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Die Erfindung betrifft eine induktive Anordnung und ein Verfahren zu deren Herstellung. Die Erfindung betrifft insbesondere eine induktive Anordnung, die einen mit Wicklungen versehenen Ringkern und einen Sektortrenner zur spannungsfesten Trennung der Wicklungen voneinander aufweist.
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Induktive Anordnungen wie zum Beispiel Transformatoren, Übertrager, magnetische Module und Drosseln mit mehreren Wicklungen müssen häufig eine ausreichende galvanische Trennung zweier oder mehrerer Stromkreise gewährleisten. Gemeinsam ist diesen Anordnungen, dass zwei oder mehr Wicklungen beispielsweise auf einen Ringkern aufgebracht sind, wobei eine bestimmte Isolationsspannungsfestigkeit zwischen benachbarten Wicklungen einzuhalten ist, so dass die Wicklungen zum Beispiel entsprechend voneinander beabstandet sein müssen.
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Bei der Bewicklung eines Ringkerns mit zwei oder mehreren nebeneinander auf dem Ringkern angeordneten Wicklungen besteht jedoch die Möglichkeit, dass einzelne Windungen aus einem auf dem Ringkern für die jeweilige Wicklung vorgegebenen Sektor abrutschen und nahe zu Windungen der Wicklung eines benachbarten Sektors zu liegen kommen oder diese sogar berühren. Dadurch kann die erwünschte Isolationsfestigkeit nachteilig verringert werden oder es können sogar Kurzschlüsse zwischen benachbarten Wicklungen auftreten. Dies ist besonders dann der Fall, wenn für die Wicklungen Drähte mit dünner Eigenisolierung verwendet werden um Kostenvorteile zu erzielen oder um eine möglichst große Anzahl von Windungen in einem vorgegebenen Bauraum unterzubringen.
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Zum Beispiel aus der
DE 19932475 sind sogenannte Sektortrenner bekannt, die Stege aufweisen, die sich von der Mittelachse eines Ringkerns zur Oberfläche des inneren Umfangs des Ringkerns erstrecken, wodurch die dadurch gebildeten Sektoren vollständig voneinander getrennt sind. Bei einer Bewicklung der so gebildeten Sektoren mit entsprechenden Windungen wird auf diese Weise verhindert, dass eine Berührung zwischen Windungen von in benachbarten Sektoren angeordneten Wicklungen des Ringkerns auftritt, um so eine erwünschte Spannungsfestigkeit beziehungsweise Isolierung zwischen benachbarten Wicklungen auf einem Ringkern zu erzielen. Solche Sektortrenner können dabei zwei oder mehrere sich von der Mittelachse des Ringkerns zur Oberfläche des inneren Umfangs des Ringkerns erstreckende Stege aufweisen, wodurch zwei oder mehrere Sektoren für die Bewicklung ausgebildet werden.
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Nachteilig dabei ist es, dass bei Verwendung von auf diese Weise ausgeführten Sektortrennern keine Öffnung in der Mitte der induktiven Anordnung verbleibt, durch die zum Beispiel Stromleiter, Montageelemente etc. hindurchgeführt werden können oder durch die eine Bewicklung durch eine Ringkernwickelmaschine mit ausreichendem Raum in der Ringkernöffnung leicht ausgeführt werden kann. Auch können dergestalt ausgeführte induktive Anordnung, beispielsweise bei der Montage in einem Gehäuse, nicht auf eine zum Beispiel zentrierende, durch die Mitte der Anordnung verlaufende Halterung aufgesetzt werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine induktive Anordnung mit galvanischer Trennung der Wicklungen auf einem Ringkern sowie ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, bei denen die genannten Nachteile vermieden werden.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 18. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine induktive Anordnung mit einem weichmagnetischen Ringkern, der einen Kernquerschnitt, einen äußeren Umfang und einen eine Ringkernöffnung definierenden inneren Umfang aufweist; mindestens zwei Wicklungen, die jeweils den Ringkern entlang seines Kernquerschnitts umgeben; und einem elektrisch isolierenden Sektortrenner, der ein sich in der Ringkernöffnung entlang eines Abschnitts des inneren Umfangs des Ringkerns erstreckendes Rohrsegment und mindestens einem vom Rohrsegment radial in Richtung des äußeren Umfangs des Ringkerns verlaufenden Steg aufweist; wobei jeweils zwei Wicklungen durch mindestens einen der Stege voneinander getrennt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:
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1 in einer dreidimensionalen Ansicht eine induktiven Anordnung mit Ringkern mit einem darin eingesetztem Sektortrenner und mit ausgeführter Bewicklung;
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2 in einer dreidimensionalen Ansicht von oben eine beispielhafte Ausführungsform eines Sektortrenners;
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3 in einer dreidimensionalen Ansicht von unten die beispielhafte Ausführungsform eines Sektortrenners gemäß 2; und
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4 in einer Draufsicht eine induktiven Anordnung mit Ringkern mit einem darin eingesetztem Sektortrenner und mit ausgeführter Bewicklung.
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1 zeigt eine induktive Anordnung, bei der ein weichmagnetischer Ringkern 1 und ein darin eingesetzter, elektrisch isolierender Sektortrenner mit Wicklungen 3, 4 und 5 bewickelt ist. Von dem Sektortrenner sind im dargestellten bewickelten Zustand im Wesentlichen die Stege 11, 12 und 13 zu ersehen sind. Der Ringkern 1 hat einen Querschnitt 6, einen mit einer gestrichelten Linie dargestellten äußeren Umfang 7 und einen mit einer gepunkteten Linie dargestellten inneren Umfang 8. Der inneren Umfang 8 definiert eine Ringkernöffnung 9. Die gezeigte Anordnung kann beispielsweise als Ansteuerübertrager Verwendung finden.
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Beim dem in den Figuren gezeigten Beispiel sind die Wicklung 3 als Primärwicklung und die Wicklungen 4 und 5 als Sekundärwicklungen vorgesehen. Dabei sind die Sekundärwicklungen 4 und 5 hier mit jeweils gleicher Windungszahl ausgeführt. Weiterhin sind die durch den Sektortrenner geometrisch vorgegebenen Sektoren für die Sekundärwicklungen 4 und 5 gleich groß, wodurch erreicht wird, dass die Sekundärwicklungen 4 und 5 gleiche Koppelkapazität und Streuinduktivität aufweisen. In anderen Anwendungsfällen mit nur einer oder mehr als zwei Sekundärwicklungen kann eine solche induktive Anordnung auch eine davon abweichende Anzahl von Wicklungen aufweisen. Dabei wird der eingesetzte Sektortrenner dementsprechend mit mehr oder weniger Stegen ausgeführt.
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Um die erwünschte Isolationsfestigkeit zwischen den Wicklungen 3, 4 und 5 sicherzustellen, ist der dargestellte Sektortrenner mit den drei Stegen 11, 12 und 13 ausgeführt. Durch diese Stege wird verhindert, dass infolge der Bewicklung des Ringkerns mit den Wicklungen 3, 4 und 5 eine Berührung zwischen Windungen von in benachbarten Sektoren angeordneten Wicklungen auftritt. Dabei kann die induktive Anordnung bestehend aus Ringkern 1 und eingesetztem Sektortrenner zur Durchführung der Bewicklung auch auf eine passende, sich durch die Ringkernöffnung 9 erstreckenden Halterung aufgesetzt werden, die sich beispielsweise auf den nach innen zeigenden Oberflächen der Stege 11, 12 und 13 abstützt.
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Auf diese Weise wird während der Bewicklung eine vollständige räumliche Trennung der Wicklungssektoren erreicht und es werden Berührungen zwischen Windungen benachbarter Wicklungen zuverlässig vermieden. Nach der Bewicklung wird die induktive Anordnung von der Halterung abgenommen und es verbleibt die erwünschte Ringkernöffnung 9. Durch die mit Hilfe des Sektortrenners erreichte zuverlässige Trennung und Beabstandung der Wicklungen kann vorteilhaft sehr dünn isolierter Draht zur Bewicklung verwendet werden, so dass in einem vorgegebenen Raum für die Wicklungen eine größere Anzahl von Windungen untergebracht werden kann. Durch die Verwendung von dünn isoliertem Draht können darüber hinaus auch Kostenvorteile erzielt werden. Der weichmagnetische Ringkern 1 kann zum Beispiel aus einem weichmagnetischen Band ausgeformt sein, das aus einer amorphen oder nanokristallinen Legierung besteht.
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2 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht von oben eine beispielhafte Ausführungsform eines elektrisch isolierenden Sektortrenners 2. Der Sektortrenner 2 weist ein Rohrsegment 10 und Stege 11, 12 und 13 auf. Dabei ist das Rohrsegment 10 so ausgebildet, dass es sich in der Ringkernöffnung 9 entlang eines Abschnitts des inneren Umfangs 8 des Ringkerns 1 erstreckt, wenn der Sektortrenner 2 in den Ringkern 1 eingesetzt ist (siehe 1). Die Stege 11, 12 und 13 verlaufen dabei vom Rohrsegment 10 weg radial in Richtung des äußeren Umfangs 7 des Ringkerns 1.
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Wie in 2 dargestellt, kann der Sektortrenner 2 zusätzlich ein sich zwischen den Stegen 11, 12 und 13 senkrecht zum Rohrsegment 10 und radial in Richtung des äußeren Umfangs 7 des Ringkerns 1 erstreckendes Ringsegment 15 aufweisen, um den Stegen 11, 12 und 13 zusätzliche Stabilität zu verleihen und ein formschlüssiges Einsetzen in den Ringkern 1 zu erleichtern. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform sind die Stege 11, 12 und 13 so ausgeführt, dass sie sich zusätzlich in axialer Richtung entlang einer inneren Oberfläche 14 des Rohrsegments 10 erstrecken. Dadurch wird sichergestellt, dass Windungen benachbarter Wicklungssektoren bei der Bewicklung auch in der Ringkernöffnung 9 zuverlässig voneinander getrennt werden, um die erwünschte Isolationsspannung zwischen benachbarten Wicklungen zu erreichen. Dabei sind die Stege 11, 12 und 13 in ihrer Breite zum Beispiel so ausgeführt, dass eine Isolationsspannung von ≥ 600 Veff eingehalten wird.
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Der Sektortrenner 2 wird vorzugsweise aus gut isolierendem Kunststoff hergestellt, um eine ausreichende Isolation auch bei höheren Spannungen zu gewährleisten. Bevorzugt kommen dabei kostengünstig herzustellende Spritzgussteile zum Einsatz. Um Schwankungen in der Toleranz der Ringkernöffnung 9 auszugleichen beziehungsweise eine gute Anpassung des Rohrsegments 10 an den inneren Umfang 8 des Ringkerns zu erreichen, wird vorzugsweise ein Kunststoff mit einer entsprechenden mechanischen Flexibilität beziehungsweise Elastizität verwendet. Alternativ dazu wird die Wandstärke des Rohrsegments 10 insgesamt oder in Teilbereichen in geeigneter Weise gewählt.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn der Sektortrenner 2 mit einer hellen Oberfläche hergestellt wird. Auf diese Weise lassen sich eventuelle Berührungen oder Überkreuzungen von Windungen benachbarter Wicklungen im Rahmen einer Sichtprüfung leicht erkennen. Weiterhin wird durch das Überwickeln des Sektortrenners 2 im Fertigungsprozess eine automatische Fixierung im Ringkern 1 erreicht, so dass die Lage des Sektortrenners 2 im Ringkern 1 dauerhaft gesichert ist.
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3 zeigt in einer dreidimensionalen Ansicht von unten den beispielhaften Sektortrenner 2 gemäß 2. Dabei sind die sich in axialer Richtung entlang der inneren Oberfläche 14 des Rohrsegments 10 erstreckenden Stege 11, 12 und 13 so ausgeführt, dass sie sich über das Rohrsegment 10 und damit im eingesetzten Zustand über die Ringkernöffnung 9 hinaus erstrecken. Dadurch wird die Sicherheit weiter erhöht, dass sich Windungen benachbarter Wicklungen bei der Bewicklung nicht berühren oder gar überkreuzen.
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Weiterhin umfasst die 3 eine Klemmvorrichtung 17 zur Fixierung des Sektortrenners 2 in der Ringkernöffnung 9 (siehe auch 1). Diese Klemmvorrichtung 17 erstreckt sich von einem der Stege 11, 12 und 13 (hier dem Steg 12) oder dem Ringsegment 15 senkrecht zu diesen in axialer Richtung entlang einer äußeren Oberfläche 16 des Ringkerns 1 (siehe 1). Durch diese Klemmvorrichtung 17 wird der Sektortrenner 2 beim Einsetzen in die Ringkernöffnung 9 an dem Ringkern 1 fixiert.
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In weiteren, nicht gezeigten Ausführungsformen, kann der Sektortrenner 2 auch aus mehr als einem Teilstück ausgebildet sein. So können zum Beispiel auch zwei achsensymmetrisch ausgeführte Sektortrenner einander gegenüberliegend von oben und unten in den Ringkern 1 eingesetzt werden, deren Rohrsegment 10 sich jeweils bis zur Mitte der Ringkernöffnung 9 erstreckt. Dadurch können beide Sektortrenner jeweils mit Stegen 11, 12 und 13 versehen werden, die sowohl vom jeweiligen Rohrsegment 10 radial in Richtung des äußeren Umfangs 7 des Ringkerns 1 wie auch in axialer Richtung entlang der jeweiligen inneren Oberfläche 14 des Rohrsegments 10 verlaufen.
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Um die beiden Sektortrenner exakt zueinander auszurichten, können zum Beispiel entsprechende Nasen und Nute in den jeweiligen Rohrsegmenten 10 vorgesehen werden, die beim Einsetzen der zwei Sektortrenner ineinander greifen und eine eindeutige Ausrichtung der Sektortrenner zueinander gewährleisten.
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4 zeigt eine induktive Anordnung mit einem weichmagnetischen Ringkern 1 und einem darin eingesetzten, elektrisch isolierenden Sektortrenner mit nur einem Steg 11. Eine solche Ausführungsform eines Sektortrenners eignet sich besonders für induktive Anordnungen mit nur zwei voneinander getrennten, in einem Abschnitt des Kerns konzentrierten, benachbarten Wicklungen. Die dargestellte induktive Anordnung ist mit den Wicklungen 3 und 4 bewickelt. Von dem Sektortrenner sind im dargestellten bewickelten Zustand im Wesentlichen der Steg 11 und das Rohrsegment 10 zu ersehen.
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In Abhängigkeit davon, welchen Sektorabschnitt des Ringkerns 1 die späteren Bewicklungen 3 und 4 überdecken sollen, kann das Rohrsegment 10 des Sektortrenners eine kleineren oder größeren Anteil des inneren Umfangs 8 des Ringkerns 1 bedecken. Dabei muss der Steg 11 nicht (wie hier gezeigt) mittig an dem Rohrsegment 10 angeordnet sein, wenn zum Beispiel die Bewicklungen 3 und 4 unterschiedlich groß ausgeführt werden sollen und unterschiedlich große Sektorabschnitte des Ringkerns 1 umgeben.
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In allen beschriebenen Ausführungsbeispielen wird sichergestellt, dass nach der Bewicklung der induktiven Anordnung erfindungsgemäß eine durchgehende Öffnung im Inneren der Ringkernöffnung 9 verbleibt und der oder die Sektortrenner durch die Bewicklung dauerhaft fixiert sind. Die in der Ringkernöffnung der induktiven Anordnung verbleibende durchgehende Öffnung kann zum Beispiel verwendet werden, um die induktive Anordnung bei der Montage auf einer Baugruppe oder in einem Gehäuse mit Hilfe einer entsprechenden, sich durch die Öffnung erstreckenden Aufnahme exakt auszurichten und daran anschließend beispielsweise mit einem Gießharz zu vergießen.
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Ein Verfahren zum Herstellen einer induktiven Anordnung gemäß 1 weist in einem ersten Schritt das Bereitstellen eines weichmagnetischen Ringkerns 1 auf, der einen Kernquerschnitt 6, einen äußeren Umfang 7 und einen eine Ringkernöffnung 9 definierenden inneren Umfang 8 aufweist. In einem zweiten Schritt wird ein elektrisch isolierender Sektortrenner 2 bereitgestellt, der ein Rohrsegment 10 mit einem dem Radius der Ringkernöffnung 9 entsprechenden äußeren Radius und mindestens einem sich vom Rohrsegment 10 radial nach außen und in axialer Richtung entlang einer inneren Oberfläche 14 des Rohrsegments 10 erstreckenden Steg 11, 12 und 13 aufweist.
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Ein dritter Schritt umfasst das Einsetzen des Sektortrenners 2 in die Ringkernöffnung 9 auf eine Weise, dass sich das Rohrsegment 10 entlang eines Abschnitts des inneren Umfangs 8 des Ringkerns 1 erstreckt und die radial verlaufenden Stege 11, 12 und 13 sich radial in Richtung des äußeren Umfangs 7 des Ringkerns 1 erstrecken. In einem vierten Schritt erfolgt das Bewickeln der durch die Stege 11, 12 und 13 des Sektortrenners 2 definierten Sektoren des Ringkerns 1.
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Eine Weiterbildung des obigen Verfahrens sieht nach dem Einsetzen des Sektortrenners 2 in die Ringkernöffnung 9 das Einsetzen des Ringkerns 1 mit dem Sektortrenner 2 auf eine in die Ringkernöffnung 9 eingeführte Halterung vor, die den Sektortrenner 2 durch Anliegen an den in axialer Richtung entlang der inneren Oberfläche 14 des Rohrsegments 10 verlaufenden Stege 11, 12 und 13 in der Ringkernöffnung fixiert und die durch die Stege 11, 12 und 13 des Sektortrenners 2 definierten Sektoren durch das Anliegen an diesen vollständig voneinander trennt. Daraufhin erfolgt in einem nächsten Schritt das Bewickeln der durch die Stege 11, 12 und 13 des Sektortrenners 2 und die Halterung definierten Sektoren des Ringkerns 1 und in einem nachfolgenden Schritt das Entnehmen der bewickelten Einheit aus Ringkern 1 und Sektortrenner 2 aus der Halterung.
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Auf die oben beschriebenen Weisen wird die induktive Anordnung zur weiteren Verwendung beziehungsweise Montage fertig gestellt. Die Montage kann beispielsweise die nachfolgenden Schritte aufweisen:
- 1.) Einsetzen der bewickelten Einheit aus Ringkern 1 und Sektortrenner 2 in ein Gehäuse, wobei in dem Gehäuse eine Aufnahme zur Verfügung gestellt werden kann, die sich beim Einsetzen der induktiven Anordnung durch die in der Ringkernöffnung 9 verbliebene Öffnung erstreckt und die induktive Anordnung zum Beispiel durch Anliegen an den in axialer Richtung entlang der inneren Oberfläche 14 des Rohrsegments 10 verlaufenden Stege 11, 12 und 13 in der Ringkernöffnung fixiert.
- 2.) Zuführen der Drahtenden der Bewicklungen zu entsprechenden Anschlussstiften und kontaktieren an den Anschlussstiften, und
- 3.) Vergießen der induktiven Anordnung im Gehäuse beziehungsweise mit der Aufnahme durch Gießharz unter Vakuum.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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