DE102011055880B4

DE102011055880B4 - Induktives Bauelement mit verbesserten Kerneigenschaften

Info

Publication number: DE102011055880B4
Application number: DE102011055880.2A
Authority: DE
Inventors: Kvetoslav Hejny
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2031-12-01
Also published as: DE102011055880A1

Abstract

Induktives Bauelement mit einer Wicklung und einem Kern, umfassend einen Mittelbutzen (2) und endseitig an den Mittelbutzen (2) angrenzende äußere Kernteile (1a, 1b), bei dem die äußeren Kernteile (1a, 1b) Schenkel und Jochbereiche aufweisen, die die Schenkel mit dem Mittelbutzen (2) verbinden, bei dem der Kern eine Mehrzahl von Kernbereichen (1, 2) umfasst, die unterschiedliche magnetische Materialien enthalten,bei dem der Mittelbutzen (2) ein von einem magnetischen Material der äußeren Kernteile (1a, 1b) verschiedenes magnetisches Material umfasst,und bei dem der Mittelbutzen (2) einen Zentralteil und eine flanschförmige Ausformung (7) aufweist, wobei die flanschförmige Ausformung (7) endseitig an einen der Jochbereiche angrenzt und die flanschförmige Ausformung (7) dasselbe magnetische Material wie der Zentralteil aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit einer Wicklung und einem Kern.
Induktive Bauelemente wie Drosseln, Transformatoren und Übertrager sind weit verbreitet in elektrischen und elektronischen Schaltungen. Die elektrischen Eigenschaften der induktiven Bauelemente hängen von ihrem Aufbau und den Eigenschaften der Wicklungen und des Kerns ab. Die gewünschten induktiven Eigenschaften lassen sich beispielsweise durch geeignete Wahl beziehungsweise Anpassung der Wicklung und/oder der Permeabilität erzielen. Die Permeabilität lässt sich durch einen großen Luftspalt reduzieren, was jedoch den Streufluss im Luftspalt und damit einhergehende Verluste erhöht.
Die Druckschrift JP 2010 - 147 075 A beschreibt eine Drosselspule, die mittels Verschraubung an einem Gehäuse fixiert ist. Die JP 2007 - 201 129 A beschreibt eine Drosselspule mit Luftspalten aus einem nichtmagnetischen Material. Die JP 2007 - 013 042 A und US 7 449 984 B2 offenbaren jeweils induktive Bauelemente aufweisend verschiedene magnetische Materialien. Die Druckschrift US 2007 / 0 040 643 A1 offenbart ein induktives Element für eine Antenne, bei dem eine Veränderung magnetischer Eigenschaften bei Verformung durch einen Schichtaufbau aus Schichten unterschiedlicher Magnetostriktion verhindert wird.
Aus der US 2011 / 0 121 935 A1 geht ein induktives Bauelement hervor, bei dem ein inneres Kernteil in einem äußeren, hülsenförmigen Kernteil angeordnet ist, wobei die Kernteile unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen.
Die Druckschriften DE 10 2008 034 691 A1 , DE 696 13 794 T2 , DE 39 13 558 A1 , DE 102 12 930 A1 , US 2008 / 0 055 034 A1 , US 5 062 197 A , US 5 731 666 A , DE 10 2006 026 466 B3 und US 2009 / 0 079 532 A1 offenbaren weitere induktive Bauelemente.
Insbesondere die Eigenschaften des magnetischen Kerns gilt es zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein induktives Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben bevorzugte Ausführungsformen des Bauelements an.
Vorgesehen ist ein induktives Bauelement mit einer Wicklung und einem Kern, der eine Mehrzahl von Kernbereichen umfasst, die mehrere unterschiedliche magnetische Materialien enthalten. Das induktive Bauelement umfasst mit dem Begriff Wicklung eine einlagige und mehrlagige Wicklung sowie auch eine von mehreren derartigen Wicklungen auf einem Kern.
Bevorzugt weisen die unterschiedlichen magnetischen Materialien unterschiedliche magnetische Eigenschaften auf. Der Begriff unterschiedliche magnetische Materialien ist so zu verstehen, dass er mindestens zwei verschiedene magnetische Materialien beinhaltet oder dass er ein Material einer physikalisch-chemischen Zusammensetzung mit bereichsweise verschiedenen magnetischen Materialparametern beinhaltet. Die Parameter können beispielsweise hinsichtlich der Betriebsbedingungen der Bereiche optimiert sein.
Ein derartiger magnetischer Kern kann grundsätzlich jede Kernform umfassen, also beispielsweise Kernformen mit den Bezeichnungen C, U, E, P, X, Ringkern sowie weitere Kernformen oder daraus abgeleitete Kernformen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung jedoch bei Kernformen einzusetzen, die eine Mittelsäule bzw. einen Mittelbutzen aufweisen. Als andere Kernbereiche sind in diesem Zusammenhang die Schenkel und die diese mit dem Mittelbutzen verbindenden Jochbereiche zu verstehen. Typischerweise wird der komplette Kern aus zwei Kernhälften gebildet, die jeweils Schenkel, Joche und einen Mittelbutzen umfassen. Alternativ kann der Kern einen Mittelbutzen und separate äußere Kernteile umfassen. Andere Formen der Separation sind denkbar.
Bei dem Kern des induktiven Bauelements enthält der Mittelbutzen selbst unterschiedliche Materialien oder der Mittelbutzen enthält ein anderes magnetisches Material als die anderen Bereiche des Kerns oder der Kern ist aus einer Kombination beider Alternativen aufgebaut.
Dabei können die unterschiedlichen Materialien in einer bevorzugten Ausführungsform geschichtet sein, deren Schichten in einer abwechselnden Folge z.B. in Achsenrichtung der Mittelsäule hintereinander angeordnet sind. Diese Schichten können scheibenförmig sein und abwechselnd eine Schicht mit hoher Permeabilität und eine Schicht mit keiner oder niedriger Permeabilität enthalten. Eine andere bevorzugte Ausführungsform enthält einen Mittelbutzen aus einem magnetischen Material, das von dem magnetischen Material der anderen Kernbereiche verschieden ist. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform enthält Kombinationen der beiden vorgenannten Ausführungsformen. Die mechanische Verbindung des Mittelbutzens mit den anderen Kernbereichen erfolgt dabei entweder durch Kleben oder durch Verschrauben. Bei einer Verschraubung weist der Mittelbutzen bevorzugt ein zentrales Loch auf, durch das eine Kunststoffschraube gesteckt wird, die den Kern zusammenhält. Alternativ können die Teile auch durch Verrasten oder Verspannen verbunden werden. Dies ist insbesondere bei zwei gegeneinander gesetzten Kernhälften zweckmäßig, weil dann die eine Kunststoffschraube gleichzeitig die beiden Kernhälften zusammenhält.
Insbesondere bei Transformatoren und Drosseln ist ein Luftspalt ein wichtiger Funktionsbestandteil, weil er die magnetische Flussdichte des Kerns erheblich verringert und beispielsweise eine Linearisierung der Magnetisierungskennlinie bewirkt, so dass eine magnetische Sättigung des Kernwerkstoffes erst bei höheren Feldstärken eintritt. Im Luftspalt von Speicherdrosseln ist ein wesentlicher Teil der magnetischen Energie gespeichert, was zu Nachteilen wie einer geringeren Induktivität oder zu hohen Kräften führt. Bei Kernen mit Mittelbutzen ist der Luftspalt typischerweise zwischen den beiden Mittelbutzen der Kernhälften angeordnet. Das vorgeschlagene induktive Bauelement ermöglicht es, den Luftspalt quasi über die Länge des gesamten Mittelbutzens zu verteilen. Der auf mehrere Abschnitte verteilte Luftspalt kann im Mittelbutzen durch Scheiben, beispielsweise aus Ferritmaterial, getrennt durch Scheiben aus anderem Material, ausgebildet sein.
Mit dem induktiven Bauelement ist es möglich, nachteilige Eigenschaften des magnetischen Kerns zu verbessern. Dazu zählt insbesondere eine Verringerung des Streuflusses und der Verluste. Dadurch wird es möglich, die durch die Verluste bedingten höheren Temperaturen zu verhindern und die Kosten für ein Kühlsystem zu verringern. Gleichzeitig wird es möglich, die Effizienz des induktiven Bauelements zu verbessern.
Der Aufbau und die Herstellung eines Kerns für ein induktives Bauelement werden rein beispielhaft am Aufbau eines magnetischen Kerns mit Mittelbutzen erläutert. Als unterschiedliche magnetische Materialien für den Kern kommen insbesondere Eisenpulvermaterial oder Ferritmaterial, also ferromagnetische Materialien vorteilhafterweise mit hohen Sättigungswerten in Frage. Beide Materialien haben an sich bekannte Nachteile und Vorteile. So hat ein Eisenpulverkern den Nachteil der Brüchigkeit, jedoch den Vorteil des hohen Sättigungswertes Bs von 1 Tesla (1 T) bis 1,5 T, der sich beispielsweise durch einen Eisenpulverkern erzielen lässt. Die einzelnen Pulverkörner, die weiterhin voneinander durch eine nichtmagnetische oder geringmagnetische Schicht getrennt vorliegen, bewirken an sich bereits eine Verteilung des Luftspalts, der eine Verbesserung der Sättigungsinduktion sowie einen weichen Einsatz der Sättigung bewirkt. Demgegenüber hat ein Standardferritmaterial einen Sättigungswert Bs von etwa 0,4 T und ein steiles Sättigungsverhalten.
Der Einsatz mehrerer unterschiedlicher magnetischer Materialien beispielsweise im Mittelbutzen eines magnetischen Kerns ermöglicht es, die magnetischen Eigenschaften des Kerns zu optimieren. So wird je nach Aufbau des Kerns der resultierende Sättigungswert im Bereich zwischen dem Sättigungswert eines Ferritmaterials beziehungsweise eines Pulvermaterials, z.B. Eisenpulvermaterials, liegen. Das bedeutet, dass der Sättigungswert im Bereich zwischen 0,4 T und 1,5 T liegen wird.
Die Kombination eines Materials mit geringerer Permeabilität für den Mittelbutzen wie Eisenpulver mit einer beispielhaften Permeabilität von 10 bis 50 und eines Ferritmaterials für die anderen Bereiche mit einer beispielhaften Permeabilität von 1000 bis 3000 ermöglicht es, die Gesamtpermeabilität ebenso wie die Gesamtlänge des Luftspalts beziehungsweise der Luftspalte im Vergleich zu einem Kern nur aus Ferritmaterial bestehend zu reduzieren. Die Gesamtpermeabilität ist: $μ_{t o t} = \frac{I_{e, t o t}}{(\frac{I_{1}}{μ_{1}} + \frac{I_{2}}{μ_{2}} + \frac{I_{i}}{μ_{i}} + \dots)},$
wobei µ_tot die Gesamtpermeabilität, I_e,tot die gesamte effektive Länge des Magnetkreises, I_i die magnetische Länge eines i-ten Bereichs und µ_i die Permeabilität des i-ten Bereichs ist.
Durch die geringere Gesamtlänge der Luftspalte im Mittelbutzen sind auch die Längen der Teilluftspalte geringer, was den Streufluss und die daraus resultierenden Verluste reduziert.
Die Optimierung der magnetischen Kerneigenschaften wiederum ermöglicht es, die Abmessungen des Kerns zu verringern und insbesondere den Querschnitt oder die Durchmesser des Mittelbutzens und der darauf aufgebrachten Wicklung zu verringern, was wiederum eine Reduzierung des Volumens der Wicklung ermöglicht. Dies wiederum ermöglicht es, die Gesamtdimensionen eines induktiven Bauelements zu verringern und damit die Kosten für die Herstellung des induktiven Bauelements ebenfalls zu verringern. Die Verringerung der Wirkfläche des Mittelbutzens bei Verwendung eines Materials mit höherem Sättigungswert geht einher mit der Erhöhung des Sättigungswerts und beträgt beispielsweise 0,4T/1,5T bei Verwendung eines Materials mit 1,5T im Vergleich zur Verwendung eines Materials mit 0,4T. Die Verringerung des Mittelbutzendurchmessers geht auch mit einer Verringerung der Außenabmessungen des Bauelements einher, was erlaubt kleinere und materialsparendere und damit kostengünstigere Gehäuse zu verwenden.
Die effektive Länge der Wicklung ergibt sich durch die Anzahl der Windungen und die Länge der jeweiligen Wicklung. Bei einem durch den schlankeren Mittelbutzen möglichen geringeren Innendurchmesser der Wicklung wird deshalb die Gesamtlänge des Drahtes der Wicklung reduziert. Dies wiederum bewirkt eine Verringerung des für die Wicklung verwendeten Materials, beispielsweise Kupfer, sodass eine ressourcenschonende Herstellung und Verwendung des induktiven Bauelements gesichert ist. Zur Reduzierung der Kosten und zum Erreichen von Vorteilen für das induktive Bauelement tragen deshalb nicht nur die verringerten Kosten für den magnetischen Kern bei, sondern auch die geringeren Kosten für die Wicklung. Andererseits werden die elektrischen Eigenschaften des induktiven Bauelements verbessert, weil die geringere Gesamtlänge des Drahtes der Wicklung die Verluste in der Wicklung reduziert und die Effizienz des induktiven Bauelements erhöht.
Es ist bei dem induktiven Bauelement vorteilhaft, den Mittelbutzen mit Hilfe von ferromagnetischem Pulvermaterial zu formen und die restlichen Teile des Kerns aus Ferritmaterial. Durch den hohen Sättigungswert des so geschaffenen Mittelbutzens wird das Sättigungsverhalten des Kerns insgesamt optimiert und der magnetische Fluss durch den Mittelbutzen kann sich auf die angrenzenden Teile des Kerns aus Ferritmaterial optimal verteilen. Um einen optimalen Übergang des Flusses von dem Mittelbutzen zu den angrenzenden Kernteilen zu erreichen, wird der Mittelbutzen in seiner Form angepasst, zum Beispiel durch einen zentralen Teil mit geringem Durchmesser, der sich zum Übergang zum angrenzenden Ferritmaterial im Fußbereich des Mittelbutzens vergrößert. Der Durchmesser und die Dicke des Übergangsteils hängen von den Grenzwerten der magnetischen Sättigung der beiden ferromagnetischen Materialien ab.
Ein derartiger Übergangsteil zwischen dem Mittelbutzen und den angrenzenden anderen Kernteilen ist aus demselben Material wie das Material im Zentralteil des Mittelbutzens, also beispielsweise aus Pulvermaterial. Das Übergangsteil hat den Vorteil, dass es wie ein Flansch wirkt und in der Lage ist, die Wicklung seitlich zu führen. Somit erfüllt das Übergangsteil eine Flanschfunktion, die ähnlich wie die Funktion eines Flansches eines Wicklungsträgers ist. Dieses flanschartige Übergangsteil kann denselben äußeren Durchmesser wie die Wicklung haben. Bei Standardkernformen, beispielsweise einem P- oder X-Kern, ist deshalb ein separater Wicklungsträger nicht notwendig. Allerdings ist es bei einem derartigen Mittelbutzen mit endseitiger Flanschfunktion notwendig, den Mittelbutzen und den Flansch elektrisch gegen die Wicklung zu isolieren. Dazu werden der Mittelbutzen und der Flansch mit einem isolierenden Material geringer Dicke beschichtet oder die Spulenwicklungen selbst isoliert. Dieses isolierende Beschichtungsmaterial auf den Elementen des Mittelbutzens weist keine oder allenfalls eine geringe Permeabilität auf und bewirkt, dass die Isolation auf den Stirnseiten des Mittelbutzens Teilluftspalte bildet. Die Beschichtung des Mittelbutzens kann beispielsweise 0,2mm dick sein, was eine übliche Beschichtungsdicke ist. Durch die Beschichtung wird ein Luftspalt zwischen dem Mittelbutzen und den anderen Kernteilen gebildet.
In einer Ausführungsform, bei der der Mittelbutzen aus Scheiben unterschiedlichen Materials geformt ist, ist vorgesehen, scheibenförmiges magnetisches Material, beispielsweise mit ferromagnetischem Pulver, zu verwenden und zwischen den aus diesem Material angeordneten Scheiben andere Scheiben aus Material ohne oder mit geringer Permeabilität anzuordnen. Derartige zwischengesetzte Scheiben aus Material ohne oder mit geringer Permeabilität sind darüber hinaus geeignet, die Unterschiede zwischen der Höhe der zentralen Säule bzw. des Mittelbutzens und den äußeren Kernbereichen auszugleichen. Eine weitere Funktion eines derartigen scheibenförmig verteilten Materials ohne oder mit geringer Permeabilität im Mittelbutzen bewirkt einen verteilten Luftspalt. Ferner kann die Gesamtpermeabilität reduziert werden, die Gesamtlänge des Luftspalts verringert und der magnetische Fluss optimiert werden.
Im Fall, dass der Mittelbutzen aus zwei Teilen besteht, die, jeweils aus einem Stück geformt, ein magnetisches Material enthalten, umfasst der fertige aus zwei Kernhälften aufgebaute Kern als Luftspalt den doppelten Isolierabstand zwischen den beiden mittigen Teilen des Mittelbutzens und den jeweiligen Abstand zwischen dem äußeren Teil des Mittelbutzens und den angrenzenden Kernteilen. Durch eine derartige Anordnung wird weiterhin der Streufluss gegenüber einer Anordnung mit nur einem Luftspalt verringert. Eine Verringerung des Streuflusses bedeutet jedoch auch eine Verringerung der Verluste. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Permeabilität verringert ist, umfasst der Mittelbutzen zwei identische oder symmetrische Teile, zwischen denen eine Scheibe aus Material ohne Permeabilität oder mit geringer Permeabilität angeordnet ist. Die Scheibe kann Unterschiede, beispielsweise hinsichtlich Passung, zwischen dem Mittelbutzen und den äußeren Bereichen kompensieren. Ein weiterer Aspekt ist, dass die Scheibe den gesamten Luftspalt in drei Teile aufteilt, nämlich zwei zwischen den Mittelbutzenenden und den anderen Kernbereichen sowie einen zwischen beiden Mittelbutzenteilen, was den Streufluss reduziert.
Das Vorsehen mehrerer Luftspalte, eines Mittelbutzens aus Material mit geringer Permeabilität, beispielsweise aus Eisenpulver, oder die Kombination von Ferritbereichen mit Eisenpulverbereichen als Mittelbutzen reduzieren den Streufluss oder die Verluste. Das Vorsehen mehrerer Luftspalte im Mittelbutzen reduziert den Streufluss, Aufwand und Kosten für das Kühlsystem und erhöht die Leistungsfähigkeit des Bauelements.
Durch einen Aufbau des magnetischen Kerns, bei dem der Mittelbutzen ein Material, z.B. ein ferromagnetisches Pulver, und der äußere Kernteil ein anderes Material, z.B. Ferritmaterial, enthält, ist es möglich, die Gesamtpermeabilität des Kerns zu optimieren. Dies ist möglich, weil ferromagnetisches Pulver, zum Beispiel Eisenpulver, eine Permeabilität zwischen 10 und 50 aufweist, während Ferritmaterial eine Permeabilität im Bereich von 1000 bis 3000 hat. Durch die Verwendung eines anderen Materials für den Kern, z.B. im Mittelbutzen, ist es deshalb möglich, die gesamte Permeabilität der magnetischen Kernanordnung gegenüber einem reinen Ferritkern zu verringern. Gleichzeitig wird es durch eine derartige Anordnung möglich, den gesamten wirksamen Luftspalt zu verteilen und somit den Streufluss und die dadurch bedingten Verluste zu verringern.
Ein induktives Bauelement mit einem magnetischen Kern wie vorgeschlagen hat auch den Vorteil, dass das Temperaturverhalten der gesamten Kernanordnung verbessert werden kann. So hat beispielsweise Ferritmaterial eine Temperaturabhängigkeit mit mehreren Verlustmaxima. Sowohl durch Variationsmöglichkeiten beim Herstellen, z.B. beim Pressen und Sintern des Ferritmaterials, als auch durch die Kombination mit einem anderen ferromagnetischen Material, z.B. Pulvermaterial, lässt sich die gesamte Temperaturabhängigkeit der vorgeschlagenen Kernanordnung verbessern. Die Permeabilität kann von der Temperatur abhängen. Ferritmaterialien können beispielsweise zwei Spitzen haben, die durch Variation des Herstellungsprozesses verschoben werden können. Die Optimierung kann sowohl auf den Mittelbutzen als auch auf die anderen Kernbereiche gerichtet sein, wobei die Zielvorgaben der Optimierung, beispielsweise Sättigungswert, Verlust oder Permeabilität, sich für die verschiedenen Kernbereiche unterscheiden können. Durch die Optimierung können die Gesamtpermeabilität, die Größe des Luftspalts und der Streufluss reduziert werden. Eine derartige Optimierung ist bei Kernen, die lediglich aus demselben Material bestehen, nicht möglich.
Der Mittelbutzen kann in unterschiedlichen Ausführungsformen aufgebaut sein und beispielsweise Scheiben unterschiedlichen Materials oder/und ein einheitliches Material enthalten, das sich von dem externen Kernteil unterscheidet. Weiterhin kann der Mittelbutzen endseitig flanschförmig angeformte Teile umfassen. Die einzelnen Teile des Mittelbutzens, die zentral hintereinander entlang einer gemeinsamen Achse angeordnet sind, können miteinander verklebt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, eine zentrale Bohrung für die einzelnen Teile des Mittelbutzens vorzusehen, sodass diese mit einer entsprechend fluchtenden Bohrung in den externen Kernteilen durch eine Schraube verbunden werden können. Eine derartige Schraube ist insbesondere aus isolierendem Material und ermöglicht es, die gesamte Permeabilität des magnetischen Kreises des induktiven Bauelements weiter zu optimieren. Dies ist beispielsweise möglich, indem der von der Schraube ausgeübte Druck auf das mittlere Loch und somit auf die unterschiedlichen Kernelemente des Mittelbutzens und der äußeren Kernbereiche eingestellt wird. Eine Änderung des von der Schraube ausgeübten Drucks bewirkt eine Änderung des verbleibenden Luftspalts. Insbesondere dann, wenn der Mittelbutzen auch Scheiben ohne oder mit geringer Permeabilität umfasst, ist es möglich, dieses Material so zu wählen, dass es mechanisch flexibel ist. Als Materialien kommen insbesondere Plastik und Silikon in Frage, so dass sich durch den von der Schraube ausgeübten Druck quasi eine federnde Funktion ergibt. Der von der Schraube ausgeübte Druck auf die Kernteile kann beispielsweise mit einem Drehmomentschlüssel eingestellt werden.
In dem Fall, dass die Mittelsäule Ferrit oder Ferritscheiben enthält, können diese so hergestellt sein, dass das Minimum der Verluste bei höheren Temperaturen auftritt als bei dem davon verschiedenen Ferritmaterial des äußeren Kernteils. Deshalb können die Temperaturen des Mittelbutzens in diesem Fall höher sein als die Temperaturen des äußeren Kernteils. Dadurch werden bessere Kühlungsbedingungen für die Kernanordnung bereit gestellt, da der Mittelbutzen nur durch Wärmeleitung gekühlt werden kann, während die gesamte Kernanordnung auch durch Konvektion oder eine Gebläsekühlung gekühlt werden kann. Andererseits können derartige Ferritscheiben des Mittelbutzens auch mit einem Material mit höherer Sättigung Bs als die äußeren Kernteile hergestellt sein. Die Anpassung der Ferritmaterialien der Kernbereiche an deren Betriebstemperaturen, um die Verluste zu reduzieren, kann durch Anpassung des Drucks, der Temperatur und des Sinterprofils beim Sintern der Bereiche erfolgen. Eine derartige Variation des Herstellungsprozesses für verschiedene Kernbereiche ist bei einem einteiligen Kern nicht möglich. Ein weiterer Ansatz ist die Verwendung von Material mit geringer Permeabilität, beispielsweise Eisenpulver, für die Herstellung des Mittelbutzens, was den Durchmesser reduziert, damit die effektive Windungslänge, das Volumen des Materials für die Wicklung und letztlich die Verluste reduziert werden. Die Kombination der verschiedenen Materialien der verringerten Abmessungen und der geringeren Leiterlänge optimiert die Verluste hinsichtlich des magnetischen Materials und der Windungen im Vergleich zu einem Bauteil mit einteiligem Kern, was auch die Effizienz vergrößert und die Kosten reduziert.
Eine Optimierung hinsichtlich des Sättigungswerts kann durch die Verwendung verschiedener magnetischer Materialien für die verschiedenen Kernteile erreicht werden. Beispielsweise können die Ferritscheiben im Mittelbutzen aus einem Material mit höherem Sättigungswert angepasst an die Betriebstemperatur gefertigt sein. Die Betriebstemperatur des Mittelbutzens ist höher als die der äußeren Kernbereiche; erstere liegt beispielsweise im Bereich von 100 Grad Celsius, letztere im Bereich von 80 Grad Celsius. Bei Ferritmaterial vergrößert sich der Sättigungswert mit sinkender Temperatur. Beispielsweise erhöht sich der Sättigungswert bei einem Temperaturabfall zwischen Mittelbutzen und äußerem Kernbereich um ungefähr 20mT bei einem üblichen Ferritmaterial.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich anhand der Figuren der Zeichnung. Gleiche funktionale Elemente sind dabei durch gleiche Bezugszeichen dargestellt.
Es zeigen:

1 ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel einer Drossel mit scheibenförmig aufgebautem Mittelbutzen und verteiltem Luftspalt bei einem P-Kern,
2 ein nicht erfindungsgemäßes Beispiel einer Drossel mit X-Kern und scheibenförmig aufgebautem Mittelbutzen mit verteiltem Luftspalt,
3 eine Drossel mit einer Mittelsäule und einem endseitig angeordneten Flansch,
4 eine Drossel mit einer Mittelsäule mit endseitigem Flansch und der Funktion eines Wicklungsträgers und
5 ein Detail des Verlaufs der magnetischen Flussdichte im Übergangsbereich von dem Mittelbutzen mit endseitigem Flansch zu externen Kernbereichen.

Obwohl die Ausführungsbeispiele Querschnitte von Drosseln zeigen, versteht es sich von selbst, dass statt Drosseln auch Transformatoren oder Übertrager einen entsprechenden Aufbau haben können. Ebenso können unterschiedliche Kernformen vorgesehen sein, beispielsweise mit P- oder X-Form oder als Topf- oder Schalenkerne. Als X-Kern wird dabei eine Kernform verstanden, die angrenzend an den Mittelbutzen mindestens vier radialförmig auseinanderlaufende Jochbereiche umfasst, an denen endseitig jeweils ein Schenkel in Richtung des Mittelbutzens angebracht ist. P- und X-Kerne haben eine kompakte Form mit geringer Störwirkung.
Gemäß dem Querschnitt der 1 ist ein P-Kern aus zwei gegeneinander gesetzten Kernteilen 1a und 1b aufgebaut, die Ferritmaterial umfassen können. Mittig innerhalb des Kerns ist ein Butzen angeordnet, der scheibenförmig aus unterschiedlichen Materialien aufgebaut ist. So enthält der Mittelbutzen Scheiben 2, die entweder ferromagnetisches Pulver oder ein Ferritmaterial enthalten, das unterschiedlich zu dem Ferritmaterial des äußeren Kernteils 1a, 1b ist. Zwischen den Scheiben 2 ist ein Material 3 mit keiner oder nur mit geringer Permeabilität angeordnet. Alternativ sind dies Scheiben aus dem genannten Material 3, vorteilhafterweise flexibel, oder es ist eine Isolationsbeschichtung der ferromagnetischen Scheiben 2. Zwischen dem Mittelbutzen und den äußeren Kernteilen ist die Wicklung 5 angeordnet. Die gesamte Anordnung des induktiven Bauelements wird durch eine Schraube 4 in einem durchgehenden Loch 6 zusammengehalten, die die äußeren Kernteile sowie den Mittelbutzen miteinander verbindet. Durch Druck, den die Presskraft der Schraube auf den äußeren Kernteil und den Mittelbutzen ausübt, wird der Luftspalt, der sich auf die Bereiche mit keiner oder mit geringer Permeabilität zwischen den ferromagnetischen Scheiben und dem äußeren Kernbereich verteilt, eingestellt.
2 zeigt eine Drosselanordnung, bei der ein X-Kern verwendet ist. Die Anordnung zeigt zwei äußere Kernhälften 1a und b, die Ferritmaterial umfassen können, sowie ferromagnetische Scheiben 2 des Mittelbutzens, die voneinander durch ein Material 3 mit keiner oder mit geringer Permeabilität oder alternativ durch eine Isolationsbeschichtung getrennt sind. Zwischen dem Schichtaufbau des Mittelbutzens und den äußeren Kernteilen 1a beziehungsweise 1b ist die Wicklung 5 der Drossel angeordnet. Sämtliche Teile des Kerns werden durch eine Schraube 4 in einem Durchgangsloch 6 zusammengehalten und geführt, mit der sich die Presskraft auf die Elemente des Magnetkerns einstellen lassen. Auch in diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich ein räumlich verteilter Luftspalt.
3 zeigt eine Drossel mit einem P- oder einem X-Kern, bei der die externen Hälften 1a und 1b Ferrit enthalten. Der zentrale Mittelbutzen enthält zwei Teile 2, die endseitig zu den externen Kernbereichen einen Flansch 7 enthalten. Der Mittelbutzen kann Eisenpulver umfassen. Der Flansch 7 bewirkt, dass einerseits der magnetische Fluss von dem Mittelbutzen zu den äußeren Kernteilen besser verteilt wird und andererseits, dass die Wicklung 5 zumindest teilweise geführt ist.
Die Isolation der Wicklung 5 gegenüber dem Kern 1a und 1b ist insbesondere als isolierte Wicklung oder als isolierende Beschichtung des Mittelbutzens ausgeführt. Im letzteren Fall wird es möglich, die Wicklung direkt in den Zwischenbereich zwischen Mittelbutzen und externen Kernteilen aufzubringen. Die Isolationsbeschichtung des Mittelbutzens erfüllt dabei gleichzeitig die Aufgabe, den Luftspalt der Drossel zu verteilen auf den zentralen Bereich zwischen den Mittelbutzenhälften und die beiden äußeren Flanschbereiche. Dadurch ergeben sich verbesserte Verlustbedingungen für die Drossel, so dass insgesamt eine Drossel kleinerer Bauform und gleichzeitig verbesserten Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Drosseln erreicht wird. In einem Ausführungsbeispiel kann zwischen den Teilen 2 des Mittelbutzens eine Scheibe aus flexiblem Material (in 3 nicht gezeigt) vorgesehen sein, deren Permeabilität gering oder Null ist. Auf Grund der Flexibilität der Scheibe wirkt diese als Feder. Durch die Schraube kann, die Flexibilität der Scheibe nutzend, der Abstand zwischen den Teilen 2 des Mittelbutzens variiert werden.
Gemäß 4 ist eine Anordnung mit P- oder X-Kernform gezeigt, die sich von der 3 dadurch unterscheidet, dass die flanschförmigen Bereiche 7, die endseitig zwischen den Mittelbutzenteilen 2 und den externen Kernteilen 1a und 1b angeordnet sind, sich von der zentralen Bohrung 6 mit der Führungsschraube 4 hin zu den externen Kernteilen erstrecken. Dies ermöglicht es, die Wicklung 5 vollständig in dem durch die Flansche gebildeten Bereich anzuordnen und so auf einen separaten Wicklungsträger für die Wicklung zu verzichten. Die stufenförmig vergrößerten Durchmesser des Mittelbutzens 2 wirken als Übergangsbereich zur Verteilung des Flusses und zum Halten der Wicklung 5. Zusammen geben der Mittelteil des Mittelbutzens 2 und die Stufen so die Form der Wicklung 5 vor.
5 zeigt schematisch den Übergang des Magnetflusses vom Mittelbutzen 2 über den endseitig an diesen Mittelbutzen 2 angeordneten Flansch hin zu den externen Kernteilen. Wie rein schematisch an Hand der Pfeile 8 dargestellt, ist der im Mittelbutzen 2 sehr große magnetische Fluss im Übergangsbereich des Flansches 7 bereits verringert und verteilt, sodass eine Anpassung an den im äußeren Ferritteil 1 des Kerns vorhandenen Fluss gewährleistet ist. In einem Ausführungsbeispiel umfasst der Mittelbutzen 2 Eisenpulver; die anderen Teile des Kerns umfassen Ferritmaterial. Der Übergangsbereich optimiert den Flussübergang zwischen den Teilen, bei dem es erforderlich ist, den Fluss vom Mittelbutzen 2 mit höherem Sättigungswert auf Grund des Eisenpulvers zum Ferritmaterial mit geringerem Sättigungswert zu verteilen. Die Dicke und der Durchmesser des Übergangsbereichs hängen vom Verhältnis der Sättigungswerte im Mittelbutzen 2 und den anderen Kernteilen ab.
Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b: Kernteil
2: Mittelbutzen
3: Material
4: Schraube
5: Wicklung
6: Loch
7: Flansch
8: Pfeil

Claims

Induktives Bauelement mit einer Wicklung und einem Kern, umfassend einen Mittelbutzen (2) und endseitig an den Mittelbutzen (2) angrenzende äußere Kernteile (1a, 1b), bei dem die äußeren Kernteile (1a, 1b) Schenkel und Jochbereiche aufweisen, die die Schenkel mit dem Mittelbutzen (2) verbinden, bei dem der Kern eine Mehrzahl von Kernbereichen (1, 2) umfasst, die unterschiedliche magnetische Materialien enthalten, bei dem der Mittelbutzen (2) ein von einem magnetischen Material der äußeren Kernteile (1a, 1b) verschiedenes magnetisches Material umfasst, und bei dem der Mittelbutzen (2) einen Zentralteil und eine flanschförmige Ausformung (7) aufweist, wobei die flanschförmige Ausformung (7) endseitig an einen der Jochbereiche angrenzt und die flanschförmige Ausformung (7) dasselbe magnetische Material wie der Zentralteil aufweist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die unterschiedlichen magnetischen Materialien unterschiedliche magnetische Eigenschaften aufweisen.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dessen magnetische Kerneigenschaften verschieden sind von den magnetischen Kerneigenschaften, die jedem einzelnen der unterschiedlichen magnetischen Materialien zugeordnet sind.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Mittelbutzen (2) mit den äußeren Kernteilen (1a, 1b) durch Kleben oder Verschrauben verbunden ist.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mittelbutzen (2) ein ferromagnetisches Pulver und die äußeren Kernbereiche Ferrit enthalten.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mittelbutzen (2) mehrere als Scheiben geformte Schichten aus magnetischem Material enthält.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die scheibenförmigen magnetischen Materialien des Mittelbutzens (2) mit einer isolierenden Beschichtung (3) versehen sind.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein flexibles Material (3) mit geringer oder keiner Permeabilität zwischen Bereichen aus Material mit höherer Permeabilität (2) angeordnet ist.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Mittelbutzen (2) zweiteilig ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 9, bei dem der Mittelbutzen zwei Teile (2) aus Material mit höherer Permeabilität hat, zwischen denen eine Scheibe aus flexiblem Material mit geringer oder keiner Permeabilität angeordnet ist.