnetischem Material oder einem Hilfsstapel mit mindestens zwei Scheiben aus magnetischem Material, wobei die Unterzwischenräume und die restlichen Zwischenräume zwischen direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels, die frei von einem derartigen Hilfsbereich sind, ausgefüllt sind oder im Wesentlichen ausgefüllt sind

-mit nicht-magnetischem oder diamagnetischem Material und/oder

einem nicht-magnetischen oder diamagnetischen gasförmigen oder flüssigen Stoffs.

Diese Ausgestaltung der Erfindung eignet sich für eine Kernanordnung, die die

magnetischen Eigenschaften des Ferritmaterials zusätzlich mit den magnetischen

Eigenschaften eines anderen magnetischen Materials kombiniert. Bei dem magnetischen Material kann es sich beispielsweise um ferromagnetisches oder paramagnetisches Material handeln, beispielsweise um magnetische amorphe metallische Legierungen oder magnetisches nanokristallines Material oder magnetische Eisen-Nickel-Legierungen.

Zur Reduzierung der Verluste in der Kernanordnung kann die im Hilfsbereich angeordnete mindestens eine Scheibe aus magnetischem Material eine reduzierte Dicke aufweisen und im Falle eines Hilfsstapel entsprechendes Füllmaterial zwischen den Scheiben angeordnet sein, das entsprechend den Eigenschaften des magnetischen Materials verlustmindernd wirkt.

Bezüglich der Unterzwischenräume und der restlichen Zwischenräume, die frei sind von zusätzlichem magnetischem Material in einem Hilfsbereich, gelten die gleichen

Ausführungen wie zu den Zwischenräumen unter Anspruch 3.

Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass zwischen mindestens zwei, insbesondere allen, direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels elastisches Material, insbesondere Polyurethan, insbesondere geschäumtes Polyurethan oder Polyurethan- Elastomer, angeordnet ist.

Diese Ausgestaltung der Erfindung reduziert auf die Ferrit-Scheiben einwirkenden mechanischen Stress, der bei einem Wicklungsprozess einer elektrisch leitenden Spule um die Kernanordnung entsteht. Der mechanische Stress kann zu einer reduzierten

Performance der Kernanordnung führen und im schlimmsten Fall zu einem Bruch von Ferrit- Scheiben führen. Ist zwischen allen direkt benachbarten Ferrit-Scheiben elastisches Material angeordnet, können sich die Ferrit-Scheiben bei einem derartigen Wicklungsprozess gegenseitig nicht beschädigen. Bei dem elastischen Material kann es sich beispielsweise um Polyurethan, geschäumtes Polyurethan, Polyurethan-Elastomer, Gummi-PET-Folie,

Silikongummi, Naturkautschuk oder Gummi handeln. Das elastische Material kann beispielsweise den gesamten Zwischenraum ausfüllen. Insbesondere kann zwischen den mindestens zwei, insbesondere allen, direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels genau ein Abstandshalter, insbesondere ein scheibenförmiger Abstandhalter aus

elastischem Material angeordnet sein. Das elastische Material kann lose mit den Ferrit- Scheiben zusammengefügt sein und der Stapel mittels einer Ummantelung

zusammengehalten werden. Dies reduziert die Herstellungskosten der Kernanordnung.

Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass mindestens zwei, insbesondere alle, direkt benachbarte Ferrit-Scheiben des Stapels voneinander beabstandet angeordnet sind.

Um die mindestens zwei direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels voneinander beabstandet zu halten, kann mindestens ein Abstandshalter von der Kernanordnung umfasst sein. Der mindestens eine Abstandshalter kann mit den Rändern von mindestens zwei direkt benachbart angeordneten Ferrit-Scheiben verbunden und insbesondere elastisch sein. Der Zwischenraum zwischen den beiden direkt benachbarten Ferrit-Scheiben kann mit einem nicht-magnetischen gasförmigen oder flüssigen Stoff gefüllt sein. Da diese Konstruktion aber bei einer Einwirkung von mechanischem Druck ein Berühren der Ferrit-Scheiben nicht gänzlich ausschließen kann und weniger stabil ist, ist es vorzuziehen, wenn der mindestens eine die beiden direkt benachbarten Ferrit-Scheiben auf Abstand haltende Abstandshalter zwischen den beiden Ferrit-Scheiben angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass zwischen direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels mindestens ein die beiden Ferrit-Scheiben auf Abstand haltender Abstandshalter angeordnet ist, der aus oder im Wesentlichen aus einem nicht-magnetischen oder aus einem diamagnetischen Material besteht und insbesondere elastisch ist. Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass genau ein Abstandhalter zwischen direkt benachbarten Ferrit-Scheiben des Stapels angeordnet ist, wobei insbesondere der Abstandshalter scheibenförmig ausgebildet ist.

Der Abstandshalter kann beispielsweise einen schichtförmigen Aufbau aus mehreren Materialien aufweisen oder aus einem einzigen Material gefertigt sein. Der Abstandshalter kann scheibenförmig ausgebildet sein und den gleichen oder im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die Ferrit-Scheiben des Stapels aufweisen. Die Dicke des Abstandshalters kann beispielsweise im Millimeter-Bereich liegen und beispielsweise 0,5 mm bis 4 mm betragen. Insbesondere kann der Abstandshalter aus einem elastischen Material bestehen. Sofern die Ferrit-Scheiben ringförmig ausgebildet sind, kann der Abstandshalter ebenfalls eine ringförmige Form aufweisen, so dass mindestens eine elektrisch leitende Spule mindestens abschnittsweise ohne eine Behinderung durch die Abstandshalter um den Stapel wickelbar ist. Umfasst der Stapel mindestens einen Zwischenraum zwischen direkt benachbart angeordneten Ferrit-Scheiben, der einen Hilfsbereich mit magnetischem Material aufweist, kann genau ein Abstandshalter beidseitig des Hilfsbereichs angeordnet sein, der entsprechend den obigen Ausführungen zu dieser Ausgestaltung der Erfindung ausgebildet sein kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass die Ferrit-Scheiben und die Abstandshalter des Stapels lose gegeneinander angeordnet sind.

Dies ermöglicht eine flexible Zusammenstellung der Kernanordnung aus Standardbauteilen und erleichtert die Herstellung der Kernanordnung. Zudem ermöglicht die Ausgestaltung der Erfindung ein nachträgliches Einfügen weiterer Ferrit-Scheiben oder Abstandshalter.

Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass eine Befestigungsvorrichtung umfasst ist, welche den Stapel zusammenhält, wobei die Befestigungsvorrichtung insbesondere mindestens ein nicht-magnetisches oder diamagnetisches Material umfasst oder aus diesem besteht, wobei die Befestigungsvorrichtung insbesondere eine Ummantelung der

Kernanordnung ist, insbesondere eine elastische Ummantelung der Kernanordnung, insbesondere eine Ummantelung aus Polyurethan.

Vorteilhafterweise kann weiter vorgesehen sein, dass der Stapel genau 2 bis 15 Ferrit- Scheiben, insbesondere genau 4 bis 7 Ferrit-Scheiben, umfasst.

Die erfindungsgemäße Kernanordnung benötigt nicht wie bei laminierten Blechpaketen eine hohe Anzahl an Ferrit-Scheiben. Bei Tests konnten bereits mit 4 Ferrit-Scheiben des Stapels sehr gute Ergebnisse bei der Gewichtsreduktion des Ferritmaterials in der Kernanordnung erreicht werden. Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass das Ferritmaterial keramisches Ferritmaterial ist, und insbesondere Mangan-Zink Ferrit (Mn-Zn Ferrit) und/oder Nickel-Zink Ferrit (Ni-Zn Ferrit) umfasst.

Keramisches Ferritmaterial wird aus Eisenoxid (Fe ₂ 0 ₃₎ kombiniert mit Oxiden oder

Carbonaten von Mangan und Zink (MnZn) oder Nickel und Zink (NiZn) hergestellt. Das Ausgangsmaterial wird gepresst und dann bei Temperaturen von 1000 - 1500 °C gesintert. Aufgrund des Herstellungsverfahrens sind Ferritkerne in den unterschiedlichsten

geometrischen Formen verfügbar. Das Ferritmaterial ist im Vergleich zu magnetischem nanokristallinen Material kostengünstig. Für gewöhnlich handelt es sich bei Ferritmaterial um keramisches Ferritmaterial. Ferritmaterial ist ferrimagnetisches Material.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Stapel mindestens zwei Ferrit-Scheiben aus unterschiedlichem Ferritmaterial umfasst.

Insbesondere kann der Stapel mindestens drei Ferrit-Scheiben aus drei unterschiedlichen Ferritmaterialien umfassen.

Mn-Zn Ferrit und Ni-Zn Ferrit gibt es in unterschiedlichen Zusammensetzungen, deren magnetischen Eigenschaften sich u.a. hinsichtlich der relativen Permeabilität in Abhängigkeit der Frequenz und der Temperatur unterscheiden. Handelsnamen für unterschiedliche Ferritmaterialien sind beispielsweise Mn-Zn Ferrit 3E10, Mn-Zn Ferrit R15K, Ni-Zn Ferrit 4560. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kernanordnung ermöglicht eine spezielle Abstimmung der magnetischen Eigenschaften der Kernanordnung auf den jeweils vorgesehenen Anwendungsbereich.

Es kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Ferrit-Scheiben des Stapels dazu ausgebildet und eingerichtet sind, mindestens abschnittsweise von den Wicklungen mindestens einer elektrisch leitenden Spule gemeinsam umwickelbar zu sein.

Dies ermöglicht den Einsatz der Kernanordnung als Kern einer Drossel oder als

Transformatorkern. Die geometrische Formgestaltung der Ferrit-Scheiben des Stapels kann beispielsweise rechteckig, u-förmig oder ringförmig sein, so dass die einzelnen Wicklungen der elektrisch leitenden Spule jeweils um den Stapel herum führen und ein durch

Beaufschlagung der elektrisch leitende Spule mit einer Wechselspannung hervorgerufene magnetische Fluss im Bereich des Stapels innerhalb der Ferrit-Scheiben und parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Seiten der Ferrit-Scheiben verläuft. Die Formgebung von gegebenenfalls vorhandenen Abstandshaltern zwischen den Ferrit-Scheiben ist hierbei derart, dass eine mindestens abschnittsweise Umwicklung des Stapels ermöglicht ist.

Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Kernanordnung eine ringförmige Kernanordnung ist mit einer Rotationsachse, und die Ferrit-Scheiben des Stapels ringförmig sind, wobei die Vorderseiten und die Rückseiten der Ferrit-Scheiben in Richtung der Rotationsachse weisen und die Dicken der Ferrit-Scheiben sich parallel zur Rotationsachse erstrecken oder die Vorder- und Rückseiten der Ferrit-Scheiben koaxial zur Rotationsachse verlaufen und die Dicken der Ferrit-Scheiben normal zur Rotationsachse weisen.

Beide alternativen Ausgestaltungen der Erfindung eignen sich gleichermaßen zur

Reduzierung der Verluste in der ringförmigen Kernanordnung. Die Stapelung der Ferrit- Scheiben in Richtung der Rotationsachse weist zudem den Vorteil auf, dass alle Bauteile und gegebenenfalls Abstandshalter die gleiche geometrische Form aufweisen können und eine derartige Kernanordnung somit einfacher in der Herstellung ist. Die Kernanordnung kann auch mehrere Stapel umfassen, so dass beide alternative Ausgestaltungen der Erfindung gemeinsam verwirklicht sind, indem Stapel gemäß der zweiten Alternative in einer Stapelfolge gemäß der ersten Alternative angeordnet sind.

Es kann auch als vorteilhaft angesehen werden, dass die Kernanordnung dazu ausgebildet und eingerichtet ist, mindestens abschnittsweise von mindestens einer elektrisch leitenden Spule umwickelbar zu sein.

Dies ermöglicht den Einsatz der Kernanordnung als Kern einer Drossel oder als

Transformatorkern. Die Kernanordnung kann eine Ummantelung aufweisen, über welche mindestens abschnittsweise die mindestens eine elektrisch leitende Spule gewickelt wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drossel der eingangs genannten Art anzugeben, mit welcher in mindestens einem Frequenzbereich eine besonders verlustarme Leitung eines magnetischen Flusses ermöglicht ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einer Drossel mit einer Kernanordnung mit magnetischen Eigenschaften und mindestens einer elektrisch leitenden Spule, wobei die mindestens eine elektrisch leitende Spule die Kernanordnung mindestens abschnittsweise umwickelt, dadurch gelöst, dass die Kernanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist.

Bezüglich der Vorteile, Definitionen, Ausführungsbeispiele und Anmerkungen der erfindungsgemäßen Kernanordnung der Drossel sei auf die Abschnitte zu den jeweiligen Ansprüchen 1 bis 16 verwiesen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Drossel kann vorsehen, dass die Drossel eine EMV-Filterdrossel für eine elektrische Vorrichtung ist.

EMV-Filterdrosseln dienen der Unterdrückung oder Reduzierung von Störsignalen, die sich im Betrieb elektrischer Vorrichtungen in diesen ausbreiten und auf die Umgebung abstrahlen können. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der mit welcher in mindestens einem Frequenzbereich eine besonders verlustarme Leitung eines magnetischen Flusses ermöglicht ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird bei einer elektrischen Vorrichtung mit einer

Kernanordnung dadurch gelöst, dass die Kernanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist.

Die elektrische Vorrichtung kann ein Wechselrichter mit einer oder mehreren

Kernanordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 16 sein.

Bezüglich der Vorteile, Definitionen, Ausführungsbeispiele und Anmerkungen der erfindungsgemäßen Kernanordnung der elektrischen Vorrichtung sei auf die Abschnitte zu den jeweiligen Ansprüchen 1 bis 16 verwiesen.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen.

Dabei zeigt die

Fig. 1 schematisch eine Drossel mit Kernanordnung und Spule nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 schematisch eine Kernanordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Explosionsdarstellung,

Fig. 3 schematisch eine Kernanordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Querschnittsansicht,

Fig. 4 ein Diagramm des Frequenzverlaufes der Resonanz-Dimension für unterschiedliche Ferritmaterialien, und

Fig. 5 ein Diagramm des Frequenzverlaufes der Impedanz einer bekannten

Kernanordnung im Vergleich zu vier unterschiedlichen erfindungsgemäßen

Kernanordnungen

Die Figur 1 zeigt schematisch eine als EMV-Filterdrossel 1 ausgebildete Drossel 2 mit einer Kernanordnung 3 und drei elektrisch leitenden Spulen 4, 5, 6 nach dem Stand der Technik in einer perspektivischen Ansicht. Die Kernanordnung 3 besteht aus einem einstückigen, ringförmigen Kern 7 aus Ferritmaterial, der abschnittsweise von den Wicklungen der elektrisch leitenden Spulen 4, 5, 6 umwickelt ist. Die EMV-Filterdrossel 1 dient der Filterung hoher Frequenzanteile in den elektrischen Strömen, die die Spulen 4, 5, 6 durchfließen. Die Spulen 4, 5, 6 bestehen aus einem Kupferdraht, der isoliert ist. Der induktive Widerstand der EMV-Filterdrossel 1 ist frequenzabhängig und lässt sich vereinfacht als Produkt der

Frequenz / und der Induktivität L der Drossel 2 angeben. Dadurch dämpft die EMV- Filterdrossel 1 die hohe Frequenzanteile des die Spulen 4, 5, 6 durchströmenden Stroms stärker und wirkt als Filter für die niedrigeren Frequenzanteile. Der Kern 7 erhöht die Induktivität L der Drossel 2 und leitet in seinem Inneren einen durch die Spulen 4, 5, 6 erzeugten und durch den Kern 7 verstärkten magnetischen Fluss 8 entsprechend der jeweiligen Stromrichtung in der als Doppelpfeil gekennzeichneten Richtung.

Die Figur 2 zeigt schematisch eine Kernanordnung 10 gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Explosionsdarstellung. Die Kernanordnung 10 umfasst einen Stapel 11 aus fünf ringförmigen Ferrit-Scheiben 12 bis 16, die alle aus dem gleichen Ferritmaterial bestehen. Die Ferrit-Scheiben weisen jeweils eine Vorderseite 18 und eine Rückseite 19 sowie einen die Vorderseite 18 mit der Rückseite 19 verbindenden Rand 20 und eine Dicke 21 auf und sind mit einander zugewandten Seiten angeordnet. Zwischen den direkt benachbart angeordneten Ferrit-Scheiben (Paare 12 und 13, 13 und 14, 14 und 15, 15 und 16) ist jeweils genau ein scheiben- und ringförmiger Abstandshalter 22 aus elastischem Polyurethan angeordnet, dessen Durchmesser im Wesentlichen den Ferrit- Scheiben 12 bis 16 entspricht. Die Ferrit-Scheiben 12 bis 16 werden mit den

Abstandshaltern 22 in der gezeigten Stapelfolge lose aneinander anliegend

zusammengesetzt, so dass die Zwischenräume 23 zwischen direkt benachbarten Ferrit- Scheiben 12 und 13, 13 und 14, 14 und 15, 15 und 16 von den Abstandshaltern 22 im Wesentlichen vollständig ausgefüllt sind. Um den Stapel 1 1 zusammenzuhalten, wird dieser von einer Ummantelung (nicht dargestellt) zusammengehalten, so dass sich eine ringförmige Kernanordnung 10 ergibt, die eine Rotationsachse 24 aufweist. Die Ränder 20 der Ferrit- Scheiben sind somit koaxial zur Rotationsachse 24 ausgebildet, die Vorderseiten 18 der Ferrit-Scheiben weisen in Richtung der Rotationsachse 24 und die Dicken 21 der Ferrit- Scheiben erstrecken sich parallel zur Rotationsachse 24. Die Kernanordnung 10 ist im zusammengesetzten Zustand mindestens abschnittsweise von einer elektrisch leitenden Spule (nicht dargestellt) umwickelbar, so dass bei einer Beaufschlagung der elektrisch leitenden Spule (nicht dargestellt) mit einer elektrischen Spannung ein magnetischer Fluss 26 im Inneren der Ferrit-Scheiben 12 bis 16 erzeugt wird, der parallel zu den Seiten verläuft. Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus der Kernanordnung 10 weist diese geringe Verluste und eine hohe Induktivität bei geringem Gewicht auf.

Die Figur 3 zeigt schematisch eine Kernanordnung 30 gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Querschnitt. Die Kernanordnung 30 umfasst einen Stapel 32 mit vier ringförmigen Ferrit-Scheiben 34, 35, 36, 37 aus dem gleichen Ferritmaterial, wobei die Zwischenräume 40, 41 zwischen den direkt benachbarten Ferrit- Scheiben 34 und 35 bzw. 36 und 37 mit genau einem ringförmigen Abstandhalter 42 aus Polyurethan ausgefüllt sind. Der Zwischenraum zwischen den direkt benachbarten Ferrit- Scheiben 35 und 36 ist in einen Hilfsbereich 43a und zwei Unterzwischenräume 43b und 43c unterteilt. Der Hilfsbereich 43a ist mit einem ringförmigen Hilfsstapel 44 ausgefüllt, der gegeneinander isolierte ringförmige Scheiben 46 aus ferromagnetischem Material umfasst. Die beiden Unterzwischenräume 43b und 43c sind ebenfalls mit jeweils einem ringförmigen Abstandhalter 42 aus Polyurethan ausgefüllt. Die Ferrit-Scheiben 34 bis 37, der Hilfsstapel 44 sowie die Abstandshalter 42 sind lose aneinander angelegt und werden von einer Befestigungsvorrichtung 48 zusammengehalten, die eine Ummantelung 50 aus Polyurethan ist. Die Kernanordnung 30 weist aufgrund der Unterteilung des Ferritkerns in vier Ferrit- Scheiben geringe Verluste auf kombiniert mittels der Einfügung der Scheiben 46 in den Stapel 32 die magnetischen Eigenschaften des Ferritmaterials mit den ferromagnetischen Eigenschaften des Materials der Scheiben 46, wobei die Einsparung der Verluste durch die Aufspaltung des Ferritkerns durch die Verluste im Hilfsstapel 44 nicht kompensiert werden, da die relativ zu den Ferrit-Scheiben 34 bis 37 dünnen Scheiben 46 gegeneinander isoliert sind.

Die Figur 4 zeigt ein Diagramm, dass für drei unterschiedliche keramische Ferritmaterialien, nämlich NiZn-Ferrit m 250 , MnZn-Ferrit m 1000 und MnZn-Ferrit m 6000, die Abhängigkeit der Resonanz-Dimension D _R von der Frequenz zeigt. Auf der x-Achse ist die Frequenz von 0 MHz bis 3,5 MHz aufgetragen und auf der y-Achse die Resonanz-Dimension D _R in mm.

Die Figur 5 zeigt ein Diagramm, das den gemessenen Verlauf der Impedanz in [W] für fünf unterschiedliche Kernanordnungen über einem Hochfrequenzbereich von 0,01 MHz bis 1 1 MHz zeigt. Die Legende am oberen Rand des Diagramms ordnet den unterschiedlichen Kernanordnungen die zugehörige Strichcharakteristik in der Figur zu. Verglichen wurden in dem Experiment der Verlauf bei einer Kernanordnung mit einstückigem Ferritkern der Abmessungen 80/45/30 gemäß dem Stand der Technik, der Verlauf erfindungsgemäßer Kernanordnungen mit den gleichen Abmessungen und einer jeweiligen Unterteilung des Kerns in 2, 5 oder 6 Ferrit-Scheiben des gleichen Ferritmaterials sowie der Verlauf bei einer erfindungsgemäßen Kernanordnung mit Ferrit-Scheiben aus teilweise unterschiedlichem Ferritmaterial. Die erfindungsgemäßen Kernanordnungen zeigen aufgrund der reduzierten Verluste eine verbesserte Performance. Bezugszeichenliste

1 EMV-Filterdrossel

2 Drossel

3 Kernanordnung

4, 5, 6 Spule

7 Kern

8 Magnetischer Fluss

10 Kernanordnung

1 1 Stapel

12, 13, 14, 15, Ferrit-Scheibe

16

18 Vorderseite

19 Rückseite

20 Rand

21 Dicke

22 Abstandshalter

23 Zwischenraum

24 Rotationsachse 26 Magnetischer Fluss 30 Kernanordnung 32 Stapel

34, 35, 36, 37 Ferrit-Scheibe

40, 41 Zwischenraum

42 Abstandshalter 43a Hilfsbereich

43b, 43c Unterzwischenraum

44 Hilfsstapel

46 Scheibe

48 Befestigungsvorrichtung

50 Ummantelung