DE10000118A1 - Magnetischer Kern - Google Patents

Abstract

Es wird vorgeschlagen, einen insbesondere für Übertrager geeigneten magnetischen Kern als Doppellochstab mit zwei zur Längsachse parallelen und durch einen Steg getrennten Löchern auszubilden, wobei der Steg ein hohes Aspektverhältnis von zumindest 3 aufweist. Die Kernform erlaubt das Verwenden von hoch-permeablen magnetischen Materialien, die in Verbindung mit der Kerngeometrie verbesserte Al-Werte ergeben.

Description

Übertrager für Hochfrequenzanwendungen benötigen nur geringe Windungszahlen, beispielsweise eine Windung. Breitbandüber­ trager für niedrigere Frequenzen benötigen i. d. R. höhere Win­ dungszahlen, erzeugen dabei aber große magnetische Verluste. Üblicherweise werden für Breitbandübertrager magnetische Ringkerne verwendet. Aufgrund der automatischen Bewicklung erzeugt jede Drahtwindung einen Druck auf den Kern, die wie­ derum ein unerwünschtes Absinken der magnetischen Eigenschaf­ ten zur Folge hat. Dieser Effekt ist bei höher-permeablem ma­ gnetischen Material stärker ausgeprägt. Das herstellungsbe­ dingte Absinken der magnetischen Werte führt zu einem hohen Ausschuss in der Fertigung, der wiederum die Herstellungsko­ sten für den Kern erhöht.

Es wurde bereits versucht, eine Verringerung der Windungszah­ len durch Verwendung von Ringkernen mit erhöhtem und bei­ spielsweise ovalem Querschnitt zu erreichen. Aber die durch die automatische Bewicklung und den dabei erzeugten Druck auf den Kern entstehenden Nachteile werden damit noch nicht be­ seitigt. Die Verwendung von hoch-permeablen und daher beson­ ders druckempfindlichen Materialien ist bislang nur mit viel Ausschuss oder mit der Inkaufnahme großer Bauteiltoleranzen möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine neue Bauform für einen magnetischen Kern anzugeben, die mit einer geringeren Windungszahl auskommt und nur geringe Bauteiltole­ ranzen benötigt.

Diese Aufgabe wird mit einem magnetischen Kern nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie bevorzugte Verwendungen ergeben sich aus den weiteren Ansprü­ chen.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Kern als Doppel­ lochstab auszubilden, dessen Löcher parallel zur Längsachse angeordnet sind. Der Kern weist dabei ein Aspektverhältnis AV ≧ 3 auf, welches als Verhältnis der Stablänge LS zur Wur­ zel aus der Querschnittsfläche (BS × HS) berechnet wird:

Ein solcher Doppellochstab hat den Vorteil, dass bei einer Bewicklung nur auf die Stegkanten ein Druck ausgeübt wird, der in der Summe wesentlich geringer ist als der bei einem automatisch bewickelten Ringkern. Durch die geschlossene Bauform mit den zwei magnetischen Wegen wird das Verhältnis l/A der mittleren magnetischen Weglänge zum effektiven magne­ tischen Querschnitt besser ausgenützt, so dass damit ein um den Faktor 18 höherer Al-Wert erhalten wird, als er von übli­ chen (Ringkern-) Bauformen bekannt ist. Mit einem solchen er­ höhten Al-Wert lassen sich bei der Bewicklung die Windungs­ zahlen um bis zu 75% reduzieren, um vergleichbare Induktivi­ tätswerte für den erfindungsgemäßen Kern zu erhalten. Durch die längere Kernform des erfindungsgemäßen Kerns und den da­ durch geringeren Druck einer in den Löchern angeordneten Wicklung auf den Kern bleiben die magnetischen Eigenschaften des Kerns stabiler, und es entsteht weniger Ausschuss. Außer­ dem können durch den geringeren Druck auch höher permeable magnetische Werkstoffe eingesetzt werden, die besonders druc­ kempfindlich sind. Damit kann ein gewünschter Induktivitäts­ wert mit weiter reduzierten Windungszahlen erreicht werden.

Vorzugsweise ist der magnetische Kern als flacher Quader mit einer Breite BQ, einer Länge LQ und einer Höhe HQ ausgebil­ det, wobei für das Verhältnis der Kantenlängen gilt: HQ < BQ und LQ < 2 × BQ. Ein solcher Quader weist zwei flache Oberflä­ chen unterschiedlicher Größe auf, mit denen er auf einer Un­ terlage und insbesondere auf einer Leiterplatte aufliegen kann. Bei einer Montage über die kleinere Oberfläche als Standfläche, so dass der Quader hochkant steht, benötigt der Kern eine bei gegebener Induktivität bislang nicht erreichte geringe Grundfläche.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kernform besteht darin, dass ein Großteil der Wicklung innerhalb der Löcher verläuft und dort vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Für einen solchen bewickelten Kern ist dann kein Gehäuse erfor­ derlich, da je nach Aspektverhältnis bis zu 95% der Wicklung im geschlossenen Kern liegen können.

Die Bauweise als flacher Quader hat weiterhin den Vorteil, dass der Kern besonders flach ausgeführt werden kann. Damit ist eine Verwendung des Kerns in besonders flachen Platinen oder Steckkarten möglich, wobei das Bauteil liegend montiert ist, d. h. der Kern liegt mit seiner größten Oberfläche auf.

Zuverlässig homogene Eigenschaften weist ein symmetrischer Kern auf, der zwei zur Längsachse parallele Spiegelebenen aufweisen kann, wobei eine erste Spiegelebene zwischen den beiden Löchern angeordnet ist und den Steg schneidet, während eine zweite Spiegelebene die beiden Löcher schneidet und den Steg halbiert.

Neben einer streng rechteckigen bzw. quaderförmigen Bauform ist es auch möglich, zumindest einen Teil der Kanten oder auch alle Kanten des Doppellochstabes abzurunden. Mit an den Stirnseiten abgerundeten Stegkanten wird die Druckbelastung einer um den Steg herum geführten Wicklung weiter reduziert. Eine gegenüber der Stablänge reduzierte Länge des Steges hat den Vorteil, dass der Steg gegenüber den Stirnflächen des Doppellochstabes nach innen in den Stab hinein versetzt ist. Dadurch ist es möglich, einen noch höheren Anteil der Wick­ lungen in das Innere des Doppellochstabes zu verlegen, wo sie noch besser gegen äußere Einflüsse geschützt sind.

Eine einfachere Bewicklung des erfindungsgemäßen magnetischen Kerns wird erhalten, wenn die Öffnungen der Löcher an den Stirnseiten des Doppellochstabes im Querschnitt weiter sind als die Lochquerschnitte im Inneren des Stabes. Dadurch wird das vorzugsweise manuelle Ein- bzw. Durchfädeln des Wick­ lungsdrahtes durch die Löcher erleichtert.

Der Querschnitt der Löcher ist im Prinzip beliebig und kann von kreisförmig bis polygon reichen. Vorzugsweise jedoch ist die an den Steg grenzende Kante der Lochquerschnittsfläche als Gerade ausgebildet, wobei die Grenzflächen des Steges zu den beiden Löchern hin zueinander parallel sind. Möglich ist es jedoch auch, den Steg im Querschnitt doppelkonisch auszu­ bilden, wobei der Steg auf seiner halben Höhe die geringste Breite aufweist.

Als Kernmaterial wird vorzugsweise ein Ferrit umfassendes Ma­ terial verwendet. Aufgrund der Vorteile der erfindungsgemäßen Kernform kann dies auch ein hoch-permeables Material sein, beispielsweise T46 von EPCOS. Prinzipiell sind jedoch alle weichmagnetischen Materialien für den erfindungsgemäßen Kern geeignet, ebenso wie Zweiphasenmischungen aus magnetischen Partikeln in nicht-magnetischer Matrix, insbesondere von Fer­ ritpulver in Polymer.

Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Kerns ist die in einem Breitbandübertrager. Ein solcher wird beispiels­ weise für die sogenannte S0-Schnittstelle bei ISDN-Anlagen benötigt. Eine homogene Bewicklung mit geringer Streuindukti­ vität wird dabei erreicht, wenn die Bewicklung mit z. B. paar­ weise verdrillten Drähten erfolgt. Damit können Inhomogenitä­ ten ausgeglichen werden, die durch Abweichung von der zuein­ ander parallelen Anordnung der einzelnen Wicklungen auftreten könnten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie­ len und der dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungs­ gemäßen Kerns,

Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Kern mit abgerundeten Längskanten,

Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Kern in schematischer Draufsicht,

Fig. 4 zeigt einen Übertrager mit erfindungsgemäßem Kern im schematischen Querschnitt und

Fig. 5 zeigt eine Anordnung aus zwei Kernen in perspektivi­ scher Ansicht.

Fig. 1 zeigt als Ausführungsbeispiel einen quaderförmigen Kern mit zwei zur Längsachse parallelen Löchern L, die hier ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Zwischen den beiden Löchern verbleibt ein Steg, der ein hohes Aspekt­ verhältnis relativ zur Länge des Kerns aufweist. Das Aspekt­ verhältnis, das definiert ist als Verhältnis der Steglänge LS zur Wurzel aus der Stegfläche, welche sich wiederum als Pro­ dukt aus der Stegbreite BS und der Steghöhe HS ergibt. Ein erfindungsgemäßer Kern weist ein Aspektverhältnis AV von zu­ mindest 3 und mehr auf. Die größte Oberfläche bietet der Kern mit seiner Hauptfläche HF, während die Seitenfläche SF eine geringere Fläche besitzt. Allgemein gilt, dass die Höhe HQ des Kerns kleiner ist als die Breite BQ, während die Länge LQ, die im Ausführungsbeispiel gleich der Steglänge LS ist, zumindest dem zweifachen der Breite BQ entspricht.

Wird der magnetische Kern K bewickelt, mit Anschlüssen verse­ hen und als Bauelement, beispielsweise als Übertrager einge­ setzt, bietet sich für die Montage als Standfläche die Hauptfläche HF oder die Seitenfläche SF an. Während eine Mon­ tage über die Hauptfläche HF eine besonders flache Anordnung ergibt, wird bei einer Montage auf der Seitenfläche SF eine besonders bezüglich der benötigten Standfläche platzsparende Anordnung erhalten. Für beide möglichen Anordnungen ergibt sich mit dem quaderförmigen Kern der Vorteil, dass sowohl Kern K als auch ein daraus gefertigtes Bauelement bei der Montage leicht über eine der planen Flächen angesaugt werden können, was die automatische Verarbeitung erleichtert.

Fig. 2 zeigt eine weitere geometrische Ausgestaltung des er­ findungsgemäßen Kerns K, bei der der Doppellochstab ebenfalls langgestreckt ist, jedoch abgerundete Längskanten aufweist. Um einen gleichmäßigen magnetischen Fluss und eine möglichst kleine magnetische Weglänge zu gewährleisten, ist dabei auch die Querschnittsform der Löcher L vorzugsweise dem äußeren Querschnitt des Kerns angepasst.

Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kerns. Diese Kernform weist eine gegenüber der Kernlänge LQ verkürzte Steglänge LS auf. Dies hat einen Vorteil bei einer Bewicklung des Kerns, die durch beide Löcher L um den Steg S herum erfolgt. Durch die verkürzte Steglänge LS ist es möglich, die Wicklung voll­ ständig in das Kerninnere hinein zu verlegen, da die Bewick­ lung an der Stirnfläche weniger oder gar nicht mehr hervor­ steht. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Steg S an den Stirnflächen abgerundete Kanten aufweisen, die die Bewicklung erleichtern. Weiterhin wird mit dieser Ausgestaltung der von der Wicklung auf den Steg S ausgeübte Druck weiter reduziert, ebenso wie die damit verbundenen Veränderungen der magneti­ schen Eigenschaften des Kerns.

Fig. 4 zeigt im schematischen Querschnitt ein aus dem magne­ tischen Kern K gefertigtes Bauelement, insbesondere einen Übertrager. Dazu wird der Kern bewickelt, wobei die Wicklun­ gen W um den Steg S geführt sind. Der Kern K selbst wird mit einer seiner Hauptflächen auf einer Basisplatte montiert, beispielsweise geklebt. Diese Basisplatte kann auch als Leadframe ausgebildet sein. Zur Befestigung und elektrischen Kon­ taktierung des Bauelementes dienen Anschlussbeinchen AB, die an der Basisplatte BP befestigt sind. Auf der kernseitigen Oberfläche der Basisplatte BP können Anschlussstifte AS vor­ gesehen sein, an die die Enden der Wicklung W elektrisch an­ geschlossen werden. In der Figur ist eine Ausführung darge­ stellt, bei der Anschlussstifte AS und Anschlussbeinchen AB aus einem durch die Basisplatte BP gesteckten Stift bestehen und daher nicht gesondert gefertigt bzw. angebracht werden müssen.

Fig. 5 zeigt eine Möglichkeit, mehrere Kerne hintereinander anzuordnen und gemeinsam zu bewickeln, wobei sich deren In­ duktivitäten addieren. Die bevorzugte quaderförmige Ausfüh­ rung der Kerne K1 und K2 macht es möglich, die Kerne mit der Stirnfläche als Stoßfläche in beliebiger Anzahl hintereinan­ der anzuordnen. Dabei vereinigen sich die Magnetfelder eines einzelnen Kerns zu einem über beide Kerne K1 und K2 reichen­ den gemeinsamen Magnetfeld.

Wird ein beispielsweise gemäß Fig. 1 ausgebildeter Kern K aus einem hoch-permeablen Ferritmaterial, beispielsweise T46 von Siemens Matshushita (s. Siemens Matshushita Data Book 1999, Seite 39) hergestellt, so läßt sich bei Abmessungen von 23 × 7 × 4 mm ein Al-Wert von 75900 nH +/-30% erreichen. Dieser Wert übertrifft den Al-Wert eines Vergleichs- Bauelementes (herkömmlicher R10-Ringkern) um das 18-fache. Dies wird einerseits erreicht durch die nun mögliche Verwen­ dung des genannten hoch-permeablen Kernmaterials, und ande­ rerseits durch die besondere geometrische Ausgestaltung, die ebenfalls den Al-Wert steigert. Der Al-Wert ergibt sich zu

Dabei sind µ₀ und µ_e Materialkonstanten und geben die Permea­ bilität an, während l und A für die Kerngeometrie stehen und Länge und Querschnittsfläche des Steges angeben.

Der Kern wird vorzugsweise mit Hand bewickelt, so dass die Wicklung W keinerlei Druck auf den Steg S ausübt. Ein leich­ ter Druck entsteht lediglich an der Kante zwischen Austritts- und Eintrittsloch der Wicklungsdrähte. Bei Verwendung von z. B. paarweise verdrillten Drähten wird ein höherer Füllfak­ tor als mit unverdrillten Drähten erreicht. Außerdem wird die Unsymmetrie der Wicklungen gegen Erde sowie die Streuindukti­ vität minimiert. Bei der Montage des Kerns mit beispielsweise der genannten Seitenfläche von 23 × 4 mm wird der Platzbedarf um 35% gegenüber vergleichbaren Bauelementen der gleichen Induktivität reduziert. Bei einer Primärwicklungszahl von 2 × 12 und einer Sekundärwicklungszahl von 2 × 24 reduziert sich die Windungszahl gegenüber vergleichbaren bekannten Bauele­ menten um ca. 40-75%. Bei Anordnung zweier Übertrager z. B. nebeneinander oder übereinander läßt sich ein Modul aufbauen, das einen bislang nicht erreichten geringen Platzbedarf auf­ weist. Dabei ist es im Modul möglich, die Kerne mit zueinan­ der weisenden Hauptflächen huckepack auf einer der Hauptflä­ chen liegend oder auf den Seitenflächen stehend zu montieren.

Die anhand der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele ge­ ben nur Möglichkeiten an, die Erfindung auszuführen. Die Er­ findung ist daher nicht auf die dargestellten Ausführungen beschränkt.

Claims (11)

1. Magnetischer Kern, insbesondere für einen Übertrager, ausgebildet als Doppellochstab mit zwei zur Längsachse pa­ rallelen, durch einen Steg der Breite BS, der Länge LS und der Höhe HS getrennten Löchern, mit einem Aspektverhältnis AV ≧ 3, wobei gilt:

2. Kern nach Anspruch 1, bei dem der Doppellochstab als flacher Quader der Breite BQ, der Länge LQ und der Höhe HQ ausgebildet ist, für den gilt
HQ << BQ < LQ.

3. Kern nach Anspruch 1 oder 2, mit einer symmetrischen Ausgestaltung bezüglich einer, den Stab zwischen den beiden Löchern teilenden ersten Spielge­ lebene.

4. Kern nach einem der Ansprüche 1-3, mit einer symmetrischen Ausgestaltung bezüglich einer die beiden Löcher halbierenden und parallel zur Längsachse ausgerichteten zweiten Spielgelebene.

5. Kern nach einem der Ansprüche 1-4, mit zum überwiegenden Anteil ebenen Oberflächen und abge­ rundeten Längskanten.

6. Kern nach einem der Ansprüche 1-5, mit an den Stirnseiten abgerundeten Stegkanten.

7. Kern nach einem der Ansprüche 1-6, bei dem die Löcher an den in die Stirnseiten des Doppel­ lochstabs mündenden Öffnungen einen größeren Querschnitt aufweisen als in der Mitte des Doppellochstabs.

8. Kern nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem die Steglänge LS kleiner als die Stablänge ist.

9. Kern nach einem der Ansprüche 1-8, bestehend aus einem Ferrit umfassenden Material.

10. Verwendung eines Kerns nach einem der vorangehenden An­ sprüche in einem Übertrager.

11. Verwendung eines Kerns nach einem der vorangehenden An­ sprüche in einem Übertrager, wobei eine Bewicklung des Kerns aus verdrillten Drähten vorgesehen ist.