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Es wird ein induktives Bauteil für eine Stromschiene angegeben. Das induktive Bauteil wird insbesondere zur Filterung von Störungen, insbesondere von hochfrequenten Störungen, in der Stromschiene eingesetzt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes induktives Bauteil für eine Stromschiene anzugeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein induktives Bauteil für eine Stromschiene angegeben. Insbesondere ist das induktive Bauteil zur Durchführung der Stromschiene durch das Bauteil ausgebildet. Vorzugsweise handelt es sich um eine Kupfer-Stromschiene. Die Stromschiene ist beispielsweise zur Leitung des Stromes bei einem Umrichter ausgebildet. Das induktive Bauteil dient beispielsweise zur Filterung hochfrequenter Störungen bei einem niederfrequenten Nutzsignal.
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Das induktive Bauteil weist zwei Luftspalte auf. Die Luftspalte sind vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten des Bauteils angeordnet. Beispielsweise weist das Bauteil eine Öffnung zur Durchführung der Stromschiene auf. Die Luftspalte befinden sich vorzugsweise auf Seiten des Bauteils zwischen denen die Öffnung liegt. Bei einer durch das Bauteil hindurchgeführten Stromschiene sind die Luftspalte entsprechend an gegenüberliegenden Seiten der Stromschiene angeordnet.
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Die Luftspalte weisen vorzugsweise in einer Höhenrichtung des Bauteils einen Abstand voneinander auf. Als Höhenrichtung wird dabei eine Richtung senkrecht zum Verlauf der Stromschiene, d.h., senkrecht zur Flussrichtung des Stromes durch die Stromschiene bezeichnet. Vorzugsweise verläuft die Höhenrichtung parallel zu den gegenüberliegenden Seiten des Bauteils, an dem die Luftspalte angeordnet sind. Somit sind die Luftspalte auf unterschiedlichen Höhen des Bauteils angeordnet, insbesondere versetzt zueinander angeordnet. Vorzugsweise weisen die Luftspalte den gleichen Abstand zur halben Höhe des Bauteils auf. Beispielsweise sind der erste Luftspalt unterhalb der halben Höhe des Bauteils und der zweite Luftspalt oberhalb der halben Höhe des Bauteils angeordnet.
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Durch die beabstandete Anordnung der Luftspalte können vorzugsweise die Verluste in der Stromschiene reduziert werden. Insbesondere kann eine homogenere Stromdichteverteilung in der Stromschiene erreicht werden. Dieser Effekt kann dabei vorzugsweise ohne Vergrößerung des Bauteils und ohne Erhöhung der Kosten erzielt werden.
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Das induktive Bauteil weist beispielsweise zwei Bauteilkomponenten auf. Insbesondere handelt es sich dabei um zwei Kerne aus weichmagnetischem Material, zum Beispiel Ferrit. Die Luftspalte sind vorzugsweise zwischen den Kernen angeordnet. Beispielsweise weisen die Kerne die gleiche Form auf.
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In einer Ausführungsform weist jeder der Kerne einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel auf, wobei der erste Schenkel eine andere Länge aufweist als der zweite Schenkel. Beispielsweise weist jeder Kern genau zwei Schenkel auf. Die Schenkel jedes Kerns sind vorzugsweise durch ein Verbindungsstück miteinander verbunden. Die Kerne weisen beispielsweise jeweils die Form eines „U“-Kerns oder eines „C“-Kerns mit unterschiedlich langen Schenkeln auf.
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Beispielsweise sind der erste Luftspalt zwischen dem ersten Schenkel des ersten Kerns und dem zweiten Schenkel des zweiten Kerns und der zweite Luftspalt zwischen dem zweiten Schenkel des ersten Kerns und dem ersten Schenkel des zweiten Kerns angeordnet. Die Luftspalte sind vorzugsweise bezüglich einer Richtung, die sich vom Verbindungsstück zum freien Ende des Schenkels erstreckt, gegeneinander versetzt angeordnet.
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In einer Ausführungsform beträgt der Abstand der Luftspalte in Höhenrichtung mindestens 1/4 der Summe aus den Längen eines ersten Schenkels, eines zweiten Schenkels und der Höhe des Luftspalts. Vorzugsweise wird die Öffnung zur Durchführung der Stromschiene seitlich von einem ersten Schenkel, dem Luftspalt und dem zweiten Schenkel begrenzt. Die Höhe der Öffnung ist dann vorzugsweise gleich der Summe aus den Längen des ersten Schenkels, des zweiten Schenkels und der Höhe des Luftspalts. Somit beträgt der Abstand der Luftspalte in Höhenrichtung mindestens 1/4 der Höhe der Öffnung. Bei einem derartigen Abstand der Luftspalte können die Verluste in der Stromschiene um bis zu 50% reduziert werden.
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In einer Ausführungsform beträgt der Abstand der Luftspalte in Höhenrichtung höchstens 3/4 der Summe der Längen eines ersten Schenkels eines zweiten Schenkels und der Höhe eines Luftspalts beträgt. Entsprechend beträgt der Abstand der Luftspalte in Höhenrichtung höchstens 3/4 der Höhe der Öffnung. Bei einer Positionierung der Luftspalte nah am Verbindungsstück können die Verluste in der Stromschiene wieder zunehmen. Somit ist es günstig, die Luftspalte nicht zu nah am Verbindungsstück vorzusehen. Vorzugsweise beträgt der Abstand der Luftspalte zum oberen Ende bzw. zum unteren Ende der Öffnung mindestens 1/8 der Höhe der Öffnung. In einer Ausführungsform sind die Luftspalte in einem Abstand von mindestens 10 mm, zum Beispiel in einem Abstand von 12,5 mm, zum oberen und unteren Ende der Öffnung angeordnet.
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Beispielsweise liegt der Abstand der Luftspalte in Höhenrichtung in einem Bereich zwischen 1/4 der Höhe der Öffnung und 3/4 der Höhe der Öffnung. Insbesondere kann der Abstand bei ungefähr 1/2 der Höhe der Öffnung liegen.
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In einer Ausführungsform ist das Bauteil punktsymmetrisch ausgebildet. Insbesondere ist das Bauteil symmetrisch bezüglich einer Drehung um 180° um eine Achse ausgebildet, wobei die Achse zentral durch die Öffnung und in Richtung des Stromflusses verläuft. Auf diese Weise kann dieselbe Kernform für beide Hälften verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kern für ein induktives Bauteil angegeben. Der Kern weist zwei Schenkel auf, die unterschiedlich lang ausgebildet sind. Insbesondere weist der Kern genau zwei Schenkel auf. Der Kern ist beispielsweise als „U-Kern“ oder „C-Kern“ mit unterschiedlich langen Schenkeln ausgebildet. Der Kern eignet sich insbesondere für das vorgehend beschriebene Bauteil und kann alle diesbezüglich beschriebenen strukturellen und funktionellen Eigenschaften aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein induktives Bauteil angegeben, das den vorgehend beschriebenen Kern mit zwei unterschiedlich langen Schenkeln aufweist. Vorzugsweise weist das Bauteil zwei derartige Kerne auf. Die Kerne sind beispielsweise derart angeordnet, dass das Bauteil eine Öffnung für eine Stromschiene aufweist. Die Öffnung wird vorzugsweise seitlich jeweils durch einen ersten Schenkel eines der Kerne und einen zweiten Schenkel des anderen Kerns begrenzt. Nach oben und unten wird die Öffnung vorzugsweise durch jeweils ein Verbindungsstück eines Kerns begrenzt. Das induktive Bauteil kann alle strukturellen und funktionellen Eigenschaften des oben beschriebenen Bauteils aufweisen. Insbesondere kann das Bauteil zwei in ihrer Höhe gegeneinander versetzte Luftspalte aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Anordnung aufweisend ein induktives Bauteil und eine Stromschiene angegeben. Die Stromschiene ist durch das induktive Bauteil geführt. Insbesondere handelt es sich bei dem induktiven Bauteil der Anordnung um eines der vorgehend beschriebenen induktiven Bauteile.
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Beispielsweise weist das Bauteil der Anordnung zwei Luftspalte auf. Die Luftspalte sind vorzugsweise an gegenüberliegenden Seiten der Stromschiene angeordnet. Beispielsweise handelt es sich um Längsseiten der Stromschiene. Beispielsweise weist die Stromschiene im Querschnitt, d.h., senkrecht zu einer Flussrichtung des Stroms, eine rechteckige Form auf. Insbesondere weist die Stromschiene zwei Längsseiten und zwei Stirnseiten auf. Die Höhe der Längsseiten ist vorzugsweise größer als die Breite der Stirnseiten.
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Das induktive Bauteil ist beispielsweise zur Verwendung in einem EMV-Filter ausgebildet, wobei EMV die „Elektromagnetische Verträglichkeit“ bezeichnet. In einem Anwendungsbeispiel handelt es sich um einen Eingangsfilter für einen Umrichter.
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In der vorliegenden Offenbarung sind mehrere Aspekte einer Erfindung beschrieben. Alle Eigenschaften, die in Bezug auf den das induktive Bauteil, den Kern und/oder die Anordnung beschrieben ist, ist auch entsprechend in Bezug auf die jeweiligen anderen Aspekte offenbart, auch wenn die jeweilige Eigenschaft nicht explizit im Kontext des jeweiligen Aspekts erwähnt wird.
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Im Folgenden werden die hier beschriebenen Gegenstände anhand von schematischen und nicht maßstabsgetreuen Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1A in perspektivischer Ansicht eine Ausführungsform einer Anordnung eines induktiven Bauteils und einer Stromschiene,
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1B in einer Schnittansicht die Ausführungsform nach 1A.
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Vorzugsweise verweisen in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen auf funktionell oder strukturell entsprechende Teile der verschiedenen Ausführungsformen.
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1A zeigt in perspektiver Ansicht eine Anordnung 20 eines induktiven Bauteils 1 und einer Stromschiene 2. 1B zeigt die Anordnung 20 im Querschnitt.
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Die Stromschiene 2 besteht beispielsweise aus Kupfer. Die Stromschiene 2 eignet sich vorzugsweise zur Leitung von großen Strömen. Beispielsweise wird die Stromschiene 2 zur Leitung des Stromes bei einem Umrichter eingesetzt. Der Umrichter dient beispielsweise zur Stromversorgung elektrischer Maschinen, insbesondere von Motoren.
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Das induktive Bauteil 1 wird beispielsweise bei einem EMV-Filter eingesetzt, d.h., bei einem Filter zur Erzielung Elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV). Insbesondere handelt es sich um einen Stromschienenfilter. Beispielsweise weist ein derartiger Filter mehrere miteinander verschaltete Induktivitäten und Kondensatoren an mehreren Stromschienen auf. Vorzugsweise dient der Filter zur Filterung hochfrequenter Störungen bei einem niederfrequenten Nutzsignal. Beispielsweise weist das Nutzsignal eine Frequenz von ca. 50 Hz auf. Insbesondere eignet sich der Filter für Gegentaktstörungen (Differential Mode).
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Das induktive Bauteil 1 weist zwei Bauteilkomponenten auf. Die Bauteilkomponenten sind als Kerne 3, 4, insbesondere als magnetische Kerne ausgebildet. Beispielsweise handelt es sich um Ferritkerne. Jeder Kern 3, 4 weist einen ersten Schenkel 5, 6 und einen zweiten Schenkel 7, 8 auf, die jeweils durch ein Verbindungsstück 9, 10 der Kerne 3, 4 miteinander verbunden sind. Die Kerne 3, 4 sind derart angeordnet, dass das induktive Bauteil 1 zwei Luftspalte 11, 12 aufweist. Beispielsweise ist jeder der Kerne 3, 4 einstückig ausgebildet, zum Beispiel als ein Teil gepresst. Die Kerne 3, 4 können jedoch auch aus einzelnen Kernen, beispielsweise I-förmigen Kernen zusammengesetzt sein.
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Das induktive Bauteil 1 kann mehrere derartige Anordnungen von Kernen 3, 4 aufweisen. Vorliegend sind hinter den Kernen 3, 4 zwei weitere Kerne 23, 24 angeordnet, die wie die Kerne 3, 4 ausgebildet sind.
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Insbesondere ist zwischen dem ersten Schenkel 5 des ersten Kerns 3 und dem zweiten Schenkel 8 des zweiten Kerns 4 ein erster Luftspalt 11 und zwischen dem zweiten Schenkel 7 des ersten Kerns 3 und dem ersten Schenkel 6 des zweiten Kerns 4 ein zweiter Luftspalt 12 angeordnet. Vorzugsweise weist das induktive Bauteil 1 genau zwei Luftspalte 11, 12 auf. Die Luftspalte 11, 12 gewährleisten die Sättigungsfestigkeit des induktiven Bauelements 1, d.h., sie verhindern, dass das Bauteil 1 in Sättigung geht.
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Das induktive Bauteil 1 weist die Form eines Rechteckkerns auf. Das induktive Bauteil 1 kann auch abgerundete Ecken aufweisen. Das induktive Bauteil 1 weist eine Öffnung 19 zur Durchführung der Stromschiene 2 auf. Die Öffnung 19 weist eine Höhe h und eine Breite b auf (siehe 1B). Die Höhe h setzt sich dabei aus der Länge eines ersten Schenkels 5, 6, der Länge eines zweiten Schenkels 7, 8 und der Höhe eines Luftspaltes 11, 12 zusammen.
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Das induktive Bauteil 1 umschließt die Stromschiene 2. Die Stromschiene 2 weist eine rechteckige Querschnittsgeometrie auf. Insbesondere weist die Stromschiene 2 jeweils zwei einander gegenüberliegende Längsseiten 13, 14 und zwei gegenüberliegende Stirnseiten 15, 16 auf. Die Höhe der Längsseiten 13, 14 ist etwas geringer als die Höhe h der Öffnung. Die Breite der Stirnseiten 15, 16 ist etwas geringer als die Breite b der Öffnung.
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Beispielsweise weist die Stromschiene eine Abmessung von 50 mm × 10 mm, das induktive Bauteil eine Abmessung von 85 mm × 46 mm, die Öffnung eine Abmessung von 55 mm × 16 mm und der Spalt eine Abmessung von 5 mm auf. Der Strom beträgt in der Anwendung beispielsweise 1600 A. Die Verringerung der Verluste im induktiven Bauteil betragen beispielsweise 28%, was einer Verringerung der Verluste im Gesamtfilter von ca. 10% entspricht.
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Vorzugsweise ist das induktive Bauteil 1 punktsymmetrisch ausgebildet. Insbesondere ist das induktive Bauteil 1 symmetrisch bezüglich einer Drehung um 180° um eine Achse ausgebildet, die entlang der Stromrichtung und zentral durch die Öffnung verläuft. Die Kerne 3, 4 weisen beispielsweise eine identische Geometrie auf.
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Die Luftspalte 11, 12 befinden sich an gegenüberliegenden Seiten 21, 22 des Bauteils 1. Entsprechend befinden sich die Luftspalte 11, 12 an gegenüberliegenden Seiten der Stromschiene 2, insbesondere an gegenüberliegenden Längsseiten 13, 14 der Stromschiene 2. Die Luftspalte 11, 12 sind in ihrer Höhe gegeneinander versetzt angeordnet. Die Höhenrichtung 17 ist eine Richtung senkrecht zum Verlauf der Stromschiene 2. Die Höhenrichtung 17 verläuft parallel zu den Seiten 21, 22 des Bauteils 1, an dem die Luftspalte 11, 12 angeordnet sind. Die Breitenrichtung 18 verläuft senkrecht zur Stromrichtung in der Stromschiene 2 und senkrecht zur Höhenrichtung 17.
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Insbesondere sind die Luftspalte 11, 12 unsymmetrisch bezüglich Spiegelung an einer Mittelebene durch die Stromschiene 2 angeordnet. Die Mittelebene ist eine Ebene, die zwischen den Längsseiten 13, 14 und parallel zu den Längsseiten 13, 14 verläuft. Insbesondere befinden sich die Luftspalte 11, 12 nicht auf gleicher Höhe an den Längsseiten 13, 14.
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Beispielsweise liegt der erste Luftspalt 11 in einem Bereich unterhalb der halben Höhe der Längsseite 13. Der zweite Luftspalt 12 liegt beispielsweise in einem Bereich oberhalb der halben Höhe der Längsseite 14. Somit sind beide Luftspalte 11, 12 nicht mittig bezüglich der jeweiligen Längsseite 13, 14 angeordnet.
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Die Öffnung 19 weist beispielsweise eine Höhe h von 55 mm auf. Die Luftspalte 11, 12 weisen beispielsweise in Höhenrichtung 17 einen Abstand d von 25 mm auf. Dieser Abstand d wird im Folgenden auch als Spaltverschiebung bezeichnet. Die Luftspalte 11, 12 weisen beispielsweise eine Höhe von 5 mm auf. Somit sind die ersten Schenkel 5, 6 von den zweiten Schenkeln 7, 8 jeweils 5 mm beabstandet. Die Kerne 3, 4 sind beispielsweise jeweils als U-Kerne oder C-Kerne mit unterschiedlichen langen Schenkeln 5, 6, 7, 8 ausgebildet.
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Durch eine Spaltverschiebung der Luftspalte 11, 12 kann eine homogenere Stromverteilung in den Stromschienen 2 erreicht werden als bei Luftspalten, die keine Spaltverschiebung aufweisen. Bei Bauteilen ohne Spaltverschiebung befinden sich die Luftspalte 11, 12 beidseitig mittig neben der Stromschiene, insbesondere auf halber Höhe der Längsseiten. Eine inhomogene Stromverteilung beruht auf frequenzabhängigen Stromverdrängungseffekten. Diese Stromverdrängungseffekte können bereits bei niedrigen Frequenzen, z. B. bei 50 Hz, eine nicht zu vernachlässigende Rolle spielen und führen zu unerwünschten Verlusten in der Stromschiene 2. Insbesondere tritt bei symmetrisch angeordneten Luftspalten eine hohe Stromdichte im Bereich der Luftspalte auf, die nach oben und unten abnimmt.
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Derartige Verluste werden üblicherweise durch eine Vergrößerung des Querschnitts der Stromschiene 2 oder eine verbesserte Wärmeabfuhr verringert. Allerdings führen beide Ansätze zu einer Vergrößerung des Volumens und/oder einer Erhöhung der Kosten der Anordnung 20. Durch die Verschiebung der Luftspalte 11, 12 gegeneinander können die Verluste ohne Volumenvergrößerung oder Kostenerhöhung verringert werden. Insbesondere ist bei einer Verschiebung der Luftspalte die Stromdichte in der Stromschiene deutlich homogener als bei Luftspalten, die auf gleicher Höhe angeordnet sind.
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Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass bei einer Öffnung mit 50 mm Höhe und einer ähnlich hohen Stromschiene 2 bereits eine Spaltverschiebung von 5 mm zu einer Reduzierung der Verluste um ca. 1% führt. Bei einer Spaltverschiebung von 25 mm konnten die Verluste um 10 % reduziert werden. Bei einer weiteren Verschiebung der Luftspalte hin zum Rand der Kerne 3, 4, d.h. in Richtung der Verbindungsstücke 9, 10 nehmen die Verluste wieder zu, da sich die induktive Wirkung am Rand erhöht. Ein optimaler Bereich für den Abstand der Luftspalte liegt insbesondere in einem Bereich um die halbe Höhe der Öffnung bzw. der Stromschiene, beispielsweise in einem Bereich von 0,25·h bis 0,7·h. Bei derartigen Spaltverschiebungen konnten die Verluste in dem induktiven Bauteil um mehr als 20% reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- induktives Bauteil
- 2
- Stromschiene
- 3
- erster Kern
- 4
- zweiter Kern
- 5
- erster Schenkel des ersten Kerns
- 6
- erster Schenkel des zweiten Kerns
- 7
- zweiter Schenkel des ersten Kerns
- 8
- zweiter Schenkel des zweiten Kerns
- 9
- Verbindungsstück des ersten Kerns
- 10
- Verbindungsstück des zweiten Kerns
- 11
- erster Luftspalt
- 12
- zweiter Luftspalt
- 13
- Längsseite der Stromschiene
- 14
- Längsseite der Stromschiene
- 15
- Stirnseite
- 16
- Stirnseite
- 17
- Höhenrichtung
- 18
- Breitenrichtung
- 19
- Öffnung
- 20
- Anordnung
- 21
- Seite des Bauteils
- 22
- Seite des Bauteils
- 23
- weiterer Kern
- 24
- weiterer Kern
- h
- Höhe der Öffnung
- b
- Breite der Öffnung
- d
- Abstand der Luftspalte
