Die vorliegende Erfindung betrifft eine dreiphasige Drossel sowie einen Magnetkern für eine solche Drossel.

Drosseln, im elektrotechnischen Sinne, sind allgemein bekannt. Sie haben je nach Anwendung filternde Wirkung. Insbesondere am Ausgang eines Wechselrichters dienen sie dazu, dass ein pulsweiten-modulierter Strom möglichst sinusförmig verläuft, bevor er in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist wird. Entsprechend ist hier die jeweilige Drossel zwischen dem Wechselrichter und dem elektrischen Versorgungsnetz angeordnet, in das eingespeist werden soll.

Im Falle eines dreiphasigen Systems wird für jede Phase eine Drossel benötigt. Häufig werden solche Drosseln eines dreiphasigen Systems zu einer dreiphasigen Drossel zusammengefasst. Hierfür wird ein aus gestapelten Blechen zusammengesetzter Magnetkern vorgesehen, der etwa das Aussehen einer 8 eines digitalen Displays aufweist. Somit sind drei magnetisch miteinander verbundene Schenkel vorhanden, die jeweils eine Wicklung einer Phase aufnehmen. Ein Magnetfeld, das sich aus einem Strom einer Wicklung in dem magnetischen Schenkel dieser Wicklung ergibt, verläuft zu einem Teil jeweils durch die übrigen beiden magnetischen Schenkel der übrigen beiden Wicklungen. Auf diese Art und Weise überlagern sich die Magnetfelder aller drei Wicklungen und damit aller drei Phasen.

Dieser etwa achtförmige Magnetkern weist eine sehr hohe magnetische Permeabilität auf, so dass sich die elektrischen Eigenschaften der Drossel im Wesentlichen durch die Wicklungen bestimmen.

Ein solcher Magnetkern ist durch die Schichtung gestanzter Bleche verhältnismäßig einfach herstellbar. Nachteilig ist jedoch, dass eine solche dreiphasige Drossel nicht vollständig symmetrisch ist, weil zwei Spulen auf jeweils einem äußeren magnetischen Schenkel angeordnet sind, wohingegen eine der Spulen auf einem magnetischen Schenkel zwischen den beiden äußeren Schenkeln angeordnet ist. Dadurch können sich die magnetischen Felder der Wicklungen, nämlich insbesondere zwischen den beiden äußeren Wicklungen einerseits und der mittig dazwischen angeordneten Wicklung andererseits, unterscheiden. Es können etwaige Streufelder auftreten und der für die mittlere Wicklung wirksame magnetische Widerstand kann etwas geringer sein als der jeweils für die beiden äußeren Wicklungen wirksame magnetische Widerstand.

Darüber hinaus setzt eine solche dreiphasige Drossel ein dreiphasiges System voraus, bei dem die Summe der Ströme null ist. Mit anderen Worten setzt sie ein System voraus oder wird in einem System eingesetzt, das keinen Neutralleiter verwendet oder benötigt.

Aus der US 6,452,819 ist ein Wechselrichter mit einer Ausgangsdrossel mit vier Schenkeln bekannt, bei der der vierte Schenkel unsymmetrische Magnetflüsse aus unsymmetrischen Oberschwingungen überträgt. Das Problem von Unsymmetrien innerhalb der drei ersten Schenkel kann hierdurch jedoch nicht gelöst werden. Das deutsche Patent- und Markenamt hat in der Prioritätsanmeldung folgenden Stand der Technik recherchiert: DE 10 2008 031 296 A1 , DE 10 74 146 A, DE 750 987 A, DE 412 872 A, US 2 359 173 A, DE 20 2010 008 961 U1 , US 2 617 090 A, US 4 099 066 A, US 1 157 730 A, EP 0 602 926 A1.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, wenigstens eines der oben genannten Probleme zu adressieren. Insbesondere soll eine verbesserte dreiphasige Drossel geschaffen werden, die auch einen unsymmetrischen Anteil eines dreiphasigen Systems berücksichtigen kann. Zumindest soll eine alternative Lösung gefunden werden.

Erfindungsgemäß wird somit ein Magnetkern für eine dreiphasige Drossel gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Ein solcher Magnetkern weist einen ersten, zweiten und dritten magnetischen Schenkel zum Aufnehmen einer ersten, zweiten bzw. dritten elektrischen Wicklung einer ersten, zweiten bzw. dritten elektrischen Phase auf, wobei der erste, zweite und dritte Schenkel sternförmig oder dreiecksförmig angeordnet sind.

Es sind somit drei insbesondere gleiche magnetische Schenkel vorhanden, die bezogen auf einen gemeinsamen Mittelpunkt sternförmig angeordnet sind. Insbesondere sind diese drei Schenkel parallel zueinander und parallel zu einer gemeinsamen Längsrichtung bzw. Längsachse ausgerichtet und weisen jeweils Verbindungsschenkel auf, die sich an einem gemeinsamen Mittelpunkt treffen. Sie sind nämlich in Bezug auf diesen Mittelpunkt sternförmig angeordnet. Diese Verbindungsschenkel sind dabei in einer Draufsicht, nämlich in einer Sicht entlang der Längsachse, etwa Y-förmig angeordnet. Vorzugsweise weisen diese drei Verbindungsschenkel in der Draufsicht einen gleichen Winkel, nämlich jeweils von 120°, zueinander auf. Grundsätzlich können aber auch unterschiedliche Winkel vorgesehen sein. Entsprechend sind auch die drei magnetischen Schenkel, nämlich der erste, zweite und dritte magnetische Schenkel, die auch als Hauptschenkel bezeichnet werden können, um den gemeinsamen Mittelpunkt gleichmäßig verteilt, nämlich bezogen auf diesen Mittelpunkt um jeweils 120° zueinander versetzt. Bezogen auf den genannten Mittelpunkt sind die drei Hauptschenkel sternförmig angeordnet. Verbindet man sie direkt durch drei gedachte Linien, entsteht ein Dreieck und insoweit sind die drei Hauptschenkel dreiecksförmig angeordnet. Die drei Hauptschenkel sind nämlich nicht in einer geraden Linie zueinander angeordnet. Vorzugsweise sind die drei Hauptschenkel so angeordnet, dass sie die Eckpunkte eines gedachten, gleichseiti- gen Dreiecks bilden.

Durch diese sternförmige bzw. dreiecksförmige Anordnung kann eine von Art und Größe her gleiche magnetische Verbindung zwischen den drei Hauptschenkeln untereinander erreicht werden. Keiner der drei Hauptschenkel nimmt eine Sonderstellung ein, wie dies bei dem mittleren Schenkel gemäß dem Stande der Technik der Fall war. Die vorge- schlagene Konstruktion ermöglicht nun eine in magnetischer Hinsicht symmetrische Ausgestaltung der Drossel.

Vorzugsweise ist ein vierter magnetischer Schenkel vorgesehen und der erste, zweite und dritte Schenkel sind sternförmig in Bezug auf diesen vierten magnetischen Schenkel angeordnet. Der vierte magnetische Schenkel kann zum Aufnehmen einer vierten Wick- lung vorbereitet sein. Der vierte magnetische Schenkel ist vorzugsweise kleiner ausgestaltet als der erste, zweite und dritte Schenkel, also kleiner als die Hauptschenkel. Der vierte Schenkel kann ein magnetisches Feld führen, das sich aufgrund von Unsymmet- rien des dreiphasigen Systems einstellen kann. Hierzu gehören insbesondere unsymmetrische Oberschwingungen. Entsprechend kann in dem vierten Schenkel mit magneti- sehen Wechselfeldern hoher Frequenz, im Vergleich zur Frequenz der Grundphase des Stromes des dreiphasigen Systems, gerechnet werden.

Insbesondere deshalb kann vorgesehen sein, den vierten Schenkel als Ferritkern oder als Ferritstab auszuführen. Ein solcher Ferritstab ist besonders für das Führen hochfrequenter magnetischer Wechselfelder geeignet. Zum Ableiten oder Weiterverarbeiten einer solchen unsymmetrischen Komponente kann eine Wicklung auf dem vierten Schenkel vorgesehen sein. Vorzugsweise sind der erste, zweite und dritte Schenkel und ggf. der vierte Schenkel parallel zueinander angeordnet. Sie können an zwei Seiten über jeweils drei etwa Y- förmig miteinander verbundene Verbindungsschenkel zu dem Magnetkern der dreiphasigen Drossel verbunden sein. Der vierte Schenkel ist hierbei als zentraler Schenkel vor- gesehen, soweit vorhanden, und bildet sowohl magnetisch einen Mittelpunkt, als auch in mechanischer Hinsicht zum stabilen Verbinden dieser beiden Y-förmigen Sätze von Verbindungsschenkeln.

Günstig ist es, wenn der erste, zweite und dritte Schenkel zueinander in einem gleichen, ersten Abstand angeordnet sind und/oder zum vierten Schenkel in einem gleichen, zweiten Abstand angeordnet sind, um dadurch mechanisch und magnetisch eine Symmetrie zu bilden.

Vorzugsweise sind somit der erste, zweite und dritte Schenkel jeweils über wenigstens einen magnetischen Verbindungsschenkel, insbesondere jeweils über zwei magnetische Verbindungsschenkel mit dem vierten magnetischen Schenkel verbunden. Vorzugsweise verlaufen die drei Hauptschenkel und der vierte Schenkel parallel zueinander und die Verbindungsschenkel quer, insbesondere rechtwinklig dazu.

Gemäß einer Ausführungsform wird zudem vorgeschlagen, dass der erste, zweite und dritte Schenkel magnetisch zueinander parallel geschaltet sind. Vorzugsweise sind sie auch zu dem vierten Schenkel parallel geschaltet. Im Idealfall überlagern sich die drei Magnetfelder der drei Hauptschenkel in dem vierten Schenkel durch diese Parallelschaltung zu null. Oder es ergeben sich in dem vierten Schenkel bei dieser Überlagerung nur die unsymmetrischen Anteile, die auch in einer etwaigen vierten Wicklung des vierten Schenkels als entsprechender Strom nachweisbar sein können und über eine entsprechende Verschaltung mit einem Nullleiter oder anderweitig abgeführt oder aufgeschaltet werden können.

Gemäß einer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der erste und zweite Schenkel einen Teil eines ersten magnetischen Kreises bilden, dass der zweite und dritte Schenkel einen Teil eines zweiten magnetischen Kreises bilden und dass der dritte und erste Schenkel einen Teil eines dritten magnetischen Kreises bilden. In jedem dieser drei magnetischen Kreise kann entsprechend ein magnetisches Feld mit einer mittleren Pfadlänge geführt werden, wobei der erste, zweite und dritte magnetische Kreis eine gleiche Länge aufweisen, insbesondere gleiche mittlere Pfadlängen eines jeweils führen- den magnetischen Feldes aufweisen. Außerdem oder alternativ weisen sie den gleichen magnetischen Widerstand auf, insbesondere ohne hierfür einen Luftspalt vorzusehen.

Der gleiche magnetische Widerstand für jeden dieser magnetischen Kreise ergibt sich insbesondere dadurch, dass alle diese drei magnetischen Kreise den gleichen mechani- sehen Aufbau bei Verwendung gleicher Materialien aufweisen. Entsprechend lässt sich aufgrund eines solchen identischen Aufbaus mit identischen Materialien auch das Merkmal nachweisen, dass die magnetischen Kreise den gleichen magnetischen Widerstand aufweisen.

Erfindungsgemäß wird zudem eine dreiphasige Drossel vorgeschlagen, die mit einem Magnetkern einer dreiphasigen Drossel gemäß wenigstens einer der beschriebenen Ausführungsformen versehen ist. Eine solche dreiphasige Drossel weist somit einen ersten, zweiten und dritten magnetischen Schenkel auf, der eine erste, zweite bzw. dritte Wicklung einer ersten, zweiten bzw. dritten elektrischen Phase trägt. Eine solche dreiphasige Drossel kann somit die Vorteile und Optionen verwirklichen, die durch den zugrunde liegenden Magnetkern ermöglicht werden.

Vorzugsweise trägt der vierte magnetische Schenkel eine vierte Wicklung und ist zum Führen einer unsymmetrischen magnetischen Komponente eines dreiphasigen Systems vorbereitet. Außerdem oder alternativ ist die vierte Wicklung zum Führen einer unsymmetrischen elektrischen Komponente eines dreiphasigen Systems vorbereitet. Insbeson- dere schafft die vorgeschlagene Lösung eine symmetrische dreiphasige Drossel, bei der etwaige Unsymmetrie-Komponenten, die im vierten Schenkel auftreten und/oder die in der vierten Wicklung auftreten, nicht durch etwaige Unsymmetrien der dreiphasigen Drossel bedingt sind, sondern tatsächliche Unsymmetrien des dreiphasigen Systems wiederspiegeln. Einen Einsatz kann eine solche dreiphasige Drossel insbesondere am Ausgang eines Frequenzwechselrichters finden. Insbesondere wenn mit einer solchen in ein dreiphasiges elektrisches Versorgungssystem eingespeist werden soll. Funktionsbedingt entsteht durch einen solchen Wechselrichter, insbesondere durch die dort verwendeten IGBTs eine unsymmetrische Belastung, die die dreiphasige Drossel zusammen mit dem vorge- schlagenen vierten Schenkel berücksichtigen kann. Insbesondere bei der Verschaltung mit Wechselrichtern bzw. Umrichtern, die Nullströme erzeugen, also Ströme in einem Nullleiter, also einem zu den dreiphasigen Leitern zusätzlichen Leiter, kann eine solche dreiphasige Drossel zur Anwendung kommen. Bei einer solchen Anwendung wird durch die Ansteuerung der Ventile eines Frequenzwechselrichters, also der Halbleiterschalter, wie beispielsweise der IGBTs ein kleiner Nullstrom schließlich im vierten Schenkel bzw. in der Wicklung des vierten Schenkels einer entsprechend verschalteten dreiphasigen Drossel erzeugt. Bisher waren dreiphasi- ge Drosseln selbst auch verantwortlich für unsymmetrische Komponenten. Eine symmetrische insbesondere wie vorgeschlagen sternförmige dreiphasige Drossel führt somit dazu, dass nur solche unsymmetrische Ströme auftreten, die tatsächlich auch durch den Wechselrichter, insbesondere die Ansteuerung der Ventile bzw. Halbleiterschalter, erzeugt werden. Insgesamt wird die Unsymmetrie, nämlich die unsymmetrischen Kompo- nenten, kleiner und entsprechend wird auch eine Belastung der Halbleiterschalter, also der IGBTs gleichmäßiger und im Ergebnis kleiner.

Nicht optimale, zumindest nicht gleichmäßige Induktivitätsverteilung auf einzelnen Phasen bisheriger Drosseln werden vermieden.

Zusätzlich zu der erzielbaren gleichmäßigen Belastung der IGBTs ist auch erreichbar, dass eine Kühloberfläche des Kupfers der Wicklungen erhöht wird. Insbesondere ist auch eine Kühlung der Wicklung bei gleichmäßiger Verteilung der Hauptschenkel gleichmäßig. Bei einer Drossel gemäß dem Stande der Technik, bei der drei Schenkel in einer Reihe angeordnet sind, kann bei dem mittleren Schenkel und damit der Wicklung des mittleren Schenkels von einer schlechteren Kühlfähigkeit ausgegangen werden. Vorzugsweise sind die Schenkel der Drossel jeweils um 120° mechanisch versetzt. Auch die magnetischen Abstände sind von Schenkel zu Schenkel, nämlich von Hauptschenkel zu Hauptschenkel vorzugsweise gleich. Der vierte Schenkel kann aus einem Ferritkern oder einem Ferritstab bestehen, um dort hochfrequente Wechselflüsse mit kleiner Amplitude zu berücksichtigen. Wenigstens eine der gezeigten Ausführungsformen schafft somit eine Symmetrie, gleiche Induktivitätswerte und bessere Luftkühlung durch größere freie Kupferoberflächen.

Die Verwendung unterschiedlicher Luftspalte in bekannten Drosseln, um dadurch eine Vergleichmäßigung zumindest des magnetischen Widerstandes einzelner magnetischer Kreise zu erreichen, kann vermieden werden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert. Fig. 1 zeigt eine dreiphasige Drossel in einer perspektivischen Prinzipansicht.

Fig. 2 zeigt eine dreiphasige Drossel als Prinzipdarstellung in einer Draufsicht.

Fig. 3 zeigt eine dreiphasige Drossel schematisch in einer perspektivischen Darstellung mit angedeuteten Wicklungen. Nachfolgend können identische Bezugszeichen ähnliche aber möglicherweise nicht identische Elemente bezeichnen, um vorhandene Zusammenhänge besser zu verdeutlichen. Insbesondere die Fig. 1 und 2 sind Prinzipskizzen, die daher möglicherweise in Details von konkreten Werten wie konkreten Abmassen von einem zugrundeliegenden Gegenstand und damit auch untereinander abweichen können, ohne dass dies eine Bedeutung für den beschriebenen Gegenstand hat.

Fig. 1 zeigt eine dreiphasige Drossel 10 mit einem Magnetkern 20. Der Magnetkern 20 weist einen ersten magnetischen Schenkel 1 , einen zweiten magnetischen Schenkel 2 und einen dritten magnetischen Schenkel 3 auf, die auch als Hauptschenkel 1 , 2 und 3 bezeichnet werden können. Außerdem weist der Magnetkern 20 einen vierten magneti- sehen Schenkel 4 auf.

Die drei Hautschenkel 1 , 2 und 3 sind jeweils über einen oberen Verbindungsschenkel 6 und einen unteren Verbindungsschenkel 8 mit dem vierten Schenkel 4 verbunden. Somit ist jeder der drei Hauptschenkel 1 , 2 und 3 mit jedem der beiden übrigen Hauptschenkel 2, 3 bzw. 3, 1 bzw. 1 , 2 über zwei obere Verbindungsschenkel 6 und zwei untere Verbin- dungsschenkel 8 verbunden. In jedem Fall ist, bei symmetrischer mechanischer Auslegung und Verwendung gleichen Materials, die Verbindung der drei Hauptschenkel 1 , 2 und 3 untereinander und die Verbindung der drei Hauptschenkel 1 , 2 und 3 zum vierten Schenkel 4 gleich. Sämtliche Schenkel der Fig. 1 , nämlich die drei Hauptschenkel 1 , 2 und 3, der vierte Schenkel und die beiden Verbindungsschenkel 6 und 8 sind nur sche- matisch als eine Linie dargestellt. Tatsächlich sind die drei Hauptschenkel 1 , 2 und 3 gleich dick und die Verbindungsschenkel 6 und 8 sind auch für sich genommen gleich dick. Der vierte Schenkel 4 ist jedenfalls deutlich dünner als die Hauptschenkel 1 , 2 und 3.

Zudem trägt der erste, zweite und dritte Schenkel eine erste, zweite bzw. dritte Wicklung L-i , l_2 bzw. I_3, die auch als Hauptwicklung bezeichnet werden können, und der vierte Schenkel trägt eine vierte Wicklung L ₄ . Die drei Hauptwicklungen L-ι , L ₂ und L ₃ sind gleich groß dimensioniert und die vierte Wicklung L ₄ kann wesentlich kleiner dimensioniert sein als die drei Hauptwicklungen L-ι , L ₂ und L ₃ .. Insbesondere kann die vierte Wicklung L ₄ hinsichtlich Anzahl der Windungen und/oder hinsichtlich des Leitungsquerschnitts jeder Windung deutlich kleiner ausgestaltet sein. Vorzugsweise sind die drei Hauptwicklungen L-ι , L ₂ und L ₃ jeweils an einer Phase eines dreiphasigen Systems angeschlossen. Die vierte Wicklung L ₄ kann an einen Nullleiter angeschlossen sein. Die drei oberen Verbindungsschenkel 6 sind jeweils in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet. Das gleiche gilt für die drei unteren Schenkel 8. Gleichzeitig sind die Längen der drei oberen Verbindungsschenkel 6 und der drei unteren Verbindungsschenkel 8 gleich lang und die drei Hauptschenkel 1 , 2 und 3 sind entsprechend symmetrisch zueinander und dabei insbesondere sternförmig um den vierten Schenkel 4 angeordnet.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Draufsicht der dreiphasigen Drossel 10 der Fig. 1. Auch hier wird besonders deutlich, dass die drei oberen Verbindungsschenkel 6 in einem gleichen Winkel zueinander, nämlich 120° zueinander angeordnet sind. Entsprechend ergibt sich eine symmetrische Anordnung der drei Hauptwicklungen L-ι , L ₂ und L ₃ zueinander. Dabei sind die drei Hauptwicklungen L-ι , L ₂ und L ₃ mechanisch um die vierte Wicklung L ₄ gleichmäßig angeordnet. Fig. 2 verdeutlicht insbesondere die Sternförmigkeit der Anordnung der drei Hauptschenkel 1 , 2 und 3, die hier nur als Punkt am Ende des betreffenden oberen Verbindungsschenkels 6 in Erscheinung treten.

Fig. 3 veranschaulicht in der gezeigten perspektivischen Darstellung eine mögliche konkrete Ausgestaltung der dreiphasigen Drossel 310, insbesondere des Magnetkerns 320. Der Magnetkern 320 weist einen ersten, zweiten und dritten magnetischen Schenkel 301 , 302 und 303 auf. Jeder dieser drei Hauptschenkel 301 , 302 und 303 weist eine Wicklung L-ι , L ₂ und L ₃ auf, die jedoch nur schematisch insoweit dargestellt sind, um den benötigten Wickelraum bzw. überhaupt den benötigten Platzbedarf für diese Wicklungen L-i , L ₂ und L ₃ zu verdeutlichen. Entsprechend ist erkennbar, dass jede der Wicklungen L-i , L ₂ und L ₃ viel und gleichen Platz zum Abstrahlen von Wärme aufweisen. Hierzu ist insbesondere an der Wicklung L-ι eine große Abstrahlfläche 31 zu erkennen, die in gleicher Größe und Art auch bei den beiden Wicklungen L ₂ und L ₃ vorhanden ist, in der Fig. 3 aber kaum zu erkennen ist und daher nicht mit einem Bezugszeichen versehen wurde.

Außerdem ist ein vierter Schenkel 304 vorhanden. Der vierte magnetische Schenkel 304 ist mit einem Verbindungsmittelteil 46 verbunden. Die Hauptschenkel 301 , 302 und 303 sind jeweils mit einem oberen Verbindungsschenkel 306 mit dem mittleren Verbindungsmittelteil 46 und damit mit dem vierten Schenkel 304 verbunden. Eine entsprechende Konstruktion ergibt sich auch an der Unterseite der Drossel 310, was in der Fig. 3 aber nur sehr vage zu erkennen ist. Die Drossel 10, insbesondere die einzelnen Schenkel 301-304, werden dadurch zusammengesetzt und auch der jeweilige Magnetkreis dadurch geschlossen, dass gestapelte Bleche unterschiedlicher Länge verwendet werden. Durch wechselseitige Überlappungen der Bleche entsteht eine entsprechend haltbare Verbindung und der gewünschte Magnetkreis kann dadurch geschlossen werden.

Somit ist eine symmetrische dreiphasige Drossel 10 bzw. 310 vorgeschlagen worden, die einen kompakten Aufbau mit symmetrischer Anordnung und damit symmetrischen Eigenschaften hinsichtlich eines dreiphasigen Systems aufweist. Auch hinsichtlich des mechanischen und damit thermisch relevanten Aufbaus wird jede Phase eines solchen dreiphasigen Systems gleich berücksichtigt. Etwaige unsymmetrische Anteile werden somit durch diese dreiphasige Drossel 10 bzw. 310 nicht erzeugt, können aber in dem vierten magnetischen Schenkel 4 bzw. 304 berücksichtigt werden und es kann ggf. eine Ableitung zu einem Nullleiter vorgesehen sein.