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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spulenkörper für induktive Bauelemente, wie z. B. Transformatoren und Drosseln.
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Induktive Bauelemente, wie z. B. Drosseln und Transformatoren, werden in vielen technischen Gebieten eingesetzt, beispielsweise in der Automobilindustrie. Dort werden in Automobilelektroniken Leiterplattenbauteile eingesetzt, wie zum Beispiel in Leistungselektroniken, in denen sogenannte Impulstransformatoren oder Pulstransformatoren zur Steuerung des Gates eines elektronischen Schaltelements verwendet werden. Ein „Gate-Drive Transformator” stellt einen Pulstransformator dar, der das Timing von Leistungs-MOSFETs oder IGBTs in Schaltnetzteilen („Switch-mode-power-supply” oder SMPS) steuert, wie beispielsweise in der Veröffentlichung „A guide to designing gate drive transformers", power electronics technology, 2007: 32 bis 36, von Patrick Scoggins dargestellt ist.
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Für gewöhnlich weisen Gate-Drive-Transformatoren eine von einem Spulenkörper gehalterte Spule auf, die sowohl als oberflächenmontierbare (SMD-)Bauteile oder Durchsteckbauteile ausgebildet sein können. Hierbei sind, wie bei allgemeinen elektrischen und elektronischen Bauteilen, Sicherheitsstandards einzuhalten, die u. a. die Einhaltung von Isolations- und Kriechstrecken fordern. Die Vorgaben für Kriech- und Isolationsstrecken werden normalerweise dadurch eingehalten, dass die Spulenkörper in einem Gehäuse mit einer Vergussmasse vergossen sind.
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Während der Bestückung von Leiterplatten mit induktiven Bauteilen werden Reflow-Lötprozesse durchgeführt, um u. a. induktive Bauteile mit Leiterplatten elektrisch und mechanisch zu verbinden. Hierbei treten während der Lötprozesse hohe Temperaturen auf, so dass ein Bauteil im Herstellungsprozess häufig Temperaturschwankungen von 100°C oder mehr ausgesetzt ist. Aufgrund der sich unterscheidenden Ausdehnungskoeffizienten zwischen den verschiedenen Materialien in induktiven Bauteilen, beispielsweise zwischen der Vergussmasse, dem Spulenkörper, dem Ferritkern und der Wicklung, treten folglich auch unterschiedliche thermische Ausdehnungen auf, die zu Spannungen im Material und letztlich zum Bruch führen. Häufig reißt beispielsweise die Vergussmasse, wodurch die Kriech- und Luftstrecken eines induktiven Bauteils stark herabgesetzt werden und die Normenanforderung nach IEC/UL usw. nicht mehr eingehalten werden kann.
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Im Betrieb kann ein Bauteil weiterhin Temperaturschwankungen ausgesetzt sein. Zum Beispiel sind Automobilelektroniken in der Nähe des Motors auch im Betrieb hohen Temperaturschwankungen von –40°C bis +155°C oder mehr ausgesetzt. Weiterhin unterliegen elektrische und elektronische Bauteile von Automobilelektroniken hohen mechanischen Belastungen aufgrund von Erschütterungen.
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Ausgehend von der oben dargestellten Situation soll ein Spulenkörper für ein induktives Bauelement bereitgestellt werden, bei dem die oben beschriebenen Nachteile ausgeräumt sind.
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Die vorliegende Erfindung stellt in verschiedenen Aspekten eine Lösung des oben genannten Problems bereit. Hierbei wird vorgeschlagen, die Vergussmasse durch entsprechend ausgelegte konstruktive Maßnahmen zu ersetzen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Kriechstrecken verlängert werden, so dass auf die Vergussmasse verzichtet werden kann.
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In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Spulenkörper mit einem hohlen Gehäusekörper bereitgestellt, der an einer ersten Seite eine Öffnung zur Aufnahme einer Spule in den Gehäusekörper entlang einer Einführrichtung und eine Gehäusewand aufweist, die sich zwischen einer ersten Seite des Gehäusekörpers und einer gegenüberliegenden zweiten Seite erstreckt. Der Gehäusekörper weist ferner mehrere elektrische Kontakte und eine Mehrzahl von entlang der Gehäusewand verlaufenden Führungsnuten auf, die jeweils zur Führung eines Anschlussdrahtes ausgebildet sind, um eine durch den Spulenkörper aufgenommene Spule mit den Kontakten zu verbinden, die an der zweiten Seite des Gehäuses angeordnet sind.
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In einer anschaulichen Ausführungsform des ersten Aspekts weist der Spulenkörper ferner am Rand der Öffnung gebildete Schlitze auf, die an der Öffnung in Umfangsrichtung angeordnet sind, so dass für jede Führungsnut eine definierte Durchführung in den Gehäusekörper hinein bzw. aus dem Gehäusekörper heraus bereitgestellt wird. Diese sind insbesondere im Bereich der Öffnung auf die Verlängerung von Kriechstrecken abgestimmt.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform des ersten Aspekts erstreckt sich wenigstens eine Führungsnut vollständig entlang der Gehäusewand.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform des ersten Aspekts ist der Gehäusekörper zur Aufnahme einer torusförmigen Spule ausgebildet.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform des ersten Aspekts sind die Führungsnuten durch Rippen gebildet, die von der Gehäusewand abstehen und entlang der Einführrichtung parallel verlaufen. Auf diese Art werden Führungsnuten zur effizienten Kriechstreckenverlängerung auf einfache Weise bereitgestellt.
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In einer vorteilhafteren Ausgestaltung hierin bilden je zwei Rippen eine Führungsnut und die Rippen von jeweils einer Führungsnut sind sämtlich von den Rippen der anderen Führungsnuten beabstandet, so dass zwischen zwei Führungsnuten jeweils eine Isolationsnut gebildet wird. Dies stellt eine weitere vorteilhaftere Verlängerung von Kriechstrecken zwischen den in den Führungsnuten geführten Anschlussdrähten bereit.
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In einer weiteren vorteilhafteren Ausgestaltung hierin weisen die Isolationsnuten verschiedene Tiefen auf. In einigen Beispielen hierin wird die Spannungsfestigkeit weiter erhöht, dass die Isolationsnuten mit größerer Tiefe jeweils zwischen den Führungsnuten vorgesehen sind, in die die Anschlussdrähte eingelegt sind, die auf größerem Potential liegen. Somit kann eine kompaktere Auslegung des Spulenkörpers erreicht werden.
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In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Spulenkörper mit zwei an einander gegenüberliegenden Seiten des Spulenkörpers gebildeten Kontaktleisten bereitgestellt, die jeweils eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten aufweisen. Jede Kontaktleiste weist dabei in einer Oberfläche der Kontaktleiste gebildete Führungsnuten auf, die jeweils zur Führung eines Anschlussdrahts ausgebildet sind, um eine an dem Spulenkörper angebrachte Spule mit wenigstens einem der Kontakte der entsprechenden Kontaktleiste zu verbinden, wobei es vorteilhaft ist, dass die Führungsnuten einer ersten Kontaktleiste der zwei Kontaktleisten länger sind als die Führungsnuten der anderen zweiten Kontaktleiste.
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In einer anschaulichen Ausführungsform des zweiten Aspekts sind die Kontakte an der ersten Kontaktleiste unter einem größeren Abstand zu einem Aufnahmebereich für eine Spule angeordnet, als die Kontakte an der zweiten Kontaktleiste.
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In einer vorteilhafteren Ausgestaltung hierin weisen wenigstens die Führungsnuten der ersten Kontaktleiste mit zunehmendem Abstand vom Aufnahmebereich eine gleichbleibende oder zunehmende Tiefe auf.
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In einer anderen anschaulichen Ausführungsform des zweiten Aspekts wird jede Führungsnut in der Oberfläche von wenigstens der ersten Kontaktleiste durch zwei von der Oberfläche abstehenden Rippen gebildet. In einigen anschaulichen Beispielen hierin ist eine Höhe und/oder eine Breite jeder Rippe größer oder gleich einer Tiefe und/oder Breite jeder Führungsnut.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform des zweiten Aspekts ist zwischen zwei Führungsnuten von wenigstens der ersten Kontaktleiste jeweils eine Isolationsnut gebildet.
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In einer anderen anschaulichen Ausführungsform des zweiten Aspekts sind die Führungsnuten von wenigstens der ersten Kontaktleiste durch in der Oberfläche gebildete Rippen voneinander beabstandet.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform des zweiten Aspekts durchsetzen die Führungsnuten die Oberfläche der ersten Kontaktleiste entlang einer Richtung parallel zur Oberfläche vollständig.
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In einer anderen anschaulichen Ausführungsform des zweiten Aspekts stehen Enden der Kontakte zur Verbindung mit Anschlüssen der Spule an der ersten Kontaktleiste in einer Kontaktebene von der ersten Kontaktleiste ab und die Kontaktebene ist parallel zur Oberfläche um einen Versatz versetzt angeordnet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Figuren hervor, in denen die
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1a bis 1c einen Spulenkörper gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung in unterschiedlichen Ansichten schematisch darstellen; und
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2a bis 2c einen Spulenkörper gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung in unterschiedlichen Ansichten schematisch darstellen.
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1a zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Spulenkörpers, der einen hohlen Gehäusekörper 110 aufweist. Der Gehäusekörper 110 ist vorzugsweise zur Aufnahme einer torusförmigen Spule ausgebildet (Spule ist nicht dargestellt). Die Spule kann einen Magnetkern (nicht dargestellt) und wenigstens eine Wicklung (nicht dargestellt) umfassen. Alternativ kann die Spule ohne Magnetkern vorgesehen sein.
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Gemäß der Darstellung 1a weist der Gehäusekörper 110 eine Öffnung 112 an einer ersten Seite A des Gehäusekörpers 110 auf, so dass eine Spule (nicht dargestellt) entlang einer in 1a mit dem Bezugszeichen „C” bezeichneten Richtung in den Gehäusekörper 110 eingeführt werden kann. Vorzugsweise ist der Gehäusekörper 110 an einer der ersten Seite A gegenüber liegenden zweiten Seite B verschlossen. Das heißt, dass im Gehäusekörper ein Boden 115 vorgesehen ist, der als Auflagefläche für eine in den Gehäusekörper aufgenommene Spule (nicht dargestellt) dient. Zwischen der ersten Seite A und der zweiten Seite B erstreckt sich eine Gehäusewand 114, so dass eine in den Gehäusekörper 110 aufgenommene Spule durch den Boden 115 und die Gehäusewand 114 umgeben wird.
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In der Gehäusewand 114 sind zwischen der ersten Seite A und der zweiten Seite B parallel zur Richtung C verlaufende Führungsnuten 130 gebildet. Die Führungsnuten 130 erstrecken sich vorzugsweise vollständig entlang der Gehäusewand zwischen der ersten Seite A und der zweiten Seite B des Gehäusekörpers 110. Jede der Führungsnuten 130 ist vorzugsweise zur vollständigen Aufnahme eines Anschlussdrahtes ausgebildet, d. h., eine Tiefe von jeder Führungsnut 130 ist größer oder gleich einem Durchmesser des Anschlussdrahtes (nicht dargestellt).
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Wie in 1a dargestellt, ist an der zweiten Seite B eine Mehrzahl von Kontakten 120 angebracht. Die Mehrzahl von Kontakten dient zur elektrischen und mechanischen Befestigung des Spulenkörpers 100 an einer Leiterplatte (nicht dargestellt). Dazu kann wenigstens ein Kontakt 120 zu einer elektrischen und/oder mechanischen Verbindung zwischen Leiterplatte (nicht dargestellt) und Spulenkörper 100 vorgesehen sein. Die Kontakte 120 können gemäß einer Ausführungsform L-förmig ausgebildet sein und von dem Gehäusekörper 110 entlang der Richtung C nach unten abstehen. Ein freiliegendes Ende des wenigstens einen Kontakts 120 ist demzufolge vorzugsweise entlang einer Richtung senkrecht zur Richtung C gebogen. Auf diese Weise wird ein SMD-Bauteil bereitgestellt. Alternativ erstrecken sich die freiliegenden Enden der Kontakte 120 im Wesentlichen entlang einer Richtung parallel zur Richtung C, so dass die Kontakte 120 als Durchsteckkontakt ausgebildet sind.
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Mit Bezug auf 1b ist eine Aufsicht auf den Gehäusekörper 110 (entlang der Richtung C in 1a) dargestellt. Die Kontakte 120 sind in der dargestellten Aufsicht strichpunktiert dargestellt. Wie aus der Darstellung in den 1a und 1b hervorgeht, wird jede Führungsnut 130 durch zwei mit Abstand zueinander angeordnete Rippen 132 gebildet, die entlang der Richtung C an der Gehäusewand 114 verlaufen und senkrecht zur Richtung C von der Gehäusewand 114, insbesondere normal zur Manteloberfläche der Gehäusewand 114, abstehen.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist zwischen je zwei benachbarten Führungsnuten 130 eine Isolationsnut 134 gebildet. Die Isolationsnuten 134 und die Führungsnuten 132 sind demnach abwechselnd entlang der Gehäusewand 114 (in Umfangsrichtung gesehen) angeordnet. Wie aus der Aufsicht in 1b hervorgeht, kann eine Tiefe jeder Isolationsnut 134 entlang der Umfangsrichtung um die Öffnung 112 variieren. Zum Beispiel können äußere Isolationsnuten 134a eine größere Tiefe aufweisen als innere Isolationsnuten 134, z. B. die mittlere Isolationsnut 134m in 1b. Sind nun in den äußeren Führungsnuten Anschlussdrähte verlegt, an denen eine größere Potentialdifferenz anliegt, so wird mittels den zwischen diesen Führungsnuten ausgebildeten Isolationsnuten mit vergleichsweise größerer Tiefe auch eine vergleichsweise größere Isolationsstrecke bereitgestellt, als dies z. B. bei zentraleren Führungsnuten der Fall ist. Gemäß einem anschaulichen Beispiel hierin kann eine Tiefe der Isolationsnut 134 von einer azimutalen Lage der Isolationsnut 134 entlang einer Umfangsrichtung der Öffnung 112 abhängen, wie in 1b dargestellt ist.
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Es wird auf 1a und 1c Bezug genommen. Dabei zeigt 1c eine ebene Seitenansicht des Spulenkörpers 100 aus 1a senkrecht zur Richtung C. Darstellungsgemäß kann zwischen einer Führungsnut 134 und dem Inneren des Gehäusekörpers 110 weiterhin mittels eines Schlitzes 117, der am Rand 113 der Öffnung 112 gebildet ist, eine Durchführung bereitgestellt werden. In einigen anschaulichen Beispielen hierin ist jeder der Schlitze 117 am Rand 113 der Öffnung 112 mit einer Tiefe ausgebildet, die im Wesentlichen größer ist als ein Durchmesser eines Anschlussdrahts 122, der in der Darstellung von 1c mit wenigstens einer Wicklung einer in den Gehäusekörper 114 aufgenommenen Spule verbunden ist. Dadurch wird bei der Führung des Anschlussdrahts aus dem Inneren des Gehäusekörpers 110 heraus zur Außenseite des Gehäusekörpers 110 eine vorteilhafte Spannungsfestigkeit vorgesehen.
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Gemäß einigen nicht dargestellten Ausführungsformen kann der in 1a dargestellte Spulenkörper 100, sofern der Spulenkörper nicht allein über die Kontakte 120 an einer Leiterplatte (nicht dargestellt) anzubringen ist, weitere Befestigungsmittel zur Befestigung und/oder Orientierungsmittel zur Orientierung des Spulenkörpers 100 auf einer Leiterplatte umfassen, wie z. B. Schnapphaken, Clips, Positionierstifte usw., die von einer Unterseite des Spulenkörpers 100 entlang der Richtung C abstehen. Ferner kann ein Deckel (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um die Öffnung 112 des Gehäusekörpers 110 abzudecken.
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Mit Bezug auf die 2a und 2b werden alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 2a zeigt einen Spulenkörper 200, der für ein induktives Bauelement vorzugsweise mit einer Doppel E- oder E-I-Kernkonfiguration ausgebildet ist. Der Spulenkörper 200 weist eine erste Kontaktleiste 210, einen Kernführungsbereich 220 und eine zweite Kontaktleiste 230 auf. Die erste Kontaktleiste 210, der Kernführungsbereich 220 und die zweite Kontaktleiste 230 können wenigstens teilweise integral oder modular ausgebildet sein, d. h. die erste Kontaktleiste 210 und/oder der Kernführungsbereich 220 und/oder die zweite Kontaktleiste 230 können aneinander (optional lösbar) befestigt oder integral als ein Element ausgebildet sein.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist der Kernführungsbereich 220 zur Aufnahme von wenigstens einem Schenkel eines E- und/oder I-Kerns ausgebildet. Dazu weist der Kernführungsbereich 230 einen Kernhaltebereich 232 auf, beispielsweise die dargestellte Halterung oder Schnapphaken (nicht dargestellt) usw.
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Gemäß der Darstellung in 2a sind Kontakte 240 an der ersten Kontaktleiste 210 und an der zweiten Kontaktleiste 230 angeordnet. Die Kontakte 240 können darstellungsgemäß als L-förmige Kontaktstifte ausgebildet sein, deren freiliegende Enden 244, 242 von den Kontaktleisten 210, 230 abstehen. Alternativ können die Kontakte 240 als U-förmige Kontaktstifte ausgebildet sein, wodurch ein SMD-Bauteil bereitgestellt wird.
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Eine Befestigung eines Magnetkerns am Spulenkörper 200 kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Kern (nicht dargestellt) geführt durch Führungsflächen 212 an der ersten Kontaktleiste 210 und 232 an der zweiten Kontaktleiste 230 entlang einer Einführrichtung D in den Spulenkörper 200 eingeschoben und durch Haltenoppen 224 in einem Aufnahmebereich 226 des Spulenkörpers 200 im Zusammenwirken mit der Halterungsstruktur 222 gehaltert wird. Anschlussdrähte für Wicklungen (nicht dargestellt) werden, in 2a unterseitig am Spulenkörper 200, zu den freiliegenden Enden 244 der Kontakte 240 geführt und damit verbunden. Über die freiliegenden Enden 242 der Kontakte 240 erfolgt eine Verbindung des Spulenkörpers 200 mit einer nicht dargestellten Leiterplatine (elektrisch und/oder mechanisch).
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2b stellt eine Ansicht der Unterseite des Spulenkörpers 200 dar. In einer Oberfläche 210U der Unterseite der in 2a dargestellten Kontaktleiste 210 sind Führungsnuten 214 gebildet. Ebenfalls sind in einer Oberfläche 230U der zweiten Kontaktleiste 230 unterseitig Führungsnuten 234 gebildet. Die Führungsnuten 214 bzw. 234 dienen zur Aufnahme und Führung eines Anschlussdrahts (nicht dargestellt) einer Wicklung (nicht dargestellt), die über dem Spulenkörper 200 anzubringen ist. Dabei wird ein Anschlussdraht (nicht dargestellt) durch eine Führungsnut 214 zu dem freien Ende 244 eines Kontakts 240 geführt und damit, beispielsweise durch Wicklung um das freie Ende 244 und Fixierung an dem freien Ende 244, elektrisch verbunden. Die Führungsnuten 214 sind voneinander durch in der Oberfläche 210U der Kontaktleiste 210 gebildete Rippen 216 voneinander getrennt. Entsprechend sind die Führungsnuten 234 in der unterseitigen Oberfläche der zweiten Kontaktleiste 230 durch Rippen 236 festgelegt.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist in wenigstens einer Rippe 216 eine Isolationsnut 218 gebildet. Die Isolationsnut 218 trägt damit zur Verlängerung der Kriechstrecke zwischen zwei benachbarten Führungsnuten 214 zusätzlich zu der Rippe 216 bei. Gemäß anschaulichen Beispielen ist eine Tiefe der wenigstens einen Isolationsnut 218 kleiner oder gleich einer Tiefe von wenigstens einer der umgebenden Führungsnuten 214. Zusätzlich kann ferner wenigstens in wenigstens einer der Rippen 236 der zweiten Kontaktleiste 230 eine optionale Isolationsnut vorgesehen sein.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist eine Höhe und/oder eine Breite jeder Rippe größer oder gleich einer Tiefe und/oder Breite jeder Führungsnut.
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Eine weitere Verbesserung der Spannungsfestigkeit des Spulenkörpers 200 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, in dem die Führungsnuten 214 der ersten Kontaktleiste länger sind, als die Führungsnuten 234 der zweiten Kontaktleiste 230. Gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen wird dies dadurch erreicht, dass die Kontakte 240 an der ersten Kontaktleiste 210 unter einem größeren Abstand zum Aufnahmebereich 226 angeordnet sind, als die Kontakte 240 an der zweiten Kontaktleiste 230. Beispielsweise können die Kontakte 240 an der ersten Kontaktleiste 210 als hochspannungsführende Kontakte im Einsatz des Spulenkörpers 200 vorgesehen sein.
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Es wird auf 2a Bezug genommen. Die freiliegenden Enden 244 der Kontakte 240 sind, wenigstens an der ersten Kontaktleiste 210, gemäß einiger anschaulicher Ausführungsformen in einer Ebene K angeordnet. Die Ebene K ist dabei um einen Versatz V von der unterseitigen Oberfläche 210U der ersten Kontaktleiste 210 beabstandet. Damit kann eine Isolationsstrecke zwischen den Anschlussdrähten und den freiliegenden Enden benachbarter Kontakte vorteilhaft eingestellt werden.
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2c zeigt eine ebene Aufsicht auf den Spulenkörper 200 aus 2a, wobei an diesem ein Magnetkern M und eine Wicklung 250 angebracht sind. Die Wicklung 250 ist beispielsweise über der Halterungsstruktur 222 angeordnet, die etwa als Wickelkammer dienen kann. Freiliegende Enden 252 der Wicklung 250 können mit freiliegenden Enden 244 der Kontakte 240 elektrisch verbunden sein.
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In einigen anschaulichen Beispielen kann der Magnetkern M durch drei I-Kerne oder eine EII-Kernkonfiguration realisiert sein. Alternativ ist der Kern gemäß einer Doppel-E-Konfiguration (vgl. gestrichelte Linien) oder eine EI-Kernkonfiguration gebildet.
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Ein Abstand d1 zwischen dem Kern M bzw. der Wicklung 250 von den Kontakten 240 an der ersten Kontaktleiste 210 ist größer als ein Abstand d2 zwischen den Kontakten 240 an der zweiten Kontaktleiste 230 und dem Kern M bzw. der Wicklung 250. Dies stellt eine verlängerte Kriechstrecke an der ersten Kontaktleiste 210 bereit. Gemäß einem speziellen Beispiel gilt: d1 ≥ 1,5·d2 oder d1 ≥ 2·d2 oder d1 ≥ 3·d2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- „A guide to designing gate drive transformers”, power electronics technology, 2007: 32 bis 36, von Patrick Scoggins [0002]
