DE102004001255B4

DE102004001255B4 - Entstörelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102004001255B4
Application number: DE200410001255
Authority: DE
Inventors: Harald Hundt; Johannes Dr. Beichler; Klemens Trabold
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2006-04-27
Anticipated expiration: 2024-01-08
Also published as: DE102004001255A1

Abstract

Entstörelement mit
wenigstens einer auf einen Magnetkern (1) gewickelten Leiterwicklung (2, 3) und
wenigstens einem eingangsseitigen und wenigstens einem ausgangsseitigen elektrischen Anschluss (5, 6, 11, 12),
wobei der Magnetkern (1) und die Leiterwicklung (2, 3) von einer Vergussmasse (8) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen den Windungen der Leiterwicklung (2, 3) einerseits und zwischen der Leiterwicklung (2, 3) und der Vergussmasse (8) andererseits ein Werkstoff, ein Fluid, ein Gas oder deren Gemische mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten kleiner als 3 angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entstörelement, insbesondere eine stromkompensierte Drossel, und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Elektrische Entstörelemente zur Funkentstörung werden insbesondere in Form von Drosselspulen seit langem hergestellt und beispielsweise für die Entstörung von Schaltern und Schaltgeräten einerseits und Kommutatoren von Elektromotoren beziehungsweise Ansteuerschaltungen oder Zündsystemen für Kraftfahrzeuge andererseits verwendet. Derartige Entstörelemente sollen die hochfrequenten Störungen beseitigen, die durch eine hohe Flankensteilheit von auftretenden Schaltvorgängen oder Störspitzen erzeugt werden.
Eine derartige Entstörung wird durch die fortschreitende Ausstattung mit anspruchsvollen elektrischen und elektronischen Geräten in vielen Umgebungen immer wichtiger. Andererseits werden zunehmend Elemente eingesetzt, die derartige Störungen verursachen können. Beispielsweise werden in modernen Kraftfahrzeugen zahlreiche Elektromotoren eingesetzt, die entstört werden müssen, um die anspruchsvolle Elektronik eines modernen Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise Bord- und Navigationscomputer oder ähnliches sowie die Unterhaltungselektronik nicht zu stören. Auch die Zündanlage in einem Kraftfahrzeug kann die Ursache von Störungen sein.
Derartige Störungen werden typischerweise mittels induktiver Einrichtungen in Form von Drosselspulen bekämpft, die den störungserzeugenden Geräten nachgeschaltet beziehungsweise in störungsempfindlichen Geräten vorgeschaltet werden. Eine derartige Drosselspule ist aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften mit einem frequenzabhängigen induktiven Widerstand ausgestattet, der hohe Frequenzen stark dämpft. Niedrige Fre quenzen wie beispielsweise auch gängige Netzfrequenzen von 50 oder 60 Hz werden dagegen durchgelassen.
Bei den gängigen Entstöreinrichtungen ist neben der normalen Drosselspule auch die stromkompensierte Drossel (Common Mode Choke) bekannt, mit der besonders solche Störungen bekämpft werden können, die in Zu- und Ableitung gleichermaßen erregt werden, während die übliche Drosselspule eher für Störungen geeignet ist, die gegenüber dem Erdpotential auftreten.

Eine derartige stromkompensierte Drossel ist beispielsweise aus der europäischen Offenlegungsschrift EP 1220242 A1 bekannt. Dort wird durch eine entsprechende Bewicklung eines Ringkerns mit der Zuleitung einerseits und der Ableitung andererseits, wobei die beiden Wicklungen voneinander entfernt gehalten werden, eine besonders gute Gleichtaktunterdrückung (Common Mode Rejection) erreicht. Ähnlich ist DE 8015111 U1 .

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 9419797 U1 ist ein Entstörelement bekannt, das aus einer Drossel mit einem Magnetkern besteht, die zur Verbesserung des Schutzes gegen Umwelteinflüsse (Spritzwasser, mechanische und thermische Belastungen, Beschleunigungen) mit einem Kunststoff vergossen ist. Ummantelung von Spulen mit Schrumpfschläuchen ist aus DE 1719410 U1 und DE 1952447 U1 bekannt.

Aus der europäischen Patentschrift EP 0057832 A2 ist eine stromkompensierte Drossel beschrieben, die sowohl erdsymmetrische als auch asymmetrische Störungen dämpft, dadurch dass sie mit einem teilweise magnetischen Werkstoff in Form einer Mischung eines Kunststoffs mit einem Magnetpulver umgossen ist. Hierdurch ist die Streukapazität der Drosselspule stark erhöht, was zu der genannten Dämpfungsqualität führt.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Entstörelement zum Entstören elektrischer Einrichtungen mit wenigstens einer Leiterwicklung, die auf wenigstens einen Magnetkern gewickelt ist sowie mit einem ersten eingangsseitigen elektrischen Anschluß und wenigstens einem ausgangsseitigen elektrischen Anschluß, wobei der Magnetkern und die Leiterwicklung von einer Vergußmasse umgeben sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem derartigen Entstörelement besonders für hohe Frequenzen insbesondere im Bereich zwischen 10 und 200 MHz eine gute Dämpfung zu erzielen. Außerdem soll das Entstörelement auch hohen mechanischen Anforderungen genügen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen den Windungen der Leiterwicklung einerseits und zwischen der Leiterwicklung und der Vergußmasse andererseits ein Werkstoff, ein Fluid, ein Gas oder deren Gemische (insbesondere Luft als Gasgemisch oder Schaumstoff als Gas-Kunststoff-Gemisch) mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten kleiner als 3, insbesondere kleiner als 2, angeordnet ist.

Es ist bekannt, elektromechanische Einrichtungen zur Erhöhung der mechanischen Stabilität und zum Schutz vor Umwelteinflüssen mit einer Vergussmasse zu vergießen, beispielsweise mit einem Gießharz. Dies ist grundsätzlich auch bei einem Elektromagneten oder einer Drosselspule möglich. Wenn man sich jedoch die Aufgabe stellt, mit einer erfindungsgemäßen Drosselspule eine hohe Dämpfung im hohen Frequenzbereich zu erreichen, dann wird es besonders wichtig, die Kapazität der Spule möglichst gering zu halten. Bei einer Drosselspule der eingangs genannten Art ist diese Kapazität zusammengesetzt aus der Kapazität der einzelnen Spulenwindungen gegeneinander und gegenüber dem Magnetkern. Sind mehrere Wicklungen auf einem Magnetkern vorgesehen, so kommt die Kapazität verschiedener Spulenwicklungen gegeneinander hinzu. Eine hohe Kapazität stellt für extrem hohe Frequenzen im MHz-Bereich nur einen geringen Widerstand dar, so dass diese Frequenzen über die Drosselspule nicht ausreichend gut gedämpft werden.

Die parasitäre Kapazität der Drosselspule wird außer durch die Leitergeometrie auch durch die dielektrischen Umgebungs bedingungen des Leiters beziehungsweise der Wicklung bestimmt. Diese ist durch die Dielektrizitätskonstante des Materials in der direkten Leiterumgebung beschrieben. Die erfindungsgemäße Drosselspule zieht daher ihren Vorteil daraus, dass trotz eines Vergusses, der die Drosselspule/das Entstörelement mechanisch stabilisiert, die Vergussmasse von den eigentlichen Leiterwindungen ferngehalten wird. Übliche Vergussmassen, die aus Kunststoff, insbesondere Gießharz bestehen, weisen in der Regel hohe Dielektrizitätskonstanten im Bereich zwischen 3 und 6 auf. Daher wird die Kapazität der Drosselspule sehr viel niedriger dadurch gehalten, dass die Wicklung unmittelbar beispielsweise von Luft oder einem anderen Gasgemisch beziehungsweise einem Fluid mit niedriger Dielektrizitätskonstante umgeben ist. Die Vergussmasse kann zwar punktuell die Leiterwicklung berühren, um die Drosselspule mechanisch stabil zu halten, jedoch ist der wesentliche Teil der Leiteroberfläche der Leiterwicklung direkt von einem Fluid mit geringer Dielektrizitätskonstante umgeben.

In Weiterbildung der Erfindung kann die Leiterwicklung von einer folienartigen Deckschicht umgeben sein, die für die Vergussmasse undurchlässig ist. Die Deckschicht sorgt dafür, dass beim Vergussvorgang die Vergussmasse nicht direkt auf die Leiterwicklung gelangt, sondern von dieser beabstandet wird. Dabei hält die Vergussmasse nach dem Erhärten in den Bereichen, in denen die folienartige Deckschicht an der Leiterwicklung anliegt, mittels der Deckschicht die Leiterwicklung beziehungsweise die Drosselspule mechanisch stabil.

Es kann die Deckschicht aus einem Werkstoff mit einer Dielektrizitätskonstante kleiner als 3, insbesondere kleiner als 2,2, bestehen. Eine niedrige Dielektrizitätskonstante der Deckschicht bewirkt eine weitere Verringerung der Kapazität der Leiterwicklung.

Die Deckschicht kann auch durch eine Kunststofffolie gebildet sein, die um die Leiterwicklung herumgewickelt ist. Auf diese Weise ist die Deckschicht beim Herstellungsprozess besonders leicht aufzubringen.

Es ist auch denkbar, dass die Deckschicht durch einen Schrumpfschlauch gebildet ist. In diesem Fall liegt die Deckschicht nach dem Aufschrumpfen des Schrumpfschlauches besonders dicht an der Leiterwicklung an, so dass ein Eindringen der Vergussmasse zwischen den Schrumpfschlauch und die Leiterwicklung ausgeschlossen werden kann. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass der Schrumpfschlauch an seinen Enden innen mit einem Kleber beschichtet ist. Auf diese Weise kann der Schrumpfschlauch an seinen Enden vergussdicht verschlossen werden.

Die Deckschicht kann vorzugsweise aus Polytetrafluorethylen bestehen. Polytetrafluorethylen wird unter dem Handelsnamen Teflon gehandelt und weist eine relative Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 2,2 auf, so dass durch diesen Stoff als Deckschicht die Kapazität der Leiterwicklung nur wenig erhöht wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Magnetkern aus Ferrit, einer amorphen oder nanokristallinen Legierung besteht. Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn das Entstörelement unter wechselnden Temperaturbedingungen mit teilweise hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren soll. Amorphe und nanokristalline Legierungen weisen ein sehr positives Temperaturverhalten mit geringer Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von der Temperatur auf.

Der Magnetkern ist vorzugsweise ein Ringkern. Insbesondere zur Realisierung einer stromkompensierten Drossel lassen sich verschiedene Leiterwicklungen auf einem Ringkern derart anbringen und verschalten, dass vor allem die Gleichtaktunterdrückung erhöht wird. Außerdem wird durch die hohe Impedanz eines Ringkerns insgesamt eine hohe Dämpfung erzielt.

Die Deckschicht kann dabei derart auf den Magnetkern aufgebracht sein, dass das Innere des Ringkerns von Vergussmasse freigehalten ist. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass der gesamte Ringkern eingewickelt oder in einen Schrumpfschlauch eingebracht ist. Dadurch ist insbesondere im Inneren des Ringkerns der Abstand der Leiterwindung zu Gegenständen mit höherer Dielektrizitätskonstante extrem groß.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zur Herstellung eines Entstörelementes. Dabei wird die Erfindung dadurch verwirklicht, dass zunächst ein Magnetkern mit wenigstens einer Leiterwicklung versehen und in einen Schrumpfschlauch eingebracht wird, dass der Schrumpfschlauch aufgeschrumpft und dass danach die so entstandene Anordnung vergossen wird.

Alternativ kann vorgesehen sein, dass zunächst ein Magnetkern mit wenigstens einer Leiterwicklung versehen und mit einer Folie vergussdicht überlappend umwickelt und danach die so entstandene Anordnung vergossen wird. Dadurch wird bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Entstörelementes sichergestellt, dass beim Vergießen die Vergussmasse, beispielsweise ein übliches Gießharz, nicht direkt mit der Leiterwicklung beziehungsweise einer Leiterwindung in Berührung kommt. Es ist beispielsweise auch möglich, zur Erzielung eines höheren Abstandes zwischen der Leiterwicklung und der Vergussmasse einen Schaumstoff als Deckschicht vorzusehen, der wegen seiner Gasfüllung eine besonders niedrige relative Dielektrizitätskonstante aufweist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

1 eine unvergossene Drosselspule in perspektivischer Ansicht,

2 eine Schnittdarstellung einer vergossenen Drosselspule nach dem Stand der Technik,

3 die Außenansicht eines Gehäuses einer Drosselspule,

4 einen Querschnitt durch ein Entstörelement mit einer vergossenen Drosselspule,

5 einen Querschnitt durch ein Entstörelement mit einer vergossenen Drosselspule in einer Seitenansicht,

6 ein Entstörelement ähnlich denen nach 4 und 5, wobei die Leiterwicklung von einem Schrumpfschlauch umgeben ist,

7 ein Diagramm, in dem die Impedanz des Entstörelementes gegen die Frequenz aufgetragen ist.

1 zeigt einen Ringkern 1, der aus einer nanokristallinen Legierung besteht, um gleichbleibende magnetische Eigenschaften in einem Temperaturbereich zwischen etwa –50 und +150° C zu gewährleisten.
Der Ringkern 1 ist mit zwei Leiterwicklungen 2, 3 bewickelt, die aus einem Kupferlackdraht bestehen, wobei jede der Leiterwicklungen 2, 3 auf einem eigenen Segment des Ringkerns aufgewickelt ist, ohne dass die Leiterwicklungen einander nahe kommen. Anstelle einer Lackisolierung kann auch eine aus einem Kunststoff, eispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE), bestehende Leiterisolierung mit einer besonders niedrigen Dielektrizitätskonstanten vorgesehen sein. Die Enden der Leiterwicklungen sind durch eine Bodenplatte 4, auf der der Ringkern montiert ist, hindurch zu Anschlüssen geführt, von denen nur zwei Anschlüsse 5, 6 zu sehen sind.
Der so bewickelte Ringkern stellt ein Zwischenprodukt bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Entstörelementes dar. Der Ringkern mit den Leiterwicklungen 2, 3 kann nach seiner Herstellung mit einer Isolierfolie, beispielsweise aus Teflon (Polytetrafluorethylen), derart bewickelt werden, dass die einzelnen Lagen der Folie einander überdecken. Darauf kann die so gebildete Anordnung in einem Gehäuse 7 mittels eines Vergusswerkstoffes 8 vergossen werden. In der 4 ist dies schematisch dargestellt, wobei die Deckschicht, die durch die Folienwicklung gebildet ist, mit dem Bezugszeichen 9 versehen ist.
In der 2 ist zum Vergleich der Verguss eines Entstörelementes nach dem Stand der Technik dargestellt, wobei ein bewickelter Ringkern 10 ohne Zwischenlage einer Deckschicht mit einer Vergussmasse 8 vergossen ist. Beim Stand der Technik gemäß 2 dringt dabei die Vergussmasse 8 beispielsweise in Form eines Gießharzes zwischen die Windungen der Leiterwicklung ein und bildet dort ein Medium hoher Dielektrizitätskonstante, was die Leiterkapazitäten erhöht und somit die Impedanz für hohe Frequenzen herabsetzt.
3 zeigt eine Außenansicht eines Gehäuses 7, in dem sowohl gemäß dem Stand der Technik als auch gemäß der Erfindung Entstörelemente vergossen werden können. Dabei ist das Gehäuse 7 mit Anschlüssen 11, 12 gezeigt, an denen der Leiterdraht aus der Vergussmasse 8 herausragt und mit einem weiterführenden Leiter verbunden werden kann.
Aus 4 ist ersichtlich, dass sowohl das Innere 13 des Ringmagneten 1 als auch die Zwischenräume zwischen den Wicklungsleitern durch das Abdecken mittels der Deckschicht 9 vor dem Verguss beim Vergießen frei von Vergussmasse 8 bleiben, so dass dort im einfachsten Fall Luft eingeschlossen ist, die eine relative Dielektrizitätskonstante von 1 aufweist.
5 zeigt in einer seitlichen Ansicht die gleiche Anordnung wie 4. Dabei ist deutlicher zu sehen, wie die Wicklungsleiter 17, 18 zu den Anschlüssen 11, 12 geführt sind.
In der 6 ist eine Anordnung schematisch in einem Schnitt gezeigt, bei der ein Ringkern 1 mit einem aufgeschrumpften Schrumpfschlauch 14 umgeben ist, wobei die Enden 15, 16 des Schrumpfschlauchs 14 innen mit einer Klebeschicht versehen sind, so dass der Schrumpfschlauch beim Aufschrumpfen an seinen Enden abgedichtet wird und keine Vergussmasse 8 zum Inneren des Schrumpfschlauchs in die Nähe des Ringkerns beziehungsweise der Leiterwicklungen 2, 3 eindringen kann. Der Schrumpfschlauch sorgt außerdem dafür, dass die Wicklungsleiter mittels einer dichten Durchführung im Bereich der Klebeschicht aus seinem Inneren herausgeführt werden können.
In 7 ist das Messergebnis einer Impedanzmessung dargestellt, wobei die durchgezogene Kurve 19 einem erfindungsgemäßen Entstörelement entspricht, während die gestrichelte Kurve 20 einem Entstörelement gemäß dem Stand der Technik entspricht. Es zeigt sich, dass bei Frequenzen f im Bereich zwischen ca. 20 MHz und 100MHz die Impedanz Imp des erfindungsgemäßen Entstörelementes etwa um den Faktor 2 bis 5 mal höher ist als die gemäß dem Stand der Technik.
Aus dem Frequenzgang der komplexen Impedanz, deren Betrag in 7 wiedergegeben ist, lässt sich die parasitäre Kapazität des Entstörelements zu 11pF (Stand der Technik) bzw. 2,8pF (gemäß dieser Erfindung) ermitteln. Hierdurch ist in dem genannten Frequenzbereich eine wesentlich stärkere Dämpfung von Störungen und somit eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich verbesserte Entstörung gegeben.
Ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Entstörelementes sieht nach einem Bewickeln des Ringkerns 1 das Einbringen des bewickelten Ringkerns in ein Gehäuse 7, das Aus führen der Wicklungsleiter zu den Anschlüssen 11, 12 und das Befestigen dieser an diesen Anschlüssen vor. Daraufhin wird die Vergussmasse 8 in Form eines Gießharzes in das Gehäuse 7 eingebracht und der Ringkern mit den Leiterwicklungen vergossen. Es wird dann ein Härten des Gießharzes abgewartet beziehungsweise es werden die notwendigen Maßnahmen getroffen, um die Härtung herbeizuführen, wie beispielsweise Erwärmung oder Bestrahlung. Danacht ist das Entstörelement fertiggestellt.

Claims

Entstörelement mit wenigstens einer auf einen Magnetkern (1) gewickelten Leiterwicklung (2, 3) und wenigstens einem eingangsseitigen und wenigstens einem ausgangsseitigen elektrischen Anschluss (5, 6, 11, 12), wobei der Magnetkern (1) und die Leiterwicklung (2, 3) von einer Vergussmasse (8) umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Windungen der Leiterwicklung (2, 3) einerseits und zwischen der Leiterwicklung (2, 3) und der Vergussmasse (8) andererseits ein Werkstoff, ein Fluid, ein Gas oder deren Gemische mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten kleiner als 3 angeordnet ist.
Entstörelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Werkstoff, Fluid, Gas oder deren Gemische eine relative Dielektrizitätskonstante kleiner als 2 aufweisen.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Gasgemisch Luft vorgesehen ist.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterwicklung (2, 3) von einer folienartigen Deckschicht (9, 14) umgeben ist, die für die Vergussmasse (8) undurchlässig ist.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (9, 14) aus einem Werkstoff mit einer Dielektrizitätskonstante kleiner als 2,2 gebildet ist.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (9, 14) aus einem Werkstoff mit einer Dielektrizitätskonstante kleiner als 2,0 gebildet ist.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht eine Kunststofffolie (9) aufweist, die um die Leiterwicklung (2, 3) herumgewickelt ist.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht einen Schrumpfschlauch (14) aufweist.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrumpfschlauch (14) an seinen Enden innenseitig mit Kleber beschichtet ist.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (9) aus Polytetrafluorethylen besteht
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (1) Ferrit, eine amorphe Legierung oder eine nanokristalline Legierung aufweist.
Entstörelement nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (1) ein Ringkern ist.
Entstörelement nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Innere des Ringkerns und/oder die Wicklung frei von Vergussmasse (8) ist.
Entstörelement nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leiter der Leiterwicklung (2, 3) von einer Leiterisolierung mit niedriger Dielektrizitätskonstante, insbesondere aus Polytetrafluorethylen, umgeben ist.
Entstörelement nach Patentanspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterisolierung mit niedriger Dielektrizitätskonstante Polytetrafluorethylen aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Entstörelementes nach einem der vorherigen Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Magnetkern (1) mit wenigstens einer Leiterwicklung (2, 3) versehen und danach in einen Schrumpfschlauch (14) eingebracht wird, dass der Schrumpfschlauch (14) aufgeschrumpft und danach die so entstandene Anordnung vergossen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Entstörelementes nach einem der Patentansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Magnetkern (1) mit wenigstens einer Leiterwicklung (2, 3) versehen und mit einer Folie (9) vergussdicht überlappend umwickelt und danach die so entstandene Anordnung vergossen wird.