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Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement sowie ein Verfahren zum Herstellen eines ebensolchen induktiven Bauelements.
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Um EMV-Störungen zu dämpfen, werden unter anderen stromkompensierte Drosseln oder Gleichtaktdrosseln (CMC engl. Für „Common Mode Choke“) verwendet. Derartige Drosseln haben mehrere Spulenwicklungen, die gegensinnig vom Arbeitsstrom durchflossen werden, sodass sich deren magnetische Felder im Spulenkern der Drossel aufheben.
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Die Spulenwicklung wird von Hand oder maschinell auf den Kern gewickelt oder zuvor als Spulenwicklung hergestellt und anschließend auf den Kern „aufgeschoben“, wobei in letzterem Fall der Spulenkern aus zwei Teilen gefertigt ist. Nachteil der zwei Spulenkernhälften ist, dass entweder der Spulenkern aus einem massiven Ferrit bestehen muss, was zu größeren bauenden Drosseln führt, weil dieses Material weniger optimale magnetische Eigenschaften besitzt, oder der Spulenkern wird als Ringbandkern ausgeführt (mit magnetisch besserem Materialverhalten), dann wird jedoch die Drosselwirkung der Spule wiederum durch die Fuge der Zweiteilung verschlechtert, was dann ebenfalls wieder durch eine größere braune Drosselspule kompensiert werden muss.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein induktives Bauelement, insbesondere eine Spule, eine Drosselspule oder einen Transformator, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines ebensolchen induktiven Bauelements anzugeben, wobei das induktive Bauelement sich bei gleicher Wirkungsweise gegenüber den Stand der Technik durch eine kompaktere platzsparende Bauweise auszeichnet.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
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Ein erster Aspekt Erfindung betrifft ein induktives Bauelement, insbesondere Spule, eine Drosselspule oder einen Transformator, aufweisend: eine Anzahl N von U-förmigen elektrisch leitenden Spulensegmenten SSn, mit n = 1, ..., N und N > 1,
einen Spulenkern, wobei die Spulensegmente SSn am Spulenkern derart angeordnet sind, dass sich ein Abschnitt des Spulenkerns jeweils (vollständig) innerhalb der U-förmigen Spulensegmente SSn befindet und die Öffnungen der U-förmigen Spulensegmente SSn in dieselbe Richtung zeigen, und die Enden benachbarter U-förmiger Spulensegmente SSn über jeweils ein elektrisch leitendes Verbindungselement VEm derart elektrisch verbunden sind, dass jeweils ein Ende eines Spulensegments SSn über ein Verbindungselement VEm mit einem gegenüberliegenden Ende eines benachbarten U-förmigen Spulensegments SSn verbunden ist, so dass sich insgesamt eine elektrisch leitende Spulenwicklung um den Spulenkern ergibt, mit m = 1, ..., N-1.
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In einer vorteilhaften Weiterentwicklung weist das induktive Bauelement mehr als eine elektrisch leitende Spulenwicklung um den Spulenkern auf.
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Der Begriff „U-förmiges“ Spulensegment wird vorliegend derart verstanden, dass das Spulensegment zwei im Wesentlichen gleich lange Schenkel aufweist, die jeweils an einem Ende miteinander verbunden sind. Diese Verbindung kann gebogen aber auch rechtwinklig zu den Schenkeln ausgeführt sein. Das U-förmige Spulensegment kann also beispielsweise die Form: ⊓ oder die Form: ∩ aufweisen. Das U-förmige Spulensegment kann aus mehreren gefügten Teilsegmenten, bspw. aus einem L-förmigen Teilsegment und einem I-förmigen Teilsegment oder aus drei I-förmigen Teilsegmenten bestehen. Die jeweiligen Teilsegmente sind jeweils zu einer U-Form vorgefügt.
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Vorteilhaft sind die Spulensegmente SSn wie folgt über die Verbindungselemente VEm verbunden: SS1 - VE1 - SS2 - VE2 - SS3 - VE3 ... VEm=N-1 - SSN. Vorteilhaft sind die freien Enden der U-förmigen Spulensegmente SS1 und SSN mit Anschlusskontakten verbunden. Vorteilhaft weisen die freien Enden der U-förmigen Spulensegmente SSn jeweils eine Nut oder einen Falz auf, in welche Kontakte der Verbindungselemente VEm oder der Anschlusskontakte eingebracht und elektrisch leitend mit den Spulensegmenten SSn verbunden sind. Die Enden benachbarter U-förmiger Spulensegmente SSn sind mit den Verbindungselementen VEm und/oder den Anschlusskontakten vorteilhaft mittels Löten oder Schweißen, insbesondere Laserschweißen verbunden.
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Vorteilhaft ist der Spulenkern als Toroid, als Ring oder eckig ausgeführt. Vorteilhaft sind in einer zentralen durchgehenden Öffnung des Spulenkerns Führungselemente angeordnet, in welche die Spulensegmenten SSn, d.h. ein Schenkel der U-förmigen Spulensegmente SSn eingefügt sind. Die Führungselemente sind vorteilhaft aus Kunststoff gefertigt.
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Vorteilhaft besteht der Spulenkern aus Eisen oder einer Eisenlegierung oder aus einer Eisenlegierung mit Beimengungen von Silizium Si und Bor B oder aus einer Eisenlegierung mit Beimengungen von Silizium Si und Bor B und Niob Nb und/oder Kupfer Cu. Vorteilhaft besteht der Spulenkern aus einer amorphen nanokristallinen Legierung aus 80- 85 Gew.% Fe, 1 - 1,5 Gew.% Cu, 5 - 6 Gew.% Nb, 7 - 8 Gew.% Si und 1 - 2 Gew.% B.
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Vorteilhaft sind die Spulensegmente SSn jeweils als eine U-förmig gebogene Stromschiene aus einem Vollmaterial ausgeführt. Vorteilhaft sind die Stromschienen aus einem Cu-Vollmaterial oder einem Cu-Legierung-Vollmaterial, Al-Vollmaterial, AI-Legierung-Vollmaterial ausgeführt (AI für Aluminium). Vorteilhaft weisen die Stromschienen eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.
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Eine vorderste Weiterbildung des vorgeschlagenen induktiven Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die Spulensegmente SSn jeweils als eine U-förmig gebogene Litze oder geformte Litze mit einer Vielzahl von Einzeldrahtleitungen ausgeführt sind, wobei die Einzeldrähte miteinander verdrillt und voneinander elektrisch isoliert sind. Vorteilhaft sind die Einzeldrahtleitungen jeweils an den Enden der U-förmigen Litze elektrisch miteinander verbunden. Vorteilhaft sind die Einzeldrahtleitungen jeweils an den Enden der U-förmig gebogenen Litze mittels Löten und/oder Ultraschallschweißen und/oder Laserschweißen elektrisch leitend verbunden. Diese Ausführungsform eignet sich insbesondere für hochfrequente Anwendungen, wo Stromschienen beispielsweise aus Cu-Vollmaterial oder anderen Materialien nicht verwendbar wären
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Vorteilhaft sind die Verbindungselemente VEm aus Cu-Vollmaterial oder einem Cu-Legierung-Vollmaterial, Al-Vollmaterial, Al-Legierung-Vollmaterial oder aus einem Formlitzenstück mit einer Vielzahl von Einzeldrahtleitungen ausgeführt.
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Mit der vorliegenden Erfindung können durch folgende zwei wesentliche Maßnahmen bei gleichbleibender Wirkweise kleiner bauend induktive Bauelemente realisiert werden:
- 1. die Spulenwicklungen werden als U-förmige Spulensegmente SSn (insbesondere aus Stromschienen aus einem Vollmaterial) realisiert, und
- 2. die U-förmigen Spulensegmente SSn umschließen jeweils einen Abschnitt des Kerns und sind über elektrisch leitende Verbindungselemente VEm derart verbunden, dass sich eine elektrisch leitende Spulenwicklung um den Spulenkern ergibt.
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Dies ermöglicht einerseits einen hohen Füllfaktor des verfügbaren Wickelfensters (= innerer Hohlraum des Spulenkerns). Andererseits können die U-förmigen Spulensegmente SSn vor dem elektrischen Verbinden mit den Verbindungselementen VEm auch in einen ringförmig geschlossenen (einteiligen) Spulenkern eingebaut werden, weshalb diese als magnetisch optimaler Ringbandkern ohne Trennfuge ausgeführt werden kann. Damit können insgesamt bei gleicher elektrischer Wirkung wesentlich kleiner bauend Spulen, Drosseln oder Transformatoren realisiert werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Spannungsverdoppler oder einen Umrichter oder einen DC-DC-Wandler oder einen AC-AC-Wandler oder einen DC-AC-Wandler oder einen AC-DC-Wandler oder ein Ladegerät mit einem induktiven Bauelement, wie vorstehend beschrieben.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Landfahrzeug, ein Luftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Schienenfahrzeug, ein Raumfahrzeug mit einem induktiven Bauelement, wie vorstehend beschrieben.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements, insbesondere einer Spule, einer Drossel oder eines Transformators, mit den Schritten: Bereitstellen von einer Anzahl N von U-förmigen elektrisch leitenden Spulensegmenten SSn, mit n = 1, ..., N und N > 1, Bereitstellen eines Spulenkerns für das induktive Bauelement, Anordnen der Spulensegmente SSn am Spulenkern derart, dass sich ein Abschnitt des Spulenkerns jeweils innerhalb der U-förmigen Spulensegmente SSn befindet und die Öffnungen der U-förmigen Spulensegmente SSn in dieselbe Richtung zeigen, elektrisches Verbinden von Enden benachbarter U-förmiger Spulensegmente SSn über jeweils ein elektrisch leitendes Verbindungselement VEm derart, dass jeweils ein Ende eines Spulensegments SSn über ein Verbindungselement VEm mit einem gegenüberliegenden Ende eines benachbarten U-förmigen Spulensegments SSn verbunden ist, so dass sich insgesamt eine elektrisch leitende Spulenwicklung um den Spulenkern ergibt, mit m = 1, ..., N-1.
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Vorteilhaft werden die Spulensegmente SSn wie folgt über die Verbindungselemente VEm verbunden: SS1 - VE1 - SS2 - VE2 - SS3 - VE3 ..... VEm=N-1 - SSN. Vorteilhaft werden die freien Enden der U-förmigen Spulensegmente SS1 und SSN mit Anschlusskontakten verbunden. Vorteilhaft ist der Spulenkern als Toroid, als Ring oder eckig ausgeführt ist.
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Vorteilhaft ist der Spulenkern einstimmig ausgeführt. Vorteilhaft sind in einer zentralen durchgehenden Öffnung des Spulenkerns Führungselemente angeordnet, in welche die Spulensegmenten SSn jeweils mit einem Schenkel der U-förmigen Spulensegmente SSn eingefügt werden. Vorteilhaft besteht der Spulenkern aus Eisen oder einer Eisenlegierung oder aus einer Eisenlegierung mit Beimengungen von Silizium Si und Bor B oder aus einer Eisenlegierung mit Beimengungen von Silizium Si und Bor B und Niob Nb und/oder Kupfer Cu. Vorteilhaft besteht der Spulenkern aus einer amorphen nanokristallinen Legierung aus 80- 85 Gew.% Fe, 1 - 1,5 Gew.% Cu, 5 - 6 Gew.% Nb, 7 - 8 Gew.% Si und 1 - 2 Gew.% B. Vorteilhaft sind die Spulensegmente SSn jeweils als eine U-förmig gebogene Stromschiene aus einem Vollmaterial ausgeführt. Vorteilhaft sind die Stromschienen aus einem Cu-Vollmaterial oder einem Cu-Legierung-Vollmaterial, Al-Vollmaterial, AI-Legierung-Vollmaterial ausgeführt. Vorteilhaft weisen die Stromschienen eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.
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Alternativ sind die Spulensegmente SSn jeweils als eine U-förmig gebogene Formlitze mit einer Vielzahl von Einzeldrahtleitungen ausgeführt, wobei die Einzeldrähte miteinander verdrillt und voneinander elektrisch isoliert sind. Vorteilhaft werden die Einzeldrahtleitungen jeweils an den Enden der U-förmig gebogenen oder geformte Litze elektrisch miteinander verbunden. Vorteilhaft erfolgt das elektrische Verbinden der Einzeldrahtleitungen jeweils an den Enden der U-förmig gebogenen Litze mittels Löten und/oder Ultraschallschweißen und/oder Laserschweißen und/oder Buckelschweißen und/oder Spaltschweißen.
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Vorteilhaft sind die Verbindungselemente VEm aus einem Cu-Vollmaterial, einem Cu-Legierung-Vollmaterial, Al-Vollmaterial, Al-Legierung-Vollmaterial oder aus einem Stück einer geformten Litze mit mehreren Einzeldrahtleitungen, die Ultraschallgeschweißt und/oder Lasergeschweißt sind, ausgeführt.
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Vorteilhaft erfolgt das elektrische Verbinden der freien Enden benachbarter U-förmiger Spulensegmente SSn mit den Verbindungselementen VEm und/oder den Anschlusskontakten mittels Löten oder Schweißen, insbesondere mittels Ultraschall-, Laser-, Buckel- oder Spaltschweißen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
- 1 einen schematisierten Aufbau einer Spulenwicklung aus Spulensegmenten SSn 101 und Verbindungselementen VEm 103 ohne Spulenkern,
- 2 einen ringförmig geschlossenen Spulenkern mit Führungselementen 110 zum Einfügen der Spulensegmente SSn 101,
- 3 einen schematisierten Aufbau eines induktiven Bauteils mit mehreren auf einem Spulenkern aufgebrachten Spulen aus Spulensegmenten SSn 101 und Verbindungselementen VEm 103 sowie entsprechenden Anschlusskontakten 104, und
- 4 einen schematisierten Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines induktiven Bauelements gemäß der Erfindung.
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1 zeigt einen schematisierten Aufbau einer Spulenwicklung aus zwei Spulensegmenten SSn 101 und zwei Verbindungselementen VEm 103 ohne Spulenkern und zwei Anschlusskontakten 104. Ein erstes Verbindungselement VEm 103 (das linke von beiden Verbindungselementen 103) verbindet einen ersten Anschlusskontakt 104 mit einem ersten Spulensegment SSn 101. Das zweite Verbindungselementen VEm 103 (das rechte von beiden Verbindungselementen 103) verbindet das erste Spulensegment SSn 101 (das linke von beiden Spulensegmenten) mit dem zweiten Spulensegment SSn 101 (das rechte von beiden Spulensegmenten). Das freie Ende des zweiten Spulensegments SSn 101 ist wiederum mit einem Anschlusskontakt 104 verbunden. Zu erkennen ist deutlich dass die freien Enden der Spulensegmente SSn 101 Nuten aufweisen, in welche die Enden der Verbindungselemente VEm 103 bzw. die Enden der Anschlusskontakte 104 elektrisch leitend eingebracht und fixiert sind. Das Fixieren erfolgte vorzugsweise mittels Laserschweißen. Die hier als Nut-Kamm dargestellten Verbindungsstellen können auch andere Formen wie zum Beispiel als Falz ausgeführt werden.
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2 zeigt als ein Ausführungsbeispiel einen ringförmig geschlossenen Spulenkern mit Führungselementen 110 zum Einfügen und Positionieren der Spulensegmente SSn 101.
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3 zeigt einen schematisierten Aufbau eines induktiven Bauteils mit drei auf einem Spulenkern aufgebrachten Spulen aus Spulensegmenten SSn 101 und Verbindungselementen VEm 103 sowie entsprechenden Anschlusskontakten 104.
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Das induktive Bauelement weist eine Anzahl N = 6 von U-förmigen elektrisch leitenden Spulensegmenten SSn 101, mit n = 1, ..., 6, und einen Spulenkern 102 auf, wobei die Spulensegmente SSn 101 am Spulenkern 102 derart angeordnet sind, dass sich ein Abschnitt des Spulenkerns 102 jeweils innerhalb der U-förmigen Spulensegmente SSn 101 befindet und die Öffnungen der U-förmigen Spulensegmente SSn 101 in dieselbe Richtung zeigen, und die Enden benachbarter U-förmiger Spulensegmente SSn über jeweils ein elektrisch leitendes Verbindungselement VEm 103 derart elektrisch verbunden sind, dass jeweils ein Ende eines Spulensegments SSn 101 über ein Verbindungselement VEm (103) mit einem gegenüberliegenden Ende eines benachbarten U-förmigen Spulensegments SSn 101 verbunden ist, so dass sich insgesamt drei elektrisch leitende Spulenwicklungen um den Spulenkern 102 ergeben.
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Die drei Spulenwicklungen sind jeweils über entsprechende Anschlusskontakte 104 elektrisch kontaktierbar.
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4 zeigt einen schematisierten Ablauf eines Verfahrens zur Herstellung eines induktiven Bauelements gemäß der Erfindung. Das Verfahren umfasst folgende Schritte.
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In einem ersten Schritt 201 erfolgt ein Bereitstellen von einer Anzahl N von U-förmigen elektrisch leitenden Spulensegmenten SSn, mit n = 1, ..., N und N > 1. In einem zweiten Schritt 202 erfolgt ein Bereitstellen eines Spulenkerns für das induktive Bauelement. In einem dritten Schritt 203 erfolgt ein Anordnen der Spulensegmente SSn am Spulenkern derart, dass sich ein Abschnitt des Spulenkerns jeweils innerhalb der U-förmigen Spulensegmente SSn befindet und die Öffnungen der U-förmigen Spulensegmente SSn in dieselbe Richtung zeigen. In einem vierten Schritt 204 erfolgt ein elektrisches Verbinden von Enden benachbarter U-förmiger Spulensegmente SSn über jeweils ein elektrisch leitendes Verbindungselement VEm derart, dass jeweils ein Ende eines Spulensegments SSn über ein Verbindungselement VEm mit einem gegenüberliegenden Ende eines benachbarten U-förmigen Spulensegments SSn verbunden ist, so dass sich insgesamt eine elektrisch leitende Spulenwicklung um den Spulenkern ergibt, mit m = 1, ..., N-1. Vorteilhaft erfolgt in einem optionalen weiteren Schritt ein elektrisches Verbinden von Enden der U-förmiger Spulensegmente SSn mit jeweils einem elektrisch leitenden Anschlusskontakt 104.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterung in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Spulensegmente SSn
- 102
- Spulenkern
- 103
- Verbindungselemente VEm
- 104
- Anschluss Kontakte
- 110
- Führungselemente
