DE102015210856A1

DE102015210856A1 - Induktives Bauelement

Info

Publication number: DE102015210856A1
Application number: DE102015210856.2A
Authority: DE
Inventors: Jose Manuel Rocamora Sempere; Markus Stark
Original assignee: Wuerth Elektronik Eisos GmbH and Co KG
Current assignee: Wuerth Elektronik Eisos GmbH and Co KG
Priority date: 2015-06-12
Filing date: 2015-06-12
Publication date: 2016-12-15

Abstract

Ein induktives Bauelement (1) weist einen Kern (2) mit einem Wickelkörper (5) und eine um den Wickelkörper (5) gewickelte Spule (4) auf. Für eine Mantelfläche AW des Wickelkörpers (5) gilt: 1,2·π·Dmin·hW ≤ AW ≤ 8·π·Dmin·hW, wobei π die Kreiszahl, Dmin den minimalen Durchmesser des Wickelkörpers (5) quer zu einer Mittellängsachse (3) und hW eine Länge des Wickelkörpers (5) in Richtung der Mittellängsachse (3) bezeichnet. Durch die vergrößerte Mantelfläche AW werden die magnetischen, elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften des induktiven Bauelements (1) verbessert.

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Induktive Bauelemente in Form von Trommelkern-Spulen sind bekannt. Trommelkern-Spulen weisen einen magnetischen Kern, insbesondere einen Ferritkern auf, der in Form eines Zylinders mit zwei endseitig daran angeordneten Flanschen ausgebildet ist. Der Zylinder stellt einen Wickelkörper bereit, der zur Ausbildung einer Induktivität von einer Spule umwickelt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein induktives Bauelement zu schaffen, das verbesserte magnetische, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein induktives Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der Wickelkörper des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements weist im Vergleich zu einem zylinderförmigen Wickelkörper eine vergrößerte Mantelfläche A_W auf. Durch die vergrößerte Mantelfläche A_W schließen die N Wicklungen der Spule zumindest teilweise eine vergrößerte Querschnittsfläche A_n ein, wodurch eine Induktivität L bei gleicher Wicklungsanzahl N im Vergleich zu einem zylinderförmigen Wickelkörper vergrößert wird. Weiterhin wird durch die vergrößerte Mantelfläche A_W auch das Volumen des Wickelkörpers vergrößert, wodurch der Kern im Vergleich zu einem Kern mit zylinderförmigem Wickelkörper eine höhere Sättigungsflussdichte aufweist. Durch die höhere Sättigungsflussdichte wird die Güte der Induktivität L verbessert, insbesondere bei hohen Frequenzen. Darüber hinaus werden durch die vergrößerte Mantelfläche A_W kerbenartige Übergänge zwischen dem Wickelkörper und den Flanschen vermieden, wodurch einerseits eine homogenere Verteilung der magnetischen Flussdichte (B-Feldverlauf) im Kern entsteht und andererseits die mechanische Festigkeit des Kerns aufgrund der Vermeidung von Kerbspannungen verbessert wird. Der Wickelkörper weist in einem Axialschnitt insbesondere eine Außenform auf, die stetig und differenzierbar ist. Die Außenform weist vorzugsweise genau eine Krümmungsrichtung auf. Die Krümmungsrichtung ändert sich somit nicht. Zusätzlich kann die Außenform geradlinige Abschnitte aufweisen, die bei der Betrachtung der Krümmungsrichtung nicht zu berücksichtigen sind. Der Wickelkörper ist vorzugsweise rotationssymmetrisch zu der Mittellängsachse ausgebildet. Insbesondere ist der Kern rotationssymmetrisch zu der Mittellängsachse ausgebildet.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 2 gewährleistet verbesserte magnetische, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 3 gewährleistet verbesserte magnetische Eigenschaften. Durch das im Vergleich zu einem Zylinder vergrößerte Volumen V_W des Wickelkörpers weist der Kern eine hohe Sättigungsflussdichte auf.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 4 gewährleistet verbesserte magnetische und/oder mechanische Eigenschaften. Durch den Winkel α wird eine homogene Verteilung der magnetischen Flussdichte im Kern gewährleistet. Zudem werden Kerben zwischen dem Wickelkörper und endseitig angeordneten Flanschen vermieden, wodurch die mechanische Festigkeit des Kerns verbessert wird.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 5 gewährleistet verbesserte magnetische und/oder elektrische Eigenschaften. Durch die vergrößerte Mantelfläche verlängert sich im Vergleich zu einer um einen zylinderförmigen Wickelkörper gewickelten Spule mit der Wicklungsanzahl N die Drahtlänge, wodurch sich der ohmsche Gleichstromwiderstand der Spule prinzipiell erhöht. Um den ohmschen Gleichstromwiderstand zu erniedrigen, wird der Drahtdurchmesser d erhöht, wodurch der ohmsche Gleichstromwiderstand erniedrigt wird. Eine Erhöhung des Drahtdurchmessers d ist in einfacher Weise möglich, da die vergrößerte Mantelfläche A_W ausreichend Fläche hierfür bereitstellt.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 6 gewährleistet in einfacher Weise einen Wickelkörper mit einer vergrößerten Mantelfläche A_W. Für R ≥ 0,5·h_W weist der Wickelkörper vorzugsweise genau einen rotationssymmetrischen Abschnitt auf, dessen Außenform durch einen Kreisbogen mit dem Radius R gebildet ist. Für R ≤ 0,5·h_W weist der Wickelkörper vorzugsweise genau zwei rotationssymmetrische Abschnitte auf, deren Außenform jeweils durch einen Kreisbogen mit dem Radius R gebildet ist.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 7 gewährleistet in einfacher Weise verbesserte magnetische, elektrische und mechanische Eigenschaften. Der Wickelkörper wird vorzugsweise durch genau einen rotationssymmetrischen Abschnitt gebildet, dessen Außenform durch einen Kreisbogen mit einem Mittelpunktswinkel φ von 180° gebildet ist, so dass gilt: R = 0,5·h_W. Hierdurch gilt für den Winkel α: α = 0°.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 8 gewährleistet verbesserte magnetische, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften. Weist der Wickelkörper genau einen rotationssymmetrischen Abschnitt auf, dessen Außenform durch einen Kreisbogen mit dem Radius R gebildet ist, so nimmt die Mantelfläche A_W mit zunehmendem Mittelpunktswinkel φ zu und der Winkel α mit zunehmendem Mittelpunktswinkel φ ab. Für den Mittelpunktswinkel φ gilt insbesondere: 120° ≤ φ ≤ 180°, insbesondere 135° ≤ φ ≤ 180°, und insbesondere 150° ≤ φ ≤ 180°. Weist der Wickelkörper genau zwei rotationssymmetrische Abschnitte auf, deren Außenform durch einen Kreisbogen mit dem Radius R gebildet ist, so gilt für den jeweiligen Mittelpunktswinkel φ: 85° ≤ φ ≤ 90°, insbesondere 87° ≤ φ ≤ 90°, und insbesondere 89° ≤ φ ≤ 90°.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 9 gewährleistet in einfacher Weise verbesserte magnetische und/oder mechanische Eigenschaften. Durch den minimalen Durchmesser D_min wird ein minimales Volumen des Wickelkörpers festgelegt, das je nach gewünschter Sättigungsflussdichte aufgrund der vergrößerten Mantelfläche vergrößert ist. Durch den minimalen Durchmesser D_min wird zudem die mechanische Festigkeit, insbesondere die Biegefestigkeit des induktiven Bauelements festgelegt.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 10 gewährleistet in einfacher Weise eine vergrößerte Mantelfläche A_W. Der Wickelkörper kann einen Zylinderabschnitt aufweisen, der jedoch eine möglichst geringe Länge h_Z aufweisen sollte, da durch den Zylinderabschnitt selbst die Mantelfläche A_W im Vergleich zu einem zylinderförmigen Wickelkörper nicht vergrößert wird. Jedoch kann es aus fertigungstechnischen und/oder geometrischen Gründen sinnvoll sein, dass der Wickelkörper einen Zylinderabschnitt aufweist. Vorzugsweise gilt: h_Z ≤ 0,5·h_W, insbesondere h_Z ≤ 0,3·h_W, und insbesondere h_Z ≤ 0,1·h_W. Idealerweise gilt: h_Z = 0.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 11 gewährleistet in einfacher Weise verbesserte magnetische, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften. Durch mindestens einen Kegelstumpfabschnitt kann die Mantelfläche A_W des Wickelkörpers in einfacher Weise vergrößert werden. Vorzugsweise weist der Wickelkörper zwei Kegelstumpfabschnitte auf, deren Enden mit geringerem Querschnitt einander zugewandt sind. Die zwei Kegelstumpfabschnitte können beispielsweise durch einen rotationssymmetrischen Abschnitt, dessen Außenform durch einen Kreisbogen des Radius R gebildet ist, miteinander verbunden sein. Die Verbindungsstellen sind insbesondere knick- bzw. kerbenfrei ausgebildet.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 12 gewährleistet in einfacher Weise verbesserte magnetische und/oder elektrische Eigenschaften. Durch die vergrößerte Mantelfläche A_W weist die Spule bei gleichbleibender Wicklungsanzahl N eine vergrößerte Drahtlänge auf, wodurch der ohmsche Gleichstromwiderstand prinzipiell erhöht wird. Durch eine Erhöhung des Drahtdurchmessers d wird der ohmsche Gleichstromwiderstand erniedrigt, so dass das induktive Bauelement eine im Vergleich zu einer Trommelkern-Spule vergrößerte Induktivität L und einen niedrigeren ohmschen Gleichstromwiderstand aufweist. Die Erhöhung des Drahtdurchmessers d ist in einfacher Weise möglich, da die vergrößerte Mantelfläche A_W ausreichend Fläche hierfür bereitstellt.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 13 gewährleistet in einfacher Weise verbesserte magnetische, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften. Der mindestens eine Flansch erhöht einerseits das Volumen des Kerns und gibt andererseits dem Wickelkörper endseitig eine verbesserte mechanische Festigkeit. Der mindestens eine Flansch ist insbesondere scheibenförmig ausgebildet. Vorzugsweise weist der Kern zwei Flansche auf, die jeweils endseitig an dem Wickelkörper angeordnet sind.
Ein induktives Bauelement nach Anspruch 14 gewährleistet verbesserte magnetische und/oder elektrische Eigenschaften. Der Wickelkörper definiert mit seinem minimalen Durchmesser D_min und seinem maximalen Durchmesser D_max einen Aufnahmeraum für die N Wicklungen der Spule. Durch die Wicklungsanzahl N und den Drahtdurchmesser d der Spule können die induktiven und/oder elektrischen Eigenschaften des induktiven Bauelements eingestellt werden. Vorzugsweise ist die Spule einschichtig um den Wickelkörper gewickelt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
1 einen Axialschnitt durch ein induktives Bauelement gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, dessen Wickelkörper durch einen rotationssymmetrischen Abschnitt gebildet ist, wobei eine Außenform des rotationssymmetrischen Abschnitts durch einen Kreisbogen mit dem Radius R gebildet ist,
2 ein Induktivität-Frequenz-Diagramm für verschiedene Wicklungsanzahlen N und verschiedene Drahtdurchmesser d einer Spule des induktiven Bauelements in 1,
3 einen Axialschnitt durch ein induktives Bauelement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, dessen Wickelkörper durch zwei rotationssymmetrische Abschnitte gebildet ist, die durch einen Zylinderabschnitt verbunden sind, wobei eine Außenform der rotationssymmetrischen Abschnitte durch einen Kreisbogen mit dem Radius R gebildet ist,
4 einen Axialschnitt durch ein induktives Bauelement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, dessen Wickelkörper durch zwei Kegelstumpfabschnitte gebildet ist, die durch einen rotationssymmetrischen Abschnitt verbunden sind, wobei eine Außenform des rotationssymmetrischen Abschnitts durch einen Kreisbogen mit dem Radius R gebildet ist,
5 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der magnetischen Flussdichte eines induktiven Bauelements gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, und
6 eine schematische Darstellung eines Verlaufs der magnetischen Flussdichte eines induktiven Bauelements nach dem Stand der Technik.
Nachfolgend ist anhand der 1 und 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Ein induktives Bauelement 1 umfasst einen magnetischen Kern 2 mit einer Mittellängsachse 3 und eine Spule 4. Der magnetische Kern 3 weist einen Wickelkörper 5 für die Spule 4 auf, an dem endseitig zwei Flansche 6, 7 angeordnet sind. Der Kern 2 ist einteilig ausgebildet. Vorzugsweise ist der Kern 2 ein Ferritkern.
Der Wickelkörper 5 hat in Richtung der Mittellängsachse 3 eine Länge h_W sowie quer zu der Mittellängsachse 3 einen minimalen Durchmesser D_min und einen maximalen Durchmesser D_max. Die Flansche 6, 7 sind scheibenförmig ausgebildet. Der maximale Durchmesser D_max entspricht einem Durchmesser D_F der Flansche 6, 7.
Der Wickelkörper 5 wird durch genau einen zu der Mittellängsachse 3 rotationssymmetrischen Abschnitt 8 gebildet, dessen Außenform K in einem Axialschnitt durch die Mittelängsachse 3 durch einen Kreisbogen k mit dem Radius R gebildet ist, wobei für den Radius R gilt: R = 0,5·h_W. Die Außenform K ist stetig und differenzierbar. Weiterhin weist die Außenform K eine einzige Krümmungsrichtung auf. Die Krümmungsrichtung ändert sich somit nicht. Der Kreisbogen k hat einen Mittelpunktswinkel φ, für den gilt: φ = 180°. Der Wickelkörper 5 schließt endseitig mit einer senkrecht zu der Mittellängsachse 3 verlaufenden Ebene E einen Winkel α ein, wobei für den Winkel α gilt: α = 0°. Die Flansche 6, 7 haben jeweils in Richtung der Mittellängsachse 3 eine Länge h_F.
Der Wickelkörper 5 definiert mit seiner Außenform K eine Mantelfläche, die mit A_W bezeichnet ist. Für die Mantelfläche A_W gilt allgemein: A_W = π²·R·(D_min + 2·R) – 4·π·R² (1).
Zu Vergleichszwecken wird ein induktives Bauelement in Form einer Trommelkern-Spule verwendet, deren zylinderförmiger Wickelkörper eine Mantelfläche A_Z hat, wobei für die Mantelfläche A_Z gilt: A_Z = π·D_min·h_W = π·D_min·2·R (2).
Für das Verhältnis der Mantelfläche A_W des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements 1 zu der Mantelfläche A_Z eines herkömmlichen induktiven Bauelements gilt somit:
Der Wickelkörper 5 hat ein Volumen V_W, wobei für das Volumen V_W allgemein gilt:
Zu Vergleichzwecken wird wiederum ein bekanntes induktives Bauelement in Form einer Trommelkern-Spule verwendet, deren zylinderförmiger Wickelkörper ein Volumen V_Z hat, wobei für das Volumen V_Z allgemein gilt:
Für ein Verhältnis des Volumens V_W des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements 1 zu dem Volumen V_Z des bekannten induktiven Bauelements gilt somit:
In den vorangehenden Gleichungen bezeichnet π die Kreiszahl.
Die Spule 4 ist um den Wickelkörper 5 gewickelt. Ein Spulendraht 9 bildet Wicklungen 10 aus, wobei eine Wicklungsanzahl mit N bezeichnet ist. Der Spulendraht 9 weist einen Drahtdurchmesser d auf.
Wie 1 zu entnehmen ist, können die Wicklungen 10 bei dem Wickelkörper 5 entlang einer Länge l_S angeordnet werden, die der Länge des Kreisbogens k entspricht. Für die Länge l_S gilt somit: l_S = π·R (7).
Zu Vergleichszwecken wird wiederum das bekannte induktive Bauelement in Form einer Trommelkern-Spule verwendet, bei dem die Spule entlang einer Länge l_Z angeordnet werden kann, wobei für die Länge l_Z gilt: l_Z = h_W = 2·R (8).
Für das Verhältnis der Länge l_S zu der Länge l_Z gilt somit:
Für eine Induktivität L des induktiven Bauelements 1 gilt allgemein:
In Gleichung (10) bezeichnet μ₀ die magnetische Feldkonstante und μ_R die Permeabilitätszahl des Kernmaterials, also des Materials des Kerns 2. A_n bezeichnet eine von der jeweiligen Wicklung 10 eingeschlossene Fläche. n ist ein Laufindex für die Wicklungsanzahl N. In 1 ist beispielhaft eine der Flächen A_n eingezeichnet.
Zu Vergleichszwecken wird wiederum das bekannte induktive Bauelement in Form einer Trommelkern-Spule verwendet, wobei für deren Induktivität L_Z allgemein gilt:
In Gleichung (11) bezeichnet A die von einer Wicklung eingeschlossene Fläche, wobei die Fläche A für alle Wicklungen konstant ist.
Für einen ohmschen Gleichstromwiderstand R_DC der Spule 4 gilt allgemein:
In Gleichung (12) bezeichnet ρ den spezifischen ohmschen Widerstand des Spulendrahts 9 bzw. des Drahtmaterials und l_W eine Drahtlänge des Spulendrahts 9. d bezeichnet den Drahtdurchmesser.
Wie Gleichung (12) und 1 zu entnehmen ist, nimmt der Gleichstromwiderstand R_DC bei dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement 1 im Vergleich zu einem bekannten induktiven Bauelement mit einem zylinderförmigen Wickelkern zu, wenn eine gleiche Wicklungsanzahl N angenommen wird. Eine Erhöhung des ohmschen Gleichstromwiderstands R_DC wird vermieden, indem der Drahtdurchmesser d erhöht wird. Dies ist bei dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement 1 einfach möglich, da die Länge l_S vergleichsweise größer ist als die Länge l_Z.
2 zeigt ein Induktivität-Frequenz-Diagramm mit Messergebnissen für die Induktivität L in Abhängigkeit der Frequenz f für verschiedene Wicklungsanzahlen N und Drahtdurchmesser d. Weiterhin ist in 2 der zugehörige ohmsche Gleichstromwiderstand R_DC angegeben. Zu Vergleichszwecken ist zudem die Induktivität L_Z einer bekannten Trommelkern-Spule mit dem zugehörigen Gleichstromwiderstand R_DC angegeben. Dem Induktivitäts-Frequenz-Diagramm gemäß 2 liegt ein induktives Bauelement 1 mit folgenden Parametern zugrunde: D_min = 14 mm, D_max = 44 mm, h_W = 30 mm, h_S = 5 mm, R = 15 mm.
Für die Gleichungen (3) und (6) gilt dementsprechend:
Wie 2 zu entnehmen ist, kann durch eine geeignete Wahl der Wicklungsanzahl N und des Drahtdurchmessers d bei dem erfindungsgemäßen induktiven Bauelement 1 im Vergleich zu einer bekannten Trommelkern-Spule die Induktivität L erhöht und der ohmsche Gleichstromwiderstand R_DC erniedrigt werden. Durch das vergrößerte Volumen V_W des Kerns 2 wird zudem die Sättigungsflussdichte erhöht. Die magnetischen und elektrischen Eigenschaften des induktiven Bauelements 1 sind somit verbessert. Darüber hinaus weist der Kern 2 keine Kerben auf, so dass auch die mechanische Festigkeit verbessert ist.
Nachfolgend ist anhand von 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel weist der Wickelkörper 5 zwei rotationssymmetrische Abschnitte 8 und 8', die durch einen Zylinderabschnitt 11 miteinander verbunden sind. Der rotationssymmetrische Abschnitt 8 weist im Axialschnitt eine Außenform auf, die durch einen Kreisbogen k mit dem Radius R gebildet ist, wobei für den Mittelpunktswinkel φ des Kreisbogens k gilt: φ = 90°. Für den Winkel α gilt: α = 0°. Der rotationssymmetrische Abschnitt 8 hat in Richtung der Mittellängsachse 3 eine Länge h_K, die dem Radius R entspricht.
An den rotationssymmetrischen Abschnitt 8 schließt sich der Zylinderabschnitt 11 an. Der Zylinderabschnitt 11 hat in Richtung der Mittellängsachse 3 eine Länge h_Z. Der rotationssymmetrische Abschnitt 8 und der Zylinderabschnitt 11 haben einen identischen minimalen Durchmesser D_min, so dass ein Übergang zwischen dem rotationssymmetrischen Abschnitt 8 und dem Zylinderabschnitt 11 kerbenfrei ist. Im Axialschnitt hat der Zylinderabschnitt 11 eine Außenform, die durch eine achsparallele Gerade g gebildet ist. An den Zylinderabschnitt 11 schließt sich wiederum der rotationssymmetrische Abschnitt 8' an, dessen Außenform durch den Kreisbogen k' mit dem Radius R gebildet ist. Der rotationssymmetrische Abschnitt 8' weist einen Mittelpunktswinkel φ = 90° und in Richtung der Mittellängsachse 3 eine Länge h_K' auf. Die Ausführungen zu dem rotationssymmetrischen Abschnitt 8 gelten für den rotationssymmetrischen Abschnitt 8' entsprechend.
Für die Länge h_W des Wickelkörpers 5 gilt somit: h_W = h_K + h_K' + h_Z = 2·R +h_Z (13).
Für das Verhältnis A_W/A_Z gilt:
Ferner gilt für das Verhältnis V_W/V_Z:
Weiterhin gilt für die Länge l_S: l_S = π·R + h_Z (16).
Zur Erzielung der erfindungsgemäßen Vorteile gilt für die Länge h_Z: 0·D_min ≤ h_Z ≤ 1·D_min, insbesondere 0,05·D_min ≤ h_Z ≤ 0,8·D_min, und insbesondere 0,1·D_min ≤ h_Z ≤ 0,6·D_min.
Bei h_Z = 0·D_min entspricht der Kern 2 des zweiten Ausführungsbeispiels dem Kern 2 des ersten Ausführungsbeispiels. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise sowie Vorteile wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen.
Nachfolgend ist anhand von 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Im Unterschied zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen weist der Wickelkörper 5 zwei Kegelstumpfabschnitte 12, 12' auf, die durch einen rotationssymmetrischen Abschnitt 8 verbunden sind. Für den Winkel α zwischen der Ebene E und dem Kegelstumpfabschnitt 12 gilt: α = 45°. In Richtung der Mittellängsachse 3 weist der Kegelstumpfabschnitt 12 eine Länge h_S auf. Die Außenform des Kegelstumpfabschnitts 12 wird im Axialschnitt durch eine Gerade g gebildet.
An den Kegelstumpfabschnitt 12 schließt sich der rotationssymmetrische Abschnitt 8 an. Die Außenform des rotationssymmetrischen Abschnitts 8 wird im Axialschnitt durch einen Kreisbogen k mit dem Radius R und dem Mittelpunktswinkel φ gebildet, wobei für den Mittelpunktswinkel φ gilt: φ = 90°. In Richtung der Mittellängsachse 3 weist der rotationssymmetrische Abschnitt 8 die Länge h_K auf. Der Übergang zwischen dem Kegelstumpfabschnitt 12 und dem rotationssymmetrischen Abschnitt 8 ist kerbenfrei bzw. knickfrei.
An den rotationssymmetrischen Abschnitt 8 schließt sich der Kegelstumpfabschnitt 12' an. Für den Winkel α des Kegelstumpfabschnitts 12' gilt: α = 45°. In Richtung der Mittellängsachse 3 weist der Kegelstumpfabschnitt 12' die Länge h_S' auf. Die Außenform des Kegelstumpfabschnitts 12' wird im Axialschnitt durch eine Gerade g' gebildet. Ansonsten gelten die Ausführungen zu dem Kegelstumpfabschnitt 12 für den Kegelstumpfabschnitt 12' entsprechend. Die Außenform K des Wickelkörpers 5 wird im Axialschnitt somit gebildet durch die Gerade g, den Kreisbogen k und die Gerade g'. Für die Länge h_W des Wickelkörpers 5 in Richtung der Mittellängsachse 3 gilt: h_W = h_S + h_K + h_S' = 2·h_S + h_K (17).
Für das Verhältnis der Mantelfläche A_W zu der Mantelfläche A_Z gilt:
Weiterhin gilt für das Verhältnis des Volumens V_W zu dem Volumen V_Z:
Weiterhin gilt für die Länge l_S:
Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise und Vorteile wird auf die Beschreibung der vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
5 zeigt einen Verlauf der magnetischen Flussdichte (B-Feldverlauf) eines induktiven Bauelements 1 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel im Vergleich zu einem Verlauf der magnetischen Flussdichte (B-Feldverlauf) eines induktiven Bauelements nach dem Stand der Technik gemäß 6. Es ist eine homogenere Verteilung der magnetischen Flussdichte im Kern 2 zu erkennen. Hinsichtlich des weiteren Aufbaus und der weiteren Funktionsweise und Vorteile wird auf die Beschreibung der vorangegangenen Ausführungsbeispiele verwiesen.
Für das erfindungsgemäße induktive Bauelement 1 gilt allgemein:
Die Mantelfläche A_W des Wickelkörpers 5 erfüllt unabhängig von einer bestimmten Formgestaltung die Bedingung: 1,2·π·D_min·h_W ≤ A_W ≤ 8·π·D_min·h_W.
Vorzugsweise gilt: 1,3·π·D_min·h_W ≤ A_W ≤ 7,5·π·D_min·h_W, insbesondere 1,4·π·D_min·h_W ≤ A_W ≤ 7·π·D_min·h_W, und insbesondere 1,5·π·D_min·h_W ≤ A_W ≤ 6,5·π·D_min·h_W.
Darüber hinaus gilt für das Volumen V_W des Wickelkörpers 5 vorzugsweise:
Für den Radius R gilt weiterhin: 0,25·h_W ≤ R ≤ 0,75·h_W, insbesondere 0,3·h_W ≤ R ≤ 0,7·h_W, und insbesondere 0,35·h_W ≤ R ≤ 0,65·h_W.
Vorzugsweise gilt R = 0,5·h_W.
Für den zugehörigen Mittelpunktswinkel φ gilt darüber hinaus: 85° ≤ φ ≤ 180°, insbesondere 90° ≤ φ ≤ 180°.
Für den Winkel α gilt: 0° ≤ α ≤ 45°, insbesondere 0° ≤ α ≤ 30°, und insbesondere 0° ≤ α ≤ 15°.
Für den Durchmesser D_min gilt in Abhängigkeit des Radius R: 0,6·R ≤ D_min ≤ 1,8·R, insbesondere 0,7·R ≤ D_min ≤ 1,7·R, und insbesondere 0,8·R ≤ D_min ≤ 1,6·R.
Für einen etwaig vorhandenen Zylinderabschnitt gilt: 0·D_min ≤ h_Z ≤ 1·D_min, insbesondere 0,05·D_min ≤ h_Z ≤ 0,8·D_min, und insbesondere 0,1·D_min ≤ h_Z ≤ 0,6·D_min.
Für den Drahtdurchmesser d gilt: 0,09·D_min ≤ d ≤ 0,3·D_min, insbesondere 0,1·D_min ≤ d ≤ 0,25·D_min, und insbesondere 0,11·D_min ≤ d ≤ 0,2·D_min und/oder 0,08·R ≤ d ≤ 0,2·R, insbesondere 0,1·R ≤ d ≤ 0,18·R, und insbesondere 0,12·R ≤ d ≤ 0,16·R.
Für die Wicklungsanzahl N der Spule 4 gilt: 1 ≤ N ≤ 100, insbesondere 3 ≤ N ≤ 80, und insbesondere 8 ≤ N ≤ 40.
Das erfindungsgemäße induktive Bauelement 1 weist gegenüber dem Stand der Technik verbesserte magnetische, elektrische und/oder mechanische Eigenschaften auf. Die Induktivität L wird erhöht, da der magnetische Fluss sich besser im weichmagnetischen Material des Kerns 2 verteilt. Eine partielle Sättigung wird vermieden, da der Feldlinienverlauf homogener ist. Der ohmsche Gleichstromwiderstand R_DC wird durch einen einfach realisierbaren größeren Drahtdurchmesser d verringert. Durch den höheren Drahtdurchmesser d wird die widerstandserhöhende Zunahme der Drahtlänge nicht nur egalisiert, sondern der Gleichstromwiderstand R_DC darüber hinaus erniedrigt. Durch die kerbenfreie Ausgestaltung des Kerns 2 wird zudem die mechanische Stabilität erhöht. Insbesondere ist das erfindungsgemäße induktive Bauelement 1 gegenüber Schock- und/oder Vibrationsbelastungen resistenter und damit zuverlässiger.

Claims

Induktives Bauelement mit – einem Kern (2), der einen Wickelkörper (5) für eine Spule (4) und eine Mittellängsachse (3) aufweist, – wobei der Wickelkörper (5) in Richtung der Mittellängsachse (3) eine Länge h_W hat, – wobei der Wickelkörper (5) quer zu der Mittellängsachse (3) einen minimalen Durchmesser D_min hat, – wobei der Wickelkörper (5) eine Mantelfläche A_W hat, – einer um den Wickelkörper (5) gewickelten Spule (4), dadurch gekennzeichnet, dass für die Mantelfläche A_W gilt: 1,2·π·D_min·h_W ≤ A_W ≤ 8·π·D_min·h_W, wobei π die Kreiszahl bezeichnet.
Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Mantelfläche A_W gilt: 1,3·π·D_min·h_W ≤ A_W ≤ 7,5·π·D_min·h_W, insbesondere 1,4·π·D_min·h_W ≤ A_W ≤ 7·π·D_min·h_W, und insbesondere 1,5·π·D_min·h_W ≤ A_W ≤ 6,5·π·D_min·h_W.
Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (5) ein Volumen V_W hat, wobei für das Volumen V_W gilt:
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (5) endseitig mit einer senkrecht zu der Mittellängsachse (3) verlaufenden Ebene (E) einen Winkel α einschließt, wobei für den Winkel α gilt: 0° ≤ α ≤ 45°, insbesondere 0° ≤ α ≤ 30°, und insbesondere 0° ≤ α ≤ 15°.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (4) einen Drahtdurchmesser d hat, wobei für den Drahtdurchmesser d gilt: 0,09·D_min ≤ d ≤ 0,3·D_min, insbesondere 0,1·D_min ≤ d ≤ 0,25·D_min, und insbesondere 0,11·D_min ≤ d ≤ 0,2·D_min.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (5) mindestens einen zu der Mittellängsachse (3) rotationssymmetrischen Abschnitt (8; 8, 8’) umfasst, dessen Außenform in einem Axialschnitt durch einen Kreisbogen (k; k, k’) mit einem Radius R gebildet ist, wobei für den Radius R gilt: 0,25·h_W ≤ R ≤ 0,75·h_W, insbesondere 0,3·h_W ≤ R ≤ 0,7·h_W, und insbesondere 0,35·h_W ≤ R ≤ 0,65·h_W.
Induktives Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Radius R gilt: R = 0,5·h_W.
Induktives Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreisbogen (k; k, k’) einen Mittelpunktswinkel φ hat, wobei für den Mittelpunktswinkel φ gilt: 85° ≤ φ ≤ 180°, insbesondere 90° ≤ φ ≤ 180°.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für den Durchmesser D_min gilt: 0,6·R ≤ D_min ≤ 1,8·R, insbesondere 0,7·R ≤ D_min ≤ 1,7·R, und insbesondere 0,8·R ≤ D_min ≤ 1,6·R.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (5) einen Zylinderabschnitt (11) mit einer Länge h_Z umfasst, wobei für die Länge h_Z gilt: 0·D_min ≤ h_Z ≤ 1·D_min, insbesondere 0,05·D_min ≤ h_Z ≤ 0,8·D_min, und insbesondere 0,1·D_min ≤ h_Z ≤ 0,6·D_min.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (5) mindestens einen Kegelstumpfabschnitt (12, 12’), insbesondere zwei Kegelstumpfabschnitte (12, 12’) umfasst.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (4) einen Drahtdurchmesser d hat, wobei für den Drahtdurchmesser d gilt: 0,08·R ≤ d ≤ 0,2·R, insbesondere 0,1·R ≤ d ≤ 0,18·R, und insbesondere 0,12·R ≤ d ≤ 0,16·R.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) mindestens einen Flansch (6, 7) aufweist, der endseitig an dem Wickelkörper (5) angeordnet ist.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (4) N Wicklungen (10) hat, wobei für N gilt: 1 ≤ N ≤ 100, insbesondere 3 ≤ N ≤ 80, und insbesondere 8 ≤ N ≤ 40.