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Die Erfindung betrifft einen Spulenkörper zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter und ein induktives elektrisches Bauelement, insbesondere einen Transformator oder eine Drossel. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen induktiven elektrischen Bauelements.
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Bei einer Anzahl von induktiven Bauelementen, beispielsweise bei Transformatoren, Spulen oder Drosseln, wird ein elektrischer Leiter meist in Form eines Drahtes um einen rechteckigen oder zylindrischen Rohrabschnitt eines Spulenkörpers gewickelt. Wenn der Draht von höherfrequentem Wechselstrom durchflossen wird, bewirkt der Skineffekt, dass die Stromdichte im Inneren des Leiters niedriger als an der Oberfläche ist. Aufgrund des Skineffekts ist es bei manchen induktiven Bauelementen notwendig, Litzendraht zu verwenden. Der elektrische Leiter ist dabei aus dünnen Einzeldrähten gebildet.
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Zum Zuführen eines Stroms beziehungsweise zum Anlegen einer Spannung an den elektrischen Leiter können an dem Spulenkörper Kontaktierungselemente angeordnet sein. Das induktive Bauelement kann an den Kontaktierungselementen beispielsweise auf eine Leiterplatine aufgelötet werden. Damit das an eines der Kontaktierungselemente angelegte elektrische Signal dem elektrischen Leiter zugeführt werden kann, muss der auf dem Spulenkörper aufgewickelte Leiter mit dem Kontaktierungselement verbunden werden.
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Die Druckschrift
US 2008/0100407 A1 betrifft eine Spulenanordnung mit einem Spulenkörper zum Bewickeln mit elektrischen Leitern. An den Seiten des Spulenkörpers sind Flansche und Kontaktierungsvorrichtungen mit Klemmeinrichtungen zum Klemmen der elektrischen Leiter und Kontaktierungselemente zum Anlegen einer Spannung die elektrischen Leiter vorgesehen.
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Die Druckschrift
US 2009/0212896 A1 zeigt ein elektrisches Bauteil mit einer Spulenanordnung, an deren Unterseite Kontaktierungselemente vorgesehen sind. Die Kontaktierungselemente weisen jeweils eine Klemmeinrichtung auf, an der ein elektrischer Leiter festgeklemmt werden kann.
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Es ist wüschenswert, einen Spulenkörper zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter anzugeben, bei dem der elektrische Leiter auf einfache und zuverlässige Weise mit dem Kontaktierungselement des Spulenkörpers zum Anlegen eines elektrischen Signals verbunden ist. Des Weiteren wird ein induktives elektrisches Bauelement, insbesondere ein Transformator oder eine Drossel, angegeben, bei dem ein auf einem Spulenkörper aufgewickelter Draht auf einfache und zuverlässige Weise mit einem Kontaktierungselement des Spulenkörpers verbunden ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen induktiven elektrischen Bauelements angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Spulenkörpers zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter ist im Patentanspruch 1 angegeben.
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Ein Spulenkörper zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter umfasst ein Kontaktierungselement zum Anlegen eines elektrischen Signals an den elektrischen Leiter und eine Klemmeinrichtung, an der der elektrische Leiter im Klemmsitz fixierbar ist. Die Klemmeinrichtung ist elektrisch mit dem Kontaktierungselement verbunden.
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Die Klemmeinrichtung des Spulenkörpers umfasst mindestens einen verbiegbaren Schenkel und ein Trägerelement, das als eine Trägerschiene ausgebildet sein kann. Der mindestens eine verbiegbare Schenkel ist an dem Trägerelement angeordnet. Zum Fixieren des elektrischen Leiters an der Klemmeinrichtung kann der elektrische Leiter zunächst in die Klemmeinrichtung eingelegt werden. Der elektrische Leiter kann durch Verbiegen des mindestens einen verbiegbaren Schenkels zwischen dem mindestens einen verbiegbaren Schenkel und dem Trägerelement eingeklemmt werden. Die Klemmeinrichtung kann beispielsweise als eine U-förmige Schiene beziehungsweise als eine U-förmige Lasche ausgebildet sein, wobei der elektrische Leiter durch ein Zusammendrücken der seitlichen Schenkel zwischen den verbiegbaren Schenkel und dem Trägerelement eingeklemmt ist. Die verbiegbaren Schenkel der Klemmeinrichtung können nach dem Verbiegen beispielsweise dreieckförmig angeordnet sein.
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Der Spulenkörper umfasst einen Wickelkörper, auf dem der elektrische Leiter aufwickelbar ist, und einen Flansch, der seitlich an dem Wickelkörper angeordnet ist. Das Trägerelement der Klemmeinrichtung ist an dem Flansch befestigt, wohingegen die verbiegbaren Schenkel mit dem Trägerelement verbunden, nicht jedoch an dem Flansch fixiert sind. Dadurch lassen sich die Schenkel ohne hohen Kraftaufwand zusammendrücken, um den elektrischen Leiter zu klemmen.
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Der elektrische Leiter ist nach dem Zusammenquetschen der Schenkel der Klemmeinrichtung in der Klemmeinrichtung mechanisch fixiert und kann bündig am Ende der Klemmeinrichtung gekürzt werden. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, kann der elektrische Leiter ein leitfähiges Material aufweisen, das von einer äußeren Isolationsschicht, beispielsweise einer Lackschicht, umgeben ist. Nach dem Kürzen des Leiters entsteht eine Fläche, an der das elektrisch leitfähige Material des Leiters frei zugänglich ist. Die am abgetrennten Ende des elektrischen Leiters vorhandene Fläche des leitfähigen Materials des Leiters zeigt gute Benetzungseigenschaften, sodass ein Lötmaterial zuverlässig am elektrisch leitfähigen Material des elektrischen Leiters und an der Klemmeinrichtung anhaften kann.
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Um einen elektrischen Kontakt zwischen dem zunächst isolierten elektrischen Leiter und der Klemmeinrichtung herzustellen, muss die Isolationsschicht um das leitfähige Material des Leiters entfernt werden. Das Entfernen der Isolierung kann durch einen Lötprozess erfolgen. Durch die Hitze des Lötmaterials schmilzt die äußere Isolationsschicht. Über das Lötmaterial entsteht somit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem leitfähigen Material des elektrischen Leiters und der Klemmeinrichtung.
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Beim Aufbringen des erhitzten Lötmaterials an dem Bereich, an dem der elektrische Leiter gekürzt ist, hat das Lötmaterial direkten Kontakt mit dem elektrisch leitfähigen Material des Leiters. Die Wärmezufuhr zu der Isolationsschicht erfolgt somit einerseits durch Einwirkung des erhitzten Lötmaterials auf die Isolationsschicht des Leiters von außen und andererseits vom Inneren des elektrischen Leiters durch Wärmeausbreitung über das leitfähige Material des Leiters ausgehend von dem getrennten Ende des elektrischen Leiters. Dadurch kann die Wärmezufuhr deutlich verbessert werden und die zum Abtrennen beziehungsweise Abschmelzen der Isolationsschicht notwendige Temperatur des Lotes kann reduziert werden.
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Das geschmolzene Material der Isolationsschicht läuft entlang der Klemmeinrichtung, sodass ein explosionsartiges Verdampfen der Isolationsschicht in einem Lötbad vermieden wird. Des Weiteren kann das Auftreten von Lötperlen somit wesentlich reduziert werden.
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Eine Ausführungsform eines induktiven elektrischen Bauelements, insbesondere eines Transformators oder einer Drossel, umfasst einen Spulenkörper nach den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Der elektrische Leiter ist auf dem Spulenkörper angeordnet. Der elektrische Leiter ist an einem Endabschnitt im Klemmsitz an der Klemmeinrichtung fixiert.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven elektrischen Bauelements umfasst das Bereitstellen eines Spulenkörpers nach einem der oben genannten Ausführungsformen. Der Spulenkörper wird mit dem elektrischen Leiter bewickelt. Der elektrische Leiter wird in die Klemmeinrichtung eingelegt. Die Klemmeinrichtung wird derart verbogen, dass der elektrische Leiter an einem Endabschnitt des Leiters im Klemmsitz an der Klemmeinrichtung gehalten wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines Spulenkörpers zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter,
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2 eine weitere Ausführungsform eines Spulenkörpers zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter,
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3 eine Ausführungsform eines induktiven elektrischen Bauelements mit einem Spulenkörper zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter,
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4 eine Ausführungsform einer Klemmeinrichtung des Spulenkörpers mit einem darin fixierten elektrischen Leiter.
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1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform eines Spulenkörpers 10' zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter. Der Spulenkörper weist einen Wickelkörper 400' auf, um den der elektrische Leiter aufwickelbar ist. Seitlich am Wickelkörper 400' ist ein breiterer Flansch 500' und ein schmälerer Flansch 600' angeordnet. An dem breiteren Flansch 500' kann ein Kontaktierungselement 100' zum Anlegen eines elektrischen Signals an den elektrischen Leiter angeordnet sein. Das Kontaktierungselement 100' weist einen Endabschnitt E100'a und einen Endabschnitt E100'b auf, die im Inneren des Flansches 500' miteinander verbunden sind. Der Endabschnitt E100'a ist dazu ausgebildet, ein elektrisches Signal an das Kontaktierungselement anzulegen.
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Zum Verbinden des elektrischen Leiters mit dem Kontaktierungselement 100' kann ein Ende des elektrischen Leiters um den Endabschnitt E100'b des Kontaktierungselements gewickelt werden. Das Kontaktierungselement 100' ist an dem Endabschnitt E100'b als ein Anschlussstift beziehungsweise Pin ausgebildet, um den das Ende eines abisolierten elektrischen Leiters gewickelt werden kann. Durch die Verbindung der Endabschnitte E100'b und E100'a ist der elektrische Leiter somit auch mit dem Endabschnitt E100'a des Kontaktierungselements verbunden, der den eigentlichen Kontaktanschluss zum Anlegen eines elektrischen Signals darstellt.
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Bei der in 1 gezeigten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform des Spulenkörpers 10' entsteht beim Bewickeln des Endabschnitts E100'b mit dem elektrischen Leiter in Form eines Litzendrahts eine große Anhäufung der Drähte und damit auch eine Anhäufung von Lackisolation, die die Einzeldrähte umgibt. Um die Isolationsschicht zuverlässig von den Drähten zu entfernen und somit eine leitfähige Verbindung zwischen dem Kontaktierungselement und den Drähten des elektrischen Leiters zu realisieren, kann eine Lötung im Lötbad vorgenommen werden. Durch Kontakt mit dem erhitzten Lötmaterial schmilzt die Isolationsschicht, so dass das elektrisch leitfähige Material über das Lötmaterial mit dem Kontaktierungselement 100' elektrisch leitend verbunden ist.
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Zum Abschmelzen der Isolationsschicht sind relativ hohe Temperaturen notwendig beziehungsweise ein mehrmaliges Eintauchen der Kontaktierungspins mit den bewickelten Drähten in das Lötbad. Beim Eintauchen der um die Endabschnitte E100'b gewickelten Drähte des elektrischen Leiters in das Lötmaterial des Lötbades kann die Isolationsschicht explosionsartig verdampfen, sodass Lötmaterial aus dem Lotbad herausgeschleudert wird. Dadurch können Lötperlen am Spulenkörper 10' entstehen. Des Weiteren besteht die Gefahr eines zwischen den Drähten des elektrischen Leiters entstehenden Kurzschlusses durch zu hoch aufsteigendes Lotmaterial.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Spulenkörpers 10 zum Bewickeln mit einem elektrischen Leiter. Als Leiter kann beispielsweise ein Festdraht oder ein Litzendraht aus mehreren Einzeldrähten verwendet werden, der um einen Wickelkörper des Spulenkörpers gewickelt wird. Der Wickelkörper 400 ist in 3 zu erkennen. Seitlich am Wickelkörper kann ein breiterer Flansch 500 und ein schmälerer Flansch 600 angeordnet sein. Der Spulenkörper weist ein Kontaktierungselement 100 zum Anlegen eines elektrischen Signals an den elektrischen Leiter auf. Das Kontaktierungselement kann als ein oberflächenmontierbarer Kontaktanschluss oder als ein durchsteckbarer Kontaktanschluss ausgebildet sein.
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Des Weiteren umfasst der Spulenkörper eine Klemmeinrichtung 200, in die der elektrische Leiter einlegbar ist. Die Klemmeinrichtung 200 ist derart ausgebildet, dass der elektrische Leiter an der Klemmeinrichtung im Klemmsitz fixierbar ist. Die Klemmeinrichtung 200 ist elektrisch mit dem Kontaktierungselement 100 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Kontaktierungselement 100 und der Klemmeinrichtung 200 kann im Inneren des Flansches 500 vorgesehen sein.
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In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Spulenkörper 10 mehrere Kontaktierungselemente 100, die an der Unterseite des Flansches 500 angeordnet sind, und mehrere Klemmeinrichtungen 200, die an der Oberseite des Flansches angeordnet sind, auf. Die Klemmeinrichtungen und die Kontaktierungselemente sind an der gleichen Seitenfläche des Flansches 500 angeordnet. Die zu einem Kontaktierungselement 100 zugehörige Klemmeinrichtung 200 kann an dem Spulenkörper senkrecht über dem Kontaktierungselement angeordnet sein. Das Kontaktierungselement 100 und die Klemmeinrichtung 200 ragen seitlich aus dem Flansch 500 des Spulenkörpers hervor.
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Die Klemmeinrichtung 200 kann mindestens einen verbiegbaren Schenkel, der an einem Trägerelement der Klemmeinrichtung angeordnet ist, aufweisen. Der elektrische Leiter ist durch ein Verbiegen des mindestens einen verbiegbaren Schenkels zwischen dem Schenkel und dem Trägerelement einklemmbar. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform des Spulenkörpers ist jede der Klemmeinrichtungen 200 beispielsweise als eine U-förmige Schiene beziehungsweise U-förmige Lasche ausgebildet. Jede Klemmeinrichtung 200 umfasst verbiegbare Schenkel 210, 220 und ein Trägerelement 230. Das Trägerelement 230 kann als eine Trägerschiene ausgeführt sein. Die verbiegbaren Schenkel 210, 220 sind an dem Trägerelement 230 seitlich angeordnet.
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Das Trägerelement 230 ist an dem Flansch 500 des Spulenkörpers 10 befestigt. Das Trägerelement 230 kann beispielsweise einen Abschnitt aufweisen, der in dem Flansch 500 des Spulenkörpers eingegossen ist und einen weiteren Abschnitt, der aus dem Flansch 500 herausragt. Die verbiegbaren Schenkel 210 und 230 können als aus dem Flansch 500 herausragende Abschnitte ausgeführt sein, die lediglich mit dem Trägerelement 230 nicht unmittelbar jedoch mit dem Flansch 500 verbunden sind.
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Dadurch können die seitlichen Schenkel 210, 220 auf einfache Weise zusammengequetscht werden.
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Um das Einlegen des elektrischen Leiters in die Klemmeinrichtungen 200 zu erleichtern, sind in dem Flansch 500 des Spulenkörpers 10 Vertiefungen 300 vorgesehen. Jede der Vertiefungen 300 kann in dem Flansch 500 unmittelbar vor einer der Klemmeinrichtungen 200 angeordnet sein. Die Vertiefungen weisen jeweils eine Bodenfläche 330, die zwischen Seitenwänden 310 und 320 des Flansches angeordnet ist, auf. Die Bodenfläche 330 kann als eine schiefe Ebene geformt sein, die von einem Ende E300a, an dem die Klemmeinrichtung 200 aus dem Flansch 500 herausragt, bis zu einem entgegengesetzten Ende E300b ansteigt.
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3 zeigt ein induktives elektrisches Bauelement 1 mit dem Spulenkörper 10, dem Wickelkörper 400 und den beiden seitlich angeordneten Flanschen 500 und 600. Das induktive elektrische Bauelement kann beispielsweise als ein Transformator oder eine Drossel ausgebildet sein. Im dargestellten Beispiel sind an einer Seite des Flansches mehrere Kontaktierungselemente 100 und mehrere Klemmeinrichtungen 200 vorgesehen. Kontaktierungselemente und Klemmeinrichtungen können entsprechend auch an der gegenüberliegenden Seite des Flansches vorgesehen sein.
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In jeder der Klemmeinrichtungen 200 ist ein elektrischer Leiter in Form eines Litzendrahtes 21 beziehungsweise in Form eines Massivdrahtes 22 eingelegt. Die elektrischen Leiter 21 und 22 gehören beispielsweise zu einer Primär- und Sekundärwicklung, wenn das induktive elektrische Bauelement als ein Transformator ausgebildet ist. Die elektrischen Leiter 21 und 22 können horizontal oder vertikal übereinander auf dem Wickelkörper 400 aufgewickelt und durch eine Isolatorschicht voneinander getrennt sein. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist die Umwicklung der elektrischen Leiter um den Wickelkörper 400 in 3 nicht dargestellt.
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Die elektrischen Leiter sind jeweils in den Vertiefungen 300 des Flansches 500 eingelegt und werden durch die Vertiefungen in die Klemmeinrichtungen 200 geführt. Die Klemmeinrichtungen können beispielsweise jeweils als U-förmige Schiene beziehungsweise U-förmige Lasche ausgebildet sein. Um die elektrischen Leiter in den Klemmeinrichtungen zu fixieren, sind die seitlichen Schenkel 210 und 220 der Klemmeinrichtungen aufeinander zugebogen, sodass die Schenkel 210 und 220 zusammen mit dem Trägerelement 230 dreieckförmig gebogen sind. Die elektrischen Leiter sind dadurch im Klemmsitz zwischen den Schenkeln 210, 220 und dem Trägerelement 230 einer jeden Klemmeinrichtung gehalten.
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Die elektrischen Leiter 20 ragen am Ende einer jeden Klemmeinrichtung aus der Klemmeinrichtung hervor. Nachdem die elektrischen Leiter durch Zusammenquetschen der Seitenschenkel 210, 220 in den Klemmeinrichtungen mechanisch fixiert sind, kann der aus den Klemmeinrichtungen jeweils herausragende Endabschnitt E20 der elektrischen Leiter 20 bündig zum Ende der jeweiligen Klemmeinrichtung gekürzt beziehungsweise begradigt werden.
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4 zeigt die in den Klemmeinrichtungen 200 im Klemmsitz gehaltenen elektrischen Leiter 21 beziehungsweise 22 nach dem Kürzen ihrer jeweiligen Enden. Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform sind die Klemmeinrichtungen an dem Flansch des Spulenkörpers tiefer als bei der in 3 dargestellten Ausführungsform angeordnet. Somit sind an der Seitenfläche des Flansches 500 Öffnungen vorgesehen, an denen die Klemmeinrichtungen aus dem Flansch 500 hervorragen.
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Die elektrischen Leiter 20 können im Inneren ein elektrisch leitfähiges Material 30 aufweisen, das von einer Isolationsschicht 31 umgeben ist. Um eine elektrische Verbindung zwischen dem elektrisch leitfähigen Material 30 eines elektrischen Leiters 20 und der Klemmeinrichtung 200, in der der Leiter eingeklemmt ist, herzustellen, wird die Isolationsschicht 31 an denjenigen Bereichen, an denen der Leiter in der Klemmeinrichtung 200 fixiert ist, entfernt. Das Entfernen der Isolationsschicht kann durch ein Abbrennen der Isolationsschicht 31 erfolgen. Dazu kann erhitztes Lötmaterial auf ein Ende E20 eines elektrischen Leiters aufgebracht werden.
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Nach dem Abtrennen des elektrischen Leiters entsteht an dem Ende E20 der Einzeldrähte 21 beziehungsweise des Massivdrahtes 22 eine Fläche aus leitfähigem Material, beispielsweise eine Fläche aus blankem Kupfer, die bezüglich des Lötmaterials gute Benetzungseigenschaften aufweist. Die Wärmezufuhr zum Abschmelzen der Isolationsschicht 31 erfolgt durch das erhitzte Lötmaterial. Dabei wirkt die von dem erhitzten Lötmaterial abgegebene Wärme von außen auf die Isolationsschicht ein. Des Weiteren breitet sich die Wärme ausgehend von den getrennten Enden des elektrischen Leiters über das elektrisch leitfähige Material, beispielsweise das Kupfer, aus und wirkt somit auch vom Inneren des elektrischen Leiters auf die äußere Isolationsschicht ein. Dadurch kann die Lötbadtemperatur, die zum Abschmelzen der Isolationsschicht notwendig ist, reduziert werden.
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Nach dem Abschmelzen der Isolationsschicht läuft das geschmolzene Material der Isolierung im Inneren der Klemmeinrichtungen. Daher tritt ein explosionsartiges Verdampfen des Materials der Isolationsschicht im Lötbad deutlich seltener auf, wodurch auch die Ausbildung von Lötperlen am Bauelement reduziert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- induktives elektrisches Bauelement
- 10
- Spulenkörper
- 20
- elektrischer Leiter
- 30
- elektrisch leitfähiges Material
- 31
- Isolationsschicht
- 40
- Lötmittel
- 100
- Kontaktierungselement
- 200
- Klemmeinrichtung
- 210, 220
- biegbare Schenkel der Klemmeinrichtung
- 230
- Trägerelement der Klemmeinrichtung
- 300
- Vertiefung
- 400
- Wickelkörper
- 500, 600
- Flansch
