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Die Erfindung betrifft ein induktives Bauteil mit einem aus drei Kernelementen bestehenden Ferritkern, bei dem Spulenwicklungen auf einem im Wesentlichen zylinder- oder quaderförmigen ersten Kernelement angeordnet sind, wobei das erste Kernelement mindestens an seinem oberen und unteren Endabschnitt sich beidseitig senkrecht zu seiner Längsachse erstreckende angeformte Schenkel aufweist, deren Stirnflächen jeweils durch ein angefügtes zweites und drittes Kernelement miteinander verbunden sind, wobei das zweite und das dritte Kernelement C- oder E-förmig ausgebildet sind, und wobei die Stirnflächen der abstehenden Schenkel des zweiten und dritten Kernelements an den Stirnflächen der Schenkel des ersten Kernelements anliegen.
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Ein solches Bauteil kann beispielsweise einen Schaltwandlertransformator für einen Laderegler eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs ausbilden. Derartige Laderegler setzen elektrische Leistungen in der Größenordnung von typischerweise mehreren Kilowatt um. Daher führen selbst prozentual geringe Verlustleistungen des Schaltwandlertransformators zu einer nicht vernachlässigbaren Wärmeentwicklung.
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Dabei erwärmen sich die bewickelten und die unbewickelten Kernelemente unterschiedlich stark, was zu Temperaturgradienten im Gerät und in den Bauteilen führt. Sind diese Kernelemente eines induktiven Bauteils starr miteinander verbunden, so kann es durch thermische Spannungen zum Bruch dieser Verbindungen oder sogar zu einem Bruch der aus relativ sprödem Ferrit bestehenden Kernelemente kommen.
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Damit induktive Bauteile wie Transformatoren oder Spulen solche Belastungen überstehen, werden sie in vielen Fällen gekühlt. Transformatoren werden zur besseren Kühlung oftmals noch vergossen. Dabei entsteht ein kompaktes Paket, das aus einem Ferritkern, einem Wickelkörper, einer oder mehrerer Spulenwicklungen inklusive Isolierung, sowie einer Vergussmasse und einem Gehäuse besteht. Alle in diesem Paket vereinigten Materialien haben unterschiedliche thermische Eigenschaften wie etwa Wärmeleitfähigkeiten, Ausdehnungskoeffizienten, Elastizitäten und Querkontraktionen.
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Je nach Betriebsmodus und Umgebungsbedingungen (kalte oder heiße Umgebung, aktives oder inaktives Gerät, hohe oder niedrige Kühlwassertemperatur o. ä.) entstehen so in einem induktiven Bauteil mechanische Spannungen und Kräfte, die auch auf die aus Ferriten bestehenden Kernelemente einwirken. Ferrite sind im Allgemeinen sehr spröde und brechen darum schnell bei höheren Temperaturbelastungen. Risse in einem Ferrit verringern die Induktivität des Bauteils, was letztendlich zum Ausfall eines mit diesem Bauteil bestückten Geräts führen kann.
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Ein induktives Bauteil ist aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift
DE 1 810 417 U bekannt. Das Bauteil weist in einer Ausführungform einen zentralen Ferritkern in der Form eines Buchstabens H auf, an dessen freie Endabschnitte zwei I-förmige Ferritkerne angepresst sind. Ein solcher H-Ferritkern bildet allerdings relativ lange Hebelarme aus, die unter thermischen Spannungen das Brechen oder Einreißen eines Ferritkerns begünstigen.
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In der
US-Patentschrift US 4 257 087 A ist ein induktives Bauteil skizzenhaft dargestellt, welches ein erstes H-förmiges Kernelement sowie ein zweites und ein drittes C-förmiges Kernelement aufweist, wobei die Stirnflächen der abstehenden Schenkel des zweiten und dritten Kernelements an den Stirnflächen der Schenkel des ersten Kernelements anliegen. Die Schenkel aller drei Kernelemente sind dabei etwa gleichlang dargestellt.
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Zur weiteren Erläuterung des zur Erfindung führenden Problems sei angenommen, dass das induktive Bauteil den Schaltwandlertransformator eines Ladereglers in einem Elektrofahrzeug ausbildet und einen dem vorgenannten Stand der Technik entsprechenden Aufbau, bestehend aus drei fest miteinander verbundenen Kernelementen aufweist, wobei das in der Anordnung mittlere Kernelement eine oder mehrere Spulenwicklungen trägt.
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Wird ein zuvor in einer kalten Umgebung stark abgekühlter Laderegler unter Volllast betrieben, erhitzt sich bei dem Schaltwandlertransformator das innenliegende bewickelte Element des Ferritkerns durch magnetische Verluste schlagartig, während sich die außenliegenden Elemente, gegebenenfalls über ein kaltes Gehäuse, nur sehr langsam erwärmen. Dadurch entstehen erhebliche mechanische Spannungen im Ferritkern, durch die ein Bruch praktisch vorprogrammiert ist.
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Es stellte sich daher die Aufgabe, ein gattungsgemäßes induktives Bauteil so auszubilden, dass es möglichst unempfindlich gegen thermische Belastungen ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schenkel des ersten Kernelements kürzer als die Schenkel des zweiten und dritten Kernelements sind.
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Erfindungsgemäß weist damit bei einem induktiven Bauteil mit einem dreiteiligen Ferritkern das zentrale erste Kernelement, welches eine oder mehrere Spulenwicklungen trägt, eine Form auf, die im Längsschnitt weder einer reinen I-Form (was einem Kernelement mit einer genauen Quader- oder Zylinderform entsprechen würde) noch einer H-Form entspricht, sondern in seiner Ausgestaltung zwischen diesen Grenzformen liegt. Speziell sind bei dem ersten Kernelement an einem zentralen zylinder-oder quaderförmigen Abschnitt zumindest an den beiden Endabschnitten jeweils relativ kurze, und senkrecht zur Längsachse des Abschnitts in zwei entgegengesetzte Richtungen abstehende Schenkel angeformt, die kürzer sind als die Schenkel der an diese angrenzenden zweiten und dritten Kernelemente. Die Form des ersten Kernelements ähnelt damit der Form eines Knochens oder einer Hantel.
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Gerade für Ferritkerne ist eine solche Form vorteilhaft, da so die Stirnflächen der kurzen Schenkel, welche die Kontaktflächen zu jeweils einem anliegenden zweiten und dritten Kernelement bilden, plan geschliffen werden können, um einen möglichst engen Luftspalt zu schaffen.
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Mit dem „knochenförmigen“ Design des ersten Kernelements werden zudem die Verbindungsstellen von aneinandergefügten Kernelementen, welche auch im vergossenen oder verklebten Zustand noch über eine gewisse Flexibilität verfügen, in die Nähe von Positionen gelegt, an denen herkömmliche Ferritkerne üblicherweise reißen. Zudem sind, im Vergleich zu einer Ausführung mit einem zentralen H-Kern, die Hebelarme wesentlich verkürzt, wodurch sich die mechanischen Spannungen in dem gesamten Ferritkernaufbau erheblich verringern.
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Die erfindungsgemäße Form des ersten Kernelements erschwert allerdings das Aufbringen von Spulenwicklungen, da ein vorab mit einer oder mit mehreren Spulenwicklungen versehener Wickelkörper nicht enganliegend auf das erste Kernelement aufgeschoben werden kann. Daher ist es vorteilhaft, den Wickelkörper zweiteilig zu gestalten und ihn dann um den „Knochen“ zu klipsen. Abschließend wird die mindestens eine Spulenwicklung auf den Wickelkörper aufgebracht, während das erste Kernelement bereits innerhalb des Wickelkörpers angeordnet ist.
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Alternativ kann auch vorgesehen werden, auf einen Wickelkörper ganz zu verzichten und das erste Kernelement, gegebenenfalls unter Hinzufügung einer isolierenden Zwischenschicht, unmittelbar mit einer oder mehreren Spulenwicklung(en) zu versehen.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung dargestellt und näher erläutert werden. Es zeigen
- 1 Bestandteile eines induktiven Bauteils,
- 2 Bestandteile des induktiven Bauteils gemäß der 1 in einer skizzenhaften Darstellung,
- 3 eine andere Ausführung des induktiven Bauteils in einer skizzenhaften Darstellung,
- 4 eine weitere Ausführung des induktiven Bauteils in einer skizzenhaften Darstellung.
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Die 1 zeigt verschiedene Bestandteile eines vereinfacht dargestellten erfindungsgemäßen induktiven Bauteils in einer Einzelteildarstellung. Das induktive Bauteil weist drei aus Ferrit bestehende Kernelemente 1, 2, 3 auf, die zur Montage des induktiven Bauteils aneinandergefügt werden.
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Der Grundkörper 10 des zentralen ersten Kernelements 1 weist eine im Wesentlichen zylinderförmige Form auf. Alternativ, aber hier nicht bildlich dargestellt, kann der Grundkörper des ersten Kernelements auch in der Form einer Säule mit rechteckförmigen oder speziell quadratischen Querschnitt ausgebildet sein. Wenigsten im Bereich seiner oberen und unteren Endflächen weist das erste Kernelement 1 sich in zwei entgegensetzte Richtungen seitwärts erstreckende Schenkel 11, 12 mit jeweils ebenen seitlichen Stirnflächen 113, 122, 123 auf. In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt das erste Kernelement 1 in einem mittleren Bereich speziell noch einen weiteren angeformten Schenkel 13.
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Die ebenen seitlichen Stirnflächen 113, 122, 123, 133 (die Schenkel und Stirnflächen der Kernelemente sind in den Figuren nur zum Teil mit Bezugszeichen versehen) der Schenkel 11, 12, 13 kommen beim Zusammensetzen des induktiven Bauteils an ebenfalls ebenen Stirnflächen 211, 221, 231 der Schenkel 21, 22, 23, 31, 32, 33 zweiter und dritter Kernelemente 2, 3 zur Anlage. Wie die 1 zeigt, weist das zweite und das dritte Kernelement 2, 3 jeweils einen tafelartigen Grundkörper 20, 30 auf, an den jeweils einstückig drei senkrecht abstehende Schenkel 21, 22, 23; 31, 32, 33 angeformt sind. Hierdurch sind das zweite und dritte Kernelement 2, 3 im Wesentlichen E-förmig ausgebildet.
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Zu dem induktiven Bauteil gehört mindestens eine, in der 1 nicht dargestellte Spulenwicklung, die auf dem ersten Kernelement 1 aufgebracht ist. Da ein aus mehreren Kernelementen 1, 2, 3 zusammengefügter geschlossener Ferritkern schwierig zu bewickeln ist, ist es vorteilhaft, die mindestens eine Spulenwicklung vor dem Zusammenfügen der Kernelemente 1, 2, 3 auf das erste Kernelement 1 aufzubringen.
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Hierzu kann die mindestens eine Spulenwicklung, gegebenenfalls unter Hinzufügung einer Schicht eines insolierenden Zwischenmaterials, direkt auf das erste Kernelement 1 gewickelt werden. Aus Isolationsgründen wird allerdings bevorzugt, die mindestens eine Spulenwicklung auf einen aus Kunststoff bestehenden Wickelkörper aufzubringen.
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Da sich ein vorab bewickelter Wickelkörper aufgrund der am ersten Kernelement 1 angeformten Schenkel 11, 12, 13 nicht einfach eng auf den zylinderförmigen Grundkörper 10 des ersten Kernelements 1 aufschieben lässt, ist es vorteilhaft, einen aus mehreren Teilen bestehenden Wickelkörper vorzusehen, der an das erste Kernelement 1 angefügt werden kann.
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Der in der 1 dargestellte Wickelkörper besteht deshalb aus zwei Wickelkörperhälften 4, 5, die zusammenfügbar sind, wobei sie nach dem Zusammenfügen das erste Kernelement 1 eng umschließen.
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Vorteilhafterweise weisen die Wickelkörperhälften 4, 5 zueinander komplementäre Rastelemente 41, 51 auf, durch die sie miteinander zu einem Wickelkörper verrastbar sind. Mithilfe von an den Wickelkörperhälften 4, 5 angeformten Federarme 42, 52 können zudem Klipsverbindungen zu dem zweiten und dem Kernelement 2, 3 hergestellt werden.
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Die Wickelkörperhälften 4, 5 sind derart geformt, dass sie nach dem Anfügen an das erste Kernelement 1 die Stirnflächen 113, 122, 123, 133 der Schenkel 11, 12, 13 des ersten Kernelements 1 zugänglich lassen, so dass an diese die Stirnflächen 211, 221, 231 der Schenkel 21, 22, 23, 31, 32, 33 des zweiten und des dritten Kernelements 2, 3 angefügt werden können. Insbesondere weisen die Wickelkörperhälften 4, 5 jeweils einen Durchbruch 43, 53 auf, durch die hindurch die mittleren Schenkel 23, 33 des zweiten und des dritten Kernelements 2, 3 mit den Stirnflächen 133 des mittleren Schenkels 13 des ersten Kernelements 1 verbunden werden können.
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Eine schematischere Darstellung des in der 1 dargestellten induktiven Bauteils ist in der 2 skizziert, wobei für gleiche Merkmale die bereits in der 1 verwendeten Bezugszeichen übernommen wurden.
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Eine alternative Ausführung des induktiven Bauteils, bei der das erste Kernelement 1' ausschließlich an seinen beiden Endabschnitten angeformte Schenkel 11', 12' aufweist, ist in der 3 schematisch in einem Längsschnitt dargestellt. Bei dieser Ausführung ergibt sich für das zweite und dritte Kernelement 2', 3' eine ungefähre C-Form.
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In beiden 2 und 3 sind die Formen der Kernelemente 1, 2, 3; 1', 2', 3' schematisch in jeweils einem Längsschnitt abgebildet. Dargestellt sind jeweils erste, zweite und dritte Kernelemente 1, 2, 3; 1', 2', 3' mit ihren angeformten Schenkeln 11, 12, 13 bzw. 11 `, 12'. Angedeutet ist zudem, dass das jeweils erste Kernelement 1,1' eine Spulenwicklung W beziehungsweise mehrere Spulenwicklungen W1, W2 trägt.
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Zwischen den Stirnflächen der jeweils direkt nebeneinander liegenden Schenkel (beispielsweise der Schenkel 11 und 31) der Kernelemente 1, 2, 3; 1', 2', 3' ist jeweils ein Luftspalt 40 dargestellt. Der Begriff „Luftspalt“ bedeutet hierbei nicht unbedingt, dass eine Lücke zwischen den Kernelementen 1, 2, 3; 1', 2', 3' besteht, sondern bezeichnet insbesondere eine Übergangsstelle zwischen zwei Ferriten, die aneinander berührend anliegen, aber nicht einstückig miteinander ausgeführt sind. Insbesondere können die Kernelemente 1, 2, 3, 1', 2', 3' an diesen Übergangsstellen 40 auch miteinander vergossen sein.
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Ersichtlich ist, dass die Schenkel 11, 12, 13 bzw. 11', 12' des jeweils ersten Kernelements 1, 1' deutlich kürzer ausgeführt sind als die Schenkel 21, 22, 23, 31, 32, 33, 21', 22' 31', 32' der zweiten und dritten Kernelemente 2, 3, 2', 3'. Dieses ist vorteilhaft, weil die jeweils ersten Kernelemente 1, 1' durch ihre Funktion als Wicklungsträger deutlich stärker thermisch bedingten Längenänderungen unterworfen sind. Durch ihre kurzen Schenkel 11, 12, 13 bzw. 11', 12' wirken sie mit nur kurzen Hebelarmen auf die Schenkel 21, 22, 23, 21', 22' der benachbart angeordneten Kernelemente 2, 3, 2', 3' ein, so dass deren mechanischen Belastungen gering bleiben.
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Idealerweise sind die Schenkel 11, 12, 13, 11', 12' der ersten Kernelementen 1, 1' so kurz wie möglich ausgeführt, und überragen den zugehörigen Grundkörper 10, 10' nur soweit, dass die Stirnflächen der Schenkel 11, 12, 13 bzw. 11', 12' plan geschliffen werden können, ohne dass beim Abschleifen der Grundkörper 10, 10' beeinträchtig wird.
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Durch den beschriebenen Aufbau ergibt sich ein auch unter thermischen Belastungen mechanisch besonders stabiles induktives Bauteil. Eine weitere vorteilhafte Ausführung eines induktiven Bauelements in der 4 skizzenhaft dargestellt. Diese Ausführung geht vom dem bereits in der 3 dargestellten Aufbau aus, bei dem zusätzlich an die obere Außenseite der drei Kernelemente 1', 2', 3' ein viertes Kernelement 6 angefügt ist. Auf eine Wiederholung der Beschreibung des bereits in der 3 dargestellten Aufbaus soll hier verzichtet werden. Zur Verdeutlichung wurden die Bezugszeichen der bereits beschriebenen Komponenten in die 4 übernommen.
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Das angefügte vierte Kernelement 6 ist als ein E-förmiger Ferritkern ausgebildet, dessen mittlerer Schenkel 61 eine Wicklung W' trägt. Als Träger der Wicklung W' kann ein eigenständiger und insbesondere einteilig ausgeführter, in der Zeichnung jedoch nicht dargestellter Wickelkörper vorgesehen werden. Die Stirnflächen der beiden äußeren Schenkel 62, 63 des vierten Kernelements 6 liegen am ersten und zweiten Kernelement 2', 3' an. Die in der 4 erkennbaren Abstände zwischen den Kernelementen 6 und 2' beziehungsweise 6 und 3' sind nur zur besseren Unterscheidbarkeit der Kernelemente 2', 3', 6 eingezeichnet.
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Das induktive Bauelement in der 4, besteht somit aus einer Anordnung aus drei Kernelementen wie sie in der 3 dargestellt ist und weist daher auch deren bereits beschriebenen Eigenschaften und Vorteile auf. Das angefügte weitere E-förmige Kernelement mit seiner Wicklung W' bewirkt', dass die gesamte Anordnung elektrisch einen Transformator, ähnlich der in der 2 skizzierten Ausführung, ausbildet.
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Bezugszeichen
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- 1, 1'
- erstes Kernelement
- 2, 2'
- zweites Kernelement
- 3, 3'
- drittes Kernelement
- 4
- erste Wickelkörperhälfte
- 5
- zweite Wickelkörperhälfte
- 6
- viertes Kernelement
- 10, 20, 30, 10', 20', 30'
- Grundkörper
- 11, 12, 13, 11', 12' 21, 22, 23, 31, 32, 33,
- Schenkel (am ersten Kernelement)
- 21', 22', 31', 32' 113, 122, 123, 133,
- Schenkel (am zweiten und dritten Kernelement)
- 211, 221, 231
- Stirnflächen
- 40
- Luftspalte
- 41, 51
- Rastelemente
- 42, 52
- Federarme
- 43, 53
- Durchbrüche
- 61, 62, 63
- Schenkel (am vierten Kernelement)
- W, W', W1, W2
- Spulenwicklungen
