DE102013112325B4 - Toroidal coil and manufacturing process for a toroidal coil - Google Patents
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Abstract
Ringspule mit mindestens einem Leiter, der schraubenlinienförmig um einen ringförmigen Kernbereich (2) gewunden verläuft und der eine rechteckige äußere Form mit Längsseitenflächen (12, 14) und relativ zu diesen schmaleren Querseitenflächen (13, 15) aufweist, wobei der Leiter ein Hohlleiter (1) ist, der derart tordiert ist, dass an der Innenseite des Kernbereichs (2) die schmaleren Querseitenflächen (13, 15) und an der Außenseite des Kernbereichs (2) die Längsseitenflächen (12, 14) des Hohlleiters (1) an dem Kernbereich (2) anliegen.Ring coil with at least one conductor which runs helically around an annular core region (2) and which has a rectangular outer shape with longitudinal side surfaces (12, 14) and narrower transverse side surfaces (13, 15) relative to these, the conductor being a waveguide (1 ), which is twisted in such a way that on the inside of the core area (2) the narrower transverse side surfaces (13, 15) and on the outside of the core area (2) the longitudinal side surfaces (12, 14) of the waveguide (1) on the core area ( 2) apply.
Description
Die Erfindung betrifft eine Ringspule mit mindestens einem Leiter, der schraubenlinienförmig um einen ringförmigen Kernbereich gewunden verläuft und eine rechteckige äußere Form mit Längsseitenflächen und relativ zu diesen schmaleren Querseitenflächen aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Herstellungsverfahren für eine derartige Ringspule.The invention relates to a toroidal coil with at least one conductor which runs helically around an annular core area and has a rectangular outer shape with longitudinal side surfaces and narrower transverse side surfaces relative to these. The invention further relates to a manufacturing method for such a toroidal coil.
Spulen finden insbesondere als Drosselspulen vielfältige Verwendung in der Leistungselektronik. In Wechselrichtern beispielsweise, die der Umwandlung von Gleichstrom in einen zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz geeigneten Wechselstrom dienen, werden Drosselspulen als Energiezwischenspeicher in Gleichspannungswandlern eingesetzt sowie als Teil von ausgangsseitigen Filtern.Coils are used in a variety of ways in power electronics, particularly as choke coils. In inverters, for example, which are used to convert direct current into alternating current suitable for feeding into a power supply network, choke coils are used as energy buffers in DC-DC converters and as part of filters on the output side.
Um die zur Energiespeicherung benötigten Induktivitätswerte zu erzielen, wurden bislang bevorzugt Drosseln mit einem Kern aus einem hoch permeablen Material, beispielsweise aus Eisen oder Ferit verwendet. Mit dem Einsatz zunehmend höherer Taktfrequenzen von Leistungshalbleitern in den Wechselrichtern kann bei den Drosselspulen zunehmend auf das hoch permeable Kernmaterial verzichtet werden und die Drosselspulen können als sogenannte Luftspulen ausgebildet werden. Zur Minimierung etwaiger magnetischer Streufelder werden dabei bevorzugt Ringspulen, auch Toroidspulen genannt, eingesetzt. Bei einer Ringspule wird mindestens ein Leiter schraubenlinienförmig um einen ringförmigen Kernbereich gewickelt. Der ringförmige Kernbereich kann beispielsweise die Form eines Torus haben, bei dem der Ring ebenso kreisförmig ist wie der Querschnitt des Kerns bei einem Schnitt des Rings in einer bezüglich des Rings radialen Richtung.In order to achieve the inductance values required for energy storage, chokes with a core made of a highly permeable material, for example iron or ferrite, have so far been preferred. With the use of increasingly higher clock frequencies of power semiconductors in the inverters, the highly permeable core material can increasingly be dispensed with in the choke coils and the choke coils can be designed as so-called air coils. To minimize any magnetic stray fields, ring coils, also known as toroidal coils, are preferably used. In a toroidal coil, at least one conductor is wound helically around an annular core area. The annular core region can, for example, have the shape of a torus, in which the ring is as circular as the cross section of the core when the ring is cut in a direction radial with respect to the ring.
Eine Ringspule mit einem Leiter, der einen rechteckigen Querschnitt aufweist, ist beispielsweise aus der Druckschrift
Ein Nachteil von Ringspulen gegenüber Spulen mit einem graden Kern, so genannten Stabspulen, ist, dass im inneren Bereich der Ringspule weniger Wickelraum für die Leiter zur Verfügung steht als im äußeren Bereich der Spule, bei dem der Kern einen größeren Umfang hat als im inneren Bereich.A disadvantage of toroidal coils compared to coils with a straight core, so-called bar coils, is that there is less winding space available for the conductors in the inner area of the toroidal coil than in the outer area of the coil, where the core has a larger circumference than in the inner area .
Um den zur Verfügung stehenden Wickelraum bestmöglich auszunutzen, ist aus der Druckschrift
Aus der Druckschrift
Mit steigender Frequenz verringert sich zudem die Eindringtiefe elektrischer Ströme in einem verwendeten Leitermaterial. Effektiv trägt damit nur noch ein Teil des verwendeten Leitermaterials zur Stromleitung bei. Die Verwendung von massiven Leitern (Vollleitern) führt in diesem Fall zu einem unnötig hohen Materialeinsatz, der mit erhöhtem Gewicht und mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Zudem erhöhen sich Verluste durch Wirbelströme bei der Verwendung von Vollleitern. Alternativ ist es bekannt, anstelle eines Vollleiters ein Bündel von gegeneinander isolierten Leiterlitzen zu verwenden, wodurch die Verluste durch Wirbelströme reduziert werden können. Allerdings ergeben sich bei Verwendung von einem Leiterlitzenbündel zusätzliche Schwierigkeiten in der Verarbeitung der Leiter, insbesondere aufgrund der die einzelnen Litzen gegeneinander isolierenden Isolationsschichten, die zu Problemen bei der Kontaktierung der Leiterlitzen auf Leiterplatten führen. Zudem sind die Leiterlitzen nicht formstabil, was die Erstellung einer Luftspule erschwert.As the frequency increases, the penetration depth of electrical currents in a conductor material used also decreases. Effectively, only a portion of the conductor material used contributes to the power line. In this case, the use of solid ladders (solid ladders) leads to an unnecessarily high use of materials, which is associated with increased weight and additional costs. In addition, losses due to eddy currents increase when using solid conductors. Alternatively, it is known to use a bundle of conductor strands that are insulated from each other instead of a solid conductor, whereby the losses caused by eddy currents can be reduced. However, when using a stranded conductor bundle, additional difficulties arise in the processing of the conductors, in particular due to the insulation layers that insulate the individual strands from one another, which lead to problems when contacting the stranded conductors on circuit boards. In addition, the conductor strands are not dimensionally stable, which makes it difficult to create an air coil.
Aus der Druckschrift
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ringspule zu schaffen, die für hohe Frequenzen geeignet ist, geringe Wirbelströme und geringe elektromagnetische Streufelder und einen im Hinblick auf das eingesetzte Leitermaterial geringen ohmschen Widerstand bei hohen Frequenzen aufweist. Zudem soll ein geringer Raumverbrauch, also eine hohe volumenspezifische Induktivität erzielt werden. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Luftspulen mit komplexen Geometrien zu schaffen, mit dem die zuvor genannten Luftspulen erstellt werden können.It is an object of the present invention to create a toroidal coil that is suitable for high frequencies, has low eddy currents and low stray electromagnetic fields and has a low ohmic resistance at high frequencies with regard to the conductor material used. In addition, a low space consumption, i.e. a high volume-specific inductance, should be achieved. It is a further object to provide a method for producing air coils with complex geometries, with which the aforementioned air coils can be created.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ringspule und ein Verfahren zur Herstellung einer Ringspule mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This task is solved by a toroidal coil and a method for producing a toroidal coil with the respective features of the independent claims. Advantageous refinements and further developments are the subject of the dependent claims.
Eine erfindungsgemäße Ringspule der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass der Leiter ein Hohlleiter ist, der derart tordiert ist, dass an der Innenseite des Kernbereichs die schmaleren Querseitenflächen und an der Außenseite des Kernbereichs die Längsseitenflächen des Hohlleiters an dem Kernbereich anliegen. Durch die Torsion wird erreicht, dass der Leiter an einer Außenseite des Kernbereichs eine erste Querschnittsfläche und an einer Innenseite des Kernbereichs eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei sich die erste und die zweite Querschnittsfläche im Hinblick auf ihre zum Kernbereich tangentiale Ausrichtung unterscheiden. Sowohl im inneren, als auch im äußeren Bereich der Ringspule können die einzelnen Windungen des Hohlleiters damit eng benachbart zueinander liegen, was Streufelder minimiert.A toroidal coil according to the invention of the type mentioned at the outset is characterized in that the conductor is a waveguide which is twisted in such a way that the narrower transverse side surfaces of the waveguide rest on the inside of the core region and the longitudinal side surfaces of the waveguide rest on the core region on the outside of the core region. The torsion ensures that the conductor has a first cross-sectional area on an outside of the core area and a second cross-sectional area on an inside of the core area, the first and second cross-sectional areas differing with regard to their orientation tangential to the core area. Both in the inner and outer areas of the toroidal coil, the individual turns of the waveguide can lie close to one another, which minimizes stray fields.
Durch die Ausbildung des Leiters als Hohlleiter wird der geringen Eindringtiefe des Stroms bei hohen Frequenzen Rechnung getragen. Das für die Spule verwendete Leitermaterial wird effektiv für die Stromleitung bei hohen Frequenzen genutzt, wodurch Material und Gewicht eingespart werden. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Querschnittsfläche des Hohlleiters im Innen- und Außenbereich der Spule lässt sich der Hohlleiter optimal an die Form des Kernbereichs anpassen, wodurch der zur Verfügung stehende Wickelraum besonders gut ausgenutzt werden kann. Die Querschnittsflächen können sich dabei in verschiedener Hinsicht voneinander unterscheiden: bezüglich ihrer Form, ihrem Flächeninhalt oder, falls die Form grundsätzlich gleich ist, in ihrer Ausrichtung im Raum relativ zum Kernbereich.By designing the conductor as a waveguide, the shallow penetration depth of the current at high frequencies is taken into account. The conductor material used for the coil is effectively used for power conduction at high frequencies, saving material and weight. Due to the different properties of the cross-sectional area of the waveguide in the inside and outside of the coil, the waveguide can be optimally adapted to the shape of the core area, which means that the available winding space can be used particularly well. The cross-sectional areas can differ from each other in various respects: in terms of their shape, their surface area or, if the shape is fundamentally the same, in their orientation in space relative to the core area.
Der ringförmige Kernbereich kann sich dabei entlang eines Kreises, einer Ellipse oder eines Ovals erstrecken. Auch in einer Richtung senkrecht zu seiner Erstreckung kann der Kern beispielsweise einen runden, ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweisen.The annular core area can extend along a circle, an ellipse or an oval. The core can also have a round, oval or elliptical cross section, for example, in a direction perpendicular to its extension.
Die Ringspule kann als Luftspule ausgebildet sein, also keinen eigentlichen Kern aus einem magnetisch wirksamen Material aufweisen. Alternativ kann ein ringförmiger Kern vorgesehen sein, der den Kernbereich ganz oder teilweise ausfüllt. Bevorzugt wird ein Kernmaterial mit einer hohen magnetischen Permeabilität eingesetzt.The toroidal coil can be designed as an air coil, i.e. not have an actual core made of a magnetically active material. Alternatively, an annular core can be provided which completely or partially fills the core area. A core material with a high magnetic permeability is preferably used.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Ringspule ist das Verhältnis der Breiten der Längsseitenflächen zu den Querseitenflächen dem Verhältnis von einem äußeren zu einem inneren Durchmesser des Kernbereichs angepasst. Auf diese Weise kann der Wickelraum bestmöglich ausgefüllt werden.In a further advantageous embodiment of the toroidal coil, the ratio of the widths of the longitudinal side surfaces to the transverse side surfaces is adapted to the ratio of an outer to an inner diameter of the core region. In this way, the changing room can be filled as best as possible.
In jedem Fall kann die Variation der Form oder der Dimensionierung des Hohlleiters so erfolgen, dass er entlang seiner Länge eine konstante Materialquerschnittsfläche aufweist. Es wird dadurch erreicht, dass der Hohlleiter entlang seiner Längserstreckung eine konstante Stromtragfähigkeit und einen konstanten Widerstand pro Längeneinheit aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Ringspule verläuft in dem zumindest einen Hohlleiter ein weiterer Leiter. Bevorzugt ist der weitere Leiter ebenfalls ein Hohlleiter. Das Prinzip eines Leiters in einem Hohlleiter kann rekursiv weiter fortgesetzt werden, indem mehrere Hohlleiter z.B. konzentrisch ineinandergeschachtelt werden. Der Wickelraum kann so noch besser ausgenutzt werden. Es versteht sich, dass auch mehrere Leiter in dem zumindest einen Hohlleiter verlaufen können. Je nach Verschaltung des oder der Leiter bzw. Hohlleiter untereinander und mit dem mindestens einen umfassenden Hohlleiter sind damit verschiedenste elektrische Eigenschaften der Ringspule erzielbar, beispielsweise eine weiter erhöhte Induktivität durch Parallel- oder Reihenschaltung der Leiter, eine transformatorische Wirkung durch separaten Betrieb der Leiter oder auch eine dynamische Einstellbarkeit der Induktivität durch gezieltes Einspeisen von Kompensationsströmen in mindestens einen der Leiter bei Verwendung eines anderen der Leiter als Arbeitswicklung.In any case, the shape or dimensioning of the waveguide can be varied in such a way that it has a constant material cross-sectional area along its length. This is achieved by the waveguide having a constant current-carrying capacity and a constant resistance per unit length along its longitudinal extent.
In a further advantageous embodiment of the toroidal coil, a further conductor runs in the at least one waveguide. The further conductor is preferably also a waveguide. The principle of a conductor in a waveguide can be continued recursively, for example by nesting several waveguides concentrically one inside the other. The changing room can be used even better. It goes without saying that several conductors can also run in the at least one waveguide. Depending on the connection of the conductor or waveguides to one another and to the at least one comprehensive waveguide, a wide variety of electrical properties of the toroidal coil can be achieved, for example a further increased inductance by connecting the conductors in parallel or series, a transformative effect through separate operation of the conductors or even a dynamic adjustability of the inductance by specifically feeding compensation currents into at least one of the conductors when using another of the conductors as a working winding.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Ringspule mit mindestens einem schraubenlinienförmig um einen torusförmigen Kernbereich gewunden Hohlleiters, der derart tordiert ist, dass an der Innenseite des Kernbereichs die schmaleren Querseitenflächen und an der Außenseite des Kernbereichs die Längsseitenflächen des Hohlleiters an dem Kernbereich anliegen, wird der mindestens eine Hohlleiter in einem generativen Fertigungsverfahren, insbesondere additiv aufgebaut.In a method according to the invention for producing a toroidal coil with at least one waveguide wound helically around a toroidal core region, which is twisted in such a way that the narrower transverse side surfaces of the waveguide rest against the core region on the inside of the core region and the long side surfaces of the waveguide rest on the outside of the core region at least one waveguide in a generative manufacturing process, in particular constructed additively.
Ein geeignetes generatives Fertigungsverfahren ist beispielsweise ein Laser-Sinter- oder Laser-Aufschmelzverfahren, bei dem der Leiter aus einem Pulver, insbesondere einem Metallpulver, aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei bevorzugt schichtweise, jedoch besonders bevorzugt nicht in Richtung der Längserstreckung des Leiters, sondern schichtweise im Hinblick auf die Ringspule.A suitable generative manufacturing process is, for example, a laser sintering or laser melting process, in which the conductor is constructed from a powder, in particular a metal powder. The construction is preferably carried out in layers, but particularly preferably not in the direction of the longitudinal extent of the conductor, but in layers with regard to the toroidal coil.
Das generative Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung von Ringspulen mit Leitergeometrien, die in konventionellen Verfahren nicht oder nur sehr aufwändig herstellbar sind. Dazu gehören insbesondere Ringspulen, bei denen der Leiter ein Hohlleiter ist und/oder entlang seiner Längserstreckung variierende Querschnitte aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit besonders zur Herstellung einer der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ringspulen geeignet.The generative manufacturing process enables the production of toroidal coils with conductor geometries that cannot be produced using conventional processes or can only be produced with great effort. These include, in particular, toroidal coils in which the conductor is a waveguide and/or has cross-sections that vary along its longitudinal extent. The method according to the invention is therefore particularly suitable for producing one of the toroidal coils according to the invention described above.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden zudem Abstandselemente aus einem bevorzugt elektrisch isolierenden Material zwischen verschiedene Abschnitte des Leiters eingebracht. Bevorzugt werden die Abstandselemente additiv aufgebaut. Dabei können beispielweise keramische Materialien mit demselben Fertigungsverfahren wie der Leiter aufgebaut werden. Alternativ können insbesondere Kunststoffe für die Abstandselemente verwendet werden, die in einem 3-dimensionalen Druckverfahren aufgebaut werden können. Auf diese Weise können zwischen einzelnen Windungen des Hohlleiters elektrisch isolierende Abstandselemente eingebracht werden, durch die der Abstand der einzelnen Windungen zueinander weiter reduziert werden kann. Auch können Abstandselemente in einen Hohlleiter eingearbeitet werden, die der Fixierung und elektrischen Isolierung von weiteren Leitern, die in den Hohlleiter eingebracht sind, dienen. Grundsätzlich können die Abstandselemente auch aus demselben elektrisch leitenden Material wie der Leiter aufgebaut werden, sofern die Abstandselemente derart klein gegenüber den Dimensionen des Leiters dimensioniert werden, dass ihr Einfluss auf die elektromagnetischen Eigenschaften der Ringspule insgesamt vernachlässigbar ist.In an advantageous embodiment of the method, spacer elements made of a preferably electrically insulating material are also introduced between different sections of the conductor. The spacer elements are preferably constructed additively. For example, ceramic materials can be constructed using the same manufacturing process as the conductor. Alternatively, plastics in particular can be used for the spacer elements, which can be constructed using a 3-dimensional printing process. In this way, electrically insulating spacer elements can be introduced between individual turns of the waveguide, through which the distance between the individual turns from one another can be further reduced. Spacer elements can also be incorporated into a waveguide, which serve to fix and electrically insulate other conductors that are inserted into the waveguide. In principle, the spacer elements can also be constructed from the same electrically conductive material as the conductor, provided that the spacer elements are dimensioned so small compared to the dimensions of the conductor that their overall influence on the electromagnetic properties of the toroidal coil is negligible.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
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1 eine isometrische Ansicht einer Ringspule in einem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 eine isometrische Schnittansicht der Spule aus1 ; -
3 eine isometrische Ansicht einer isoliert dargestellten Windung der Spule aus1 und -
4 eine isometrische Ansicht auf eine Querschnittsfläche eines Hohlleiters einer Ringspule in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
1 an isometric view of a toroidal coil in a first exemplary embodiment; -
2 an isometric sectional view of thecoil 1 ; -
3 an isometric view of an isolated winding of thecoil 1 and -
4 an isometric view of a cross-sectional area of a waveguide of a toroidal coil in a second exemplary embodiment.
Im Rahmen der Anmeldung kann anstelle eines kreisförmigen Kernbereichs auch ein Kernbereich ausgebildet sein, der die Form einer Ellipse oder eines Ovals oder eines beliebig anders geformten, ein zentrale Öffnung umlaufend umgebenen Körpers haben. In einer radialen Richtung, also einer Richtung die von der Mitte der zentralen Öffnung radial nach außen verläuft, kann der ringförmige Kernbereich ebenfalls eine andere Querschnittsfläche haben als die eines Kreises wie bei dem in
Bei der in
Der verwendete Hohlleiter 1 hat einen äußeren rechteckigen Querschnitt und ist derart tordiert, dass er im äußeren Bereich mit seiner Längsseitenfläche tangential am ringförmigen Kernbereich 2 anliegt und im inneren Bereich, zur zentralen Öffnung der Ringspule hin mit einer gegenüber der Längsseitenfläche schmaleren Querseitenfläche tangential am Kernbereich 2 anliegt.The
Die Torsion des Hohlleiters 1 ist anhand von
In dem Schnittbild der
Im Verlaufe eines jeden der in der
In einer Weiterbildung der dargestellten Ringspule kann vorgesehen sein, ein Kühlmittel durch den Hohlleiter zu führen. Dazu können im Bereich der Anschlüsse 3 der Ringspule entsprechende Kühlmittelanschlüsse vorgesehen sein. Als Kühlmittel kann Luft oder ein anderes Gas oder auch eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise entionisiertes Wasser, verwendet werden.In a further development of the toroidal coil shown, provision can be made for a coolant to be guided through the waveguide. For this purpose, corresponding coolant connections can be provided in the area of the
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Hohlleiter 1 bezüglich seines äu-ßeren wie auch seines inneren Querschnitts rechteckförmig, so dass sich eine im Wesentlichen rahmenförmige Querschnittsfläche ergibt. Durch das Innere des Hohlleiters 1 sind weitere Leiter 5, hier drei weitere Leiter 5, geführt. Diese weiteren Leiter 5 können wie in der
Die weiteren Leiter 5 können parallel geschaltet sein und durch ein hier nicht sichtbares Isolationsmittel voneinander elektrisch isoliert innerhalb des Hohlleiters 1 positioniert und fixiert sein. Die weiteren Leiter 5 können einzeln aus der Ringspule herausgeführt und extern verschaltet werden. Es ist auch denkbar, dass die weiteren Leiter 5 untereinander und/oder mit dem Hohlleiter 1 bereits innerhalb der Ringspule verschaltet sind, beispielsweise parallel geschaltet oder in Serie geschaltet oder teils parallel und teils in Serie geschaltet. Dabei sind auch Verschaltungsoptionen denkbar, bei denen der Hohlleiter 1 als Abschirmung für die weiteren Leiter 5 dient.The
Bei den in den
Bei den in den
Bei einer weiteren, nicht erfindungsgemäßen Ringspule ist es möglich, dass sowohl die erste als auch die zweite Querschnittsfläche kreisringförmig sind, wobei die erste, im äußeren Bereich der Ringspule liegende Querschnittsfläche einen größeren äußeren Durchmesser aufweist als die zweite Querschnittsfläche, die im Innenbereich der Spule liegt. Dabei ändert sich jedoch die Wandstärke des Hohlleiters periodisch derart, dass der Hohlleiter bei einem kleineren äußeren Durchmesser eine größere Wandstärke hat als bei größerem äußerem Durchmesser. Das Zusammenspiel von äußerem Durchmesser und Wandstärke kann dabei derart erfolgen, dass der Hohlleiter an jeder Stelle entlang seiner Länge die gleiche Materialquerschnittsfläche aufweist. Die für die Stromleitung zur Verfügung stehende Fläche ist also entlang des gesamten Hohlleiters gleich groß.In a further toroidal coil not according to the invention, it is possible for both the first and second cross-sectional areas to be circular, with the first cross-sectional area located in the outer region of the toroidal coil having a larger outer diameter than the second cross-sectional area located in the inner area of the coil . However, the wall thickness of the waveguide changes periodically in such a way that the waveguide has a larger wall thickness with a smaller outer diameter than with a larger outer diameter. The interaction between outer diameter and wall thickness can take place in such a way that the waveguide has the same material cross-sectional area at every point along its length. The area available for the power line is therefore the same size along the entire waveguide.
Grundsätzlich kann die Herstellung einer der zuvor beschriebenen Ringspulen in einer konventionellen Wickeltechnik erfolgen. Der Hohlleiter kann dabei mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium druckbeaufschlagt werden, um ein Kollabieren des Hohlleiters beim Wickelvorgang zu verhindern. Alternativ ist es auch denkbar, ein granulares oder festes Medium, beispielsweise einen aushärtenden Kunststoff, zu diesem Zweck in den Hohlleiter einzubringen. Ein eingebrachter Feststoff oder nach dem Einbringen ausgehärteter Stoff kann durch Temperaturänderung und/oder ein chemisches Lösungsmittel nach dem Wickelvorgang wieder entfernt werden.In principle, one of the ring coils described above can be produced using a conventional winding technology. The waveguide can be pressurized with a liquid or gaseous medium in order to prevent the waveguide from collapsing during the winding process. Alternatively, it is also conceivable to introduce a granular or solid medium, for example a hardening plastic, into the waveguide for this purpose. An introduced solid or substance that has hardened after introduction can be removed again after the winding process by changing the temperature and/or a chemical solvent.
Mit steigender Komplexität der Wickelgeometrie, insbesondere wenn sich der Querschnitt des Hohlleiters periodisch ändert und unter Umständen grundsätzlich unterschiedliche Formen annimmt, ist eine konventionelle Fertigung, bei der der Leiter zuvor erstellt und dann in einem Wickelvorgang zur Spule gewickelt wird, nicht mehr möglich.As the complexity of the winding geometry increases, especially when the cross section of the waveguide changes periodically and under certain circumstances takes on fundamentally different shapes, conventional production, in which the conductor is created beforehand and then wound into a coil in a winding process, is no longer possible.
Erfindungsgemäß sieht ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Ringspule mit einer gegebenenfalls komplexen Geometrie vor, die Spule in einem generativen Fertigungsverfahren, insbesondere in einem additiven Fertigungsverfahren herzustellen. Als ein generatives Fertigungsverfahren wird ein Verfahren angesehen, bei dem ein Objekt nicht durch mechanische Umformung erzeugt wird, sondern in der gewünschten Form meist Schicht für Schicht aufgebaut wird. Generative Fertigungsverfahren finden beispielsweise im Bereich des „rapid prototyping“ Anwendung.According to the invention, a manufacturing method for a toroidal coil according to the invention with an optionally complex geometry provides for the coil to be manufactured in a generative manufacturing process, in particular in an additive manufacturing process. A generative manufacturing process is seen as a process in which an object is not created through mechanical forming, but rather is built up in the desired shape, usually layer by layer. Generative manufacturing processes are used, for example, in the area of “rapid prototyping”.
Zur Erstellung einer Ringspule in einem derartigen generativen Herstellungsverfahren wird die Spule Schicht für Schicht aufgebaut und zwar bevorzugt nicht entlang der Längserstreckung des Leiters, sondern Schicht für Schicht in einer Ebene, die parallel zur lateralen Ersteckungsebene des kernförmigen Bereichs der Ringspule liegt.To create a toroidal coil in such a generative manufacturing process, the coil is built up layer by layer, preferably not along the longitudinal extent of the conductor, but layer by layer in a plane that is parallel to the lateral extension plane of the core-shaped region of the toroidal coil.
Als geeignetes additives Verfahren kann beispielsweise ein Lasersinter-Verfahren (z.B. Direct Metal Sintering - DMLS oder Selective Laser Sintering - SLS) oder ein Laser-Aufschmelzverfahren (Selective Laser Melting - SLM) verwendet werden. Bei diesen Verfahren werden der Leiter und gegebenenfalls Anschlüsse der Ringspule, ein Kern oder weitere Leiter aus einem Metallpulver Schicht für Schicht aufgebaut. Das Pulver wird dazu großflächig aufgetragen, beispielsweise in einem Rakelverfahren, und dann lokal an den Stellen, an denen nachher der Leiter, ein Anschluss oder ein weiterer Leiter ausgebildet sein sollen, durch lokale Hitzeanwendung mithilfe eines Laserstrahls mit der unterliegenden, bereits aufgebauten Schicht verbunden. Leiter, auch Hohlleiter mit beliebigen Querschnitten, auch sich kontinuierlich verändernden Querschnitten, können auf diese Weise aufgebaut werden. Auch Ringspulen mit ineinander verlaufenden Hohlleitern lassen sich fertigen.For example, a laser sintering process (e.g. Direct Metal Sintering - DMLS or Selective Laser Sintering - SLS) or a laser melting process (Selective Laser Melting - SLM) can be used as a suitable additive process. In these processes, the conductor and, if necessary, connections of the toroidal coil, a core or other conductors are built up layer by layer from a metal powder. For this purpose, the powder is applied over a large area, for example using a squeegee method, and then locally connected to the underlying, already built-up layer by applying local heat using a laser beam at the points where the conductor, a connection or another conductor is to be formed. Conductors, including waveguides, with any cross-sections, including continuously changing cross-sections, can be constructed in this way. Ring coils with waveguides running into one another can also be manufactured.
Weitere geeignete generative Fertigungsverfahren sind ein selektives Aufschmelzen durch einen Elektronenstrahl (Selective Electron Beam Melting - SEBM) oder das Laserauftragsschweißen.Other suitable generative manufacturing processes include selective melting using an electron beam (Selective Electron Beam Melting - SEBM) or laser deposition welding.
Das Verfahren zum Aufbau des Hohlleiters, also beispielsweise das Lasersinter- oder Laser-Aufschmelzverfahren, kann mit einem Verfahren zum schichtweisen abscheiden von nicht leitenden Elementen, insbesondere Kunststoffen, beispielsweise einem drei-dimensionalen Druckverfahren kombiniert werden, um in die Ringspule zwischen den einzelnen Windungen des Hohlleiters elektrisch isolierende Abstandselemente einzubringen. Auf gleiche Weise können Abstandselemente in den Hohlleiter eingearbeitet werden, die der Fixierung und elektrischen Isolierung von weiteren Leitern, die in den Hohlleiter eingebracht sind, dienen.The process for constructing the waveguide, for example the laser sintering or laser melting process, can be combined with a process for depositing non-conductive elements, in particular plastics, in layers, for example a three-dimensional printing process, in order to be inserted into the toroidal coil between the individual turns of the Waveguide electrically insulated to introduce spacer elements. In the same way, spacer elements can be incorporated into the waveguide, which serve to fix and electrically insulate other conductors that are inserted into the waveguide.
In dem Hohlleiter und/oder den Anschlüssen sowie gegebenenfalls weiteren, im Hohlleiter verlaufenden Leitern kann auch ein den Kernbereich ganz oder teilweise ausfüllender Kern in einem generativen Herstellungsverfahren gefertigt werden. Beim Herstellen der Ringspule „wächst“ dann der Kern mit dem ihn später umgebenden Hohlleiter.A core that completely or partially fills the core region can also be manufactured in the waveguide and/or the connections and, if necessary, other conductors running in the waveguide in a generative manufacturing process. When the toroidal coil is manufactured, the core “grows” with the waveguide that later surrounds it.
Bei Herstellung in einem generativen Verfahren können gezielt Durchbrüche in dem Hohlleiter 1 eingearbeitet werden, um bei dem Herstellungsverfahren nicht gesintertes oder aufgeschmolzenes Metallpulver, aus dem der Hohlleiter 1 gebildet ist, leichter aus dem Hohlleiter entfernen zu können. Die Durchbrüche in den Wandungen des Hohlleiters können zudem einer besseren Kühlung durch einen Luftstrom dienen.During production in a generative process, openings can be specifically incorporated into the
Es versteht sich, dass die anmeldungsgemäßen Ringspulen auch in Form eines Transformators aufgebaut werden können, bei dem mehrere Leiter um einen gemeinsamen Kernbereich gewunden sind.It goes without saying that the ring coils according to the application can also be constructed in the form of a transformer in which several conductors are wound around a common core area.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- HohlleiterWaveguide
- 22
- KernbereichCore area
- 33
- AnschlussConnection
- 44
- Montage- und/oder KontaktmittelAssembly and/or contact means
- 55
- weiterer Leiter another leader
- 1010
- erster Querschnittfirst cross section
- 1111
- zweiter Querschnittsecond cross section
- 12, 1412, 14
- LängsseitenflächenLong side surfaces
- 13, 1513, 15
- QuerseitenflächenTransverse side surfaces
- 1616
- Wandungwall
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-
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