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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ringkerndrossel für eine elektrische und/oder elektronische Baugruppe
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Stand der Technik
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Drosseln werden in vielen Bereichen der Stromversorgung elektrischer und elektronischer Geräte, in der Leistungselektronik sowie der Nieder- und Hochfrequenztechnik eingesetzt. Die Drosseln sind dabei als Spulen aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgebildet.
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Zur Steigerung des induktiven Widerstands umfassen Drosseln häufig einen weichmagnetischen Kern. Eine bekannte Bauform von Drosseln mit einem weichmagnetischen Kern stellen dabei sogenannte Ringkerndrosseln dar. Bei Ringdrosseln werden elektrische Leiter auf weichmagnetische Ringkerne gewickelt. Durch den weichmagnetischen Kern wird der induktive Widerstand der Spule erhöht.
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Der Ringkern muss gekühlt werden um die Wärme aus dem Ringkern und den den Ringkern umgebenden Leitern abzuführen. Ist der Ringkern in der Drossel beispielsweise von flächigen Leitern umgeben, ist es sehr schwierig die Wärme vom Ringkern abzuführen. Ringkerne werden dabei auf Grund von zwei Faktoren dimensioniert. Diese Faktoren sind die Sättigungsstromstärke und die Verlustleistung. In Abhängigkeit dieser Faktoren wird das Volumen und das Material des Ringkerns ausgewählt. Eine Kühlung des Ringkerns wird in vielen Fällen nicht in Erwägung gezogen, da eine Kühlvorrichtung, die den Ringkern kühlt, den magnetischen Fluss im Ringkern nicht kurzschließen darf.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Ringkerndrossel für eine elektrische und/oder elektronische Baugruppe vorgeschlagen. Die Ringkerndrossel umfasst einen Ringkern und einen den Ringkern umgebenden elektrischen Leiter, wobei der Ringkern eine axiale Richtung und eine zentrale Ringöffnung aufweist und wobei an dem Ringkern eine erste ringförmige Oberfläche und eine von der ersten ringförmigen Oberfläche abgewandte zweite ringförmige Oberfläche ausgebildet sind, wobei die Ringkerndrossel weiterhin einen Kühlkörper aus wärmeleitfähigem Material umfasst. Erfindungsgemäß ist ein Zentralbereich des Kühlkörpers in einem Innenraum des Ringkerns angeordnet.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die erfindungsgemäße Baugruppe den Vorteil auf, dass durch den Kühlkörper, dessen Zentralbereich im Innenraum des Ringkerns angeordnet ist, die Wärme vom Ringkern besonders gut und einfach in den Außenbereich des Ringkerns abgeleitet werden kann. Dies ermöglicht eine kostengünstige und sehr effiziente Kühlung des Ringkerns und damit der Ringkerndrossel. Die Kühlung der Ringkerndrossel kann dabei vorteilhaft erfolgen, ohne dass durch die Kühlung der magnetische Fluss in der Spule eliminiert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der im Innenraum des Ringkerns angeordnete Zentralbereich des Kühlkörpers ringförmig um die zentrale Ringöffnung herum ausgebildet ist. Somit umläuft der Zentralbereich des Kühlkörpers die Ringöffnung des Ringkerns durchgehend. Dadurch kann in dem Ringkern entstehende Wärme vorteilhaft gut und gleichmäßig, die Ringöffnung umlaufend, vom Ringkern auf den Zentralbereich des Kühlkörpers abgeleitet werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der ringförmig ausgebildete Zentralbereich des Kühlkörpers konzentrisch zu dem Ringkern angeordnet ist. So wird die Wärme aus dem Ringkern vorteilhaft gleichmäßig an den Zentralbereich des Kühlkörpers abgeleitet. Gleichzeitig wird durch eine derartige Geometrie der magnetische Fluss in dem Ringkern nur minimal gestört, da auch die Magnetfeldlinien konzentrisch in dem Ringkern verlaufen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass an dem Kühlkörper ein Verbindungsbereich ausgebildet ist, der an den Zentralbereich des Kühlkörpers anschließt, wobei der Verbindungsbereich teilweise in dem Innenraum des Ringkerns angeordnet ist und teilweise in einem Außenbereich des Ringkerns angeordnet ist. Durch den Verbindungsbereich kann Wärme, die vom Ringkern an den Zentralbereich des Kühlkörpers abgeleitet wurde, weiter an den Verbindungsbereich und über diesen aus dem Ringkern heraus, also in den Außenbereich des Ringkerns geleitet werden. Der Verbindungsbereich verbindet somit den im Innenraum des Ringkerns angeordneten Zentralbereich des Kühlkörpers mit dem Außenbereich des Ringkerns und führt die Wärme vom Innenraum in den Außenbereich des Ringkerns bzw. der Ringkerndrossel ab. Der Verbindungsbereich kann dabei beispielsweise mit einer Kühlvorrichtung und/oder einer Leiterplatte verbunden sein und die Wärme vom Ringkern zu der Kühlvorrichtung und/oder der Leiterplatte ableiten.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Verbindungsbereich in radialer Richtung von dem Zentralbereich zu dem Außenbereich des Ringkerns erstreckt. So wird die Wärme aus den Ringkern in der radialen Richtung vom Zentralbereich des Kühlkörpers weggeleitet.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich der Verbindungsbereich in der radialen Richtung über die ringförmigen Oberflächen hinaus erstreckt. Ein so ausgebildeter Verbindungsbereich kann als Sockel für die Ringkerndrossel bilden und den Ringkern von einer Leiterplatte und/oder einer Kühlvorrichtung, an der der Verbindungsbereich befestigt ist, beabstanden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Kühlkörper aus Metall ausgebildet ist. Ein derart ausgebildeter Kühlkörper ist besonders einfach zu fertigen und zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Ringkern in radialer Richtung und in axialer Richtung über den Zentralbereich des Kühlkörpers hinausragt. In den Bereichen, in denen der Ringkern über den Zentralbereich des Kühlkörpers hinausragt, können sich die Magnetfeldlinien in dem Ringkern ungestört ausbilden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der Zentralbereich des Kühlkörpers eine Außenfläche aufweist, die komplementär zu einer Innenfläche des Ringkerns in dem Innenraum ausgebildet ist, so dass der Ringkern an der Innenfläche in direktem Kontakt mit der Außenfläche des Kühlkörpers steht. So wird ein vorteilhaft großflächiger Kontaktbereich zwischen dem Zentralbereich des Kühlkörpers und dem Ringkern hergestellt, wodurch die Wärme besonders gut vom Ringkern auf den Kühlkörper übertragen werden kann. Somit kann die Wärme von der Ringkerndrossel besonders gut abgeführt werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Außenfläche des Zentralbereichs des Kühlkörpers und die Innenflächen des Ringkerns zumindest teilweise zylinderförmig ausgebildet sind. So wird wiederum ein großflächiger Kontaktbereich zwischen dem Zentralbereich des Kühlkörpers und dem Ringkern hergestellt, wodurch die Wärme besonders gut vom Ringkern auf den Kühlkörper übertragen werden kann. Gleichzeitig werden durch diese Geometrie die sich im Ringkern ausbildenden Magnetfeldlinien nur minimal gestört und trotzdem ein Kühlkörper im Inneren des Ringkerns realisiert, der die Wärme effektiv und gleichmäßig aus dem Ringkern ableiten kann.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe,
- 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe aus 1,
- 3 einen weiteren Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Baugruppe aus 1.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ringkerndrossel 5. 2 zeigt einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel der Ringkerndrossel 5 aus 1, wobei die Ringkerndrossel 5 entlang einer Ebene E, die sich senkrecht zur axialen Richtung A erstreckt, geschnitten ist. 3 zeigt eine weitere Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels der Ringkerndrossel 5 aus 1. In 3 ist dabei der Schnitt entlang einer Ebene S dargestellt, die senkrecht zu der Ebene E angeordnet ist.
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Die Ringkerndrossel 5 kann beispielsweise als Gleichtaktdrossel oder Gegentaktdrossel in einer Vielzahl an leistungselektronischen Komponenten, wie beispielsweise Invertern oder DC/DC-Wandlern Anwendung finden. Die Ringkerndrossel 5 kann beispielsweise in Filtern mit Gleichtaktdrosseln eingesetzt werden. Die Ringkerndrossel 5 kann beispielsweise in passiven elektrischen Filtern zur Unterdrückung unerwünschter hochfrequenter Störungen eingesetzt werden. Ein weiterer Einsatzbereich ist die Verwendung als Transformator.
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Die Ringkerndrossel 5 umfasst Ringkern 10 und einen elektrischen Leiter 6, der der Ringkern 10 umgibt, beispielsweise um den Ringkern 10 gewickelt ist. Weiterhin umfasst die Ringkerndrossel 5 einen Kühlkörper 20, der zur Kühlung des Ringkerns 10 und damit zur Kühlung der gesamten Ringkerndrossel 5 vorgesehen ist.
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Der Ringkern 10 ist beispielsweise in Form eines Rings oder Toroids ausgebildet. Der Ringkern 10 weist eine axiale Richtung A auf. Der Ringkern 10 weist eine zentrale Ringöffnung 18 auf. An dem Ringkern 10 sind eine erste ringförmige Oberfläche 11 und eine zweite ringförmige Oberfläche ausgebildet 12. Die erste ringförmige Oberfläche 11 ist von der zweiten ringförmigen Oberfläche 12 abgewandt. Die ringförmigen Oberflächen 11, 12 erstrecken sich ringförmig um die zentrale Ringöffnung 18 herum. Die ringförmigen Oberflächen 11,12 sind in der axialen Richtung A durch die Ausdehnung a des Ringkerns 10 voneinander beabstandet. Die ringförmigen Oberflächen 11,12 sind in diesem Ausführungsbeispiel eben ausgebildet und beispielsweise planparallel zueinander ausgebildet. Die ringförmigen Oberflächen 11,12 sind deckungsgleich zueinander. Die ringförmigen Oberflächen 11,12 begrenzen den toroidfömig ausgebildeten Ringkern in der axialen Richtung A.
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Der Ringkern 10 ist aus einem weichmagnetischem Material ausgebildet. Ein weichmagnetisches Material wird durch in der Norm IEC 60404-1 klassifiziert. So kann der Ringkern 10 beispielsweise ein Ferrit- oder Pulver-Ringkern sein oder beispielsweise auch aus kristallinen oder amorphen Metallbändern bestehen. Der Ringkern 10 bildet einen geschlossenen magnetischen Kreis, wobei sich der magnetische Fluss fast ausschließlich im ringförmigen Ringkern 10 ausbreitet.
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Neben dem Ringkern 10 umfasst die Ringkerndrossel 5 weiterhin einen elektrischen Leiter 6. Der elektrische Leiter 6 ist beispielsweise auf den Ringkern 10 aufgewickelt. Die Ringkerndrossel 5 kann dabei beispielsweise nur einen elektrischen Leiter 6 umfassen, sie kann aber auch mehrere auf den Ringkern 10 gewickelte elektrische Leiter 6 umfassen. So bildet der elektrischen Leiter 6 zusammen mit dem Ringkern 10 eine Toridspule, die beispielsweise auch als Kreisringspule, oder Ringspule bezeichnet wird.
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Der Kühlkörper 20 ist aus einem wärmeleitenden Material, beispielsweise aus Aluminium gefertigt. Der Kühlkörper 20 weist einen Zentralbereich 21 und einen Verbindungsbereich 22 auf. Der Kühlkörper 20 ist beispielsweise einstückig und durchgehend aus dem gleichen Material ausgebildet. Der Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 ist beispielsweise in Form eines Rings oder Toroids ausgebildet. Der Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 weist eine axiale Richtung A auf, die der axialen Richtung A des Ringkerns 10 entspricht. Der Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 weist, wie auch der Ringkern 10, eine zentrale Ringöffnung auf. Am Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 sind eine erste ringförmige Oberfläche 31 und eine zweite ringförmige Oberfläche 32 ausgebildet. Die erste ringförmige Oberfläche 31 ist von der zweiten ringförmigen Oberfläche 32 abgewandt. Die ringförmigen Oberflächen 31,32 erstrecken sich ringförmig um die zentrale Ringöffnung 18 herum. Die ringförmigen Oberflächen 31,32 des Zentralbereichs 21 des Kühlkörpers 20 sind in der axialen Richtung A durch die Ausdehnung b des Zentralbereichs 21 des Kühlkörpers 20 voneinander beabstandet. Die ringförmigen Oberflächen 31,32 des Zentralbereichs 21 des Kühlkörpers 20 sind in diesem Ausführungsbeispiel eben ausgebildet und beispielsweise planparallel zueinander ausgebildet. Die ringförmigen Oberflächen 31,32 sind deckungsgleich zueinander. Die ringförmigen Oberflächen 31,32 begrenzen den toroidfömig ausgebildeten Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 in der axialen Richtung A.
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Der Kühlkörper 20 ist teilweise in dem Innenraum 16 des Ringkerns 10 angeordnet und teilweise im Außenbereich 17 des Ringkerns 10 angeordnet. Dabei ist der Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 in dem Innenraum 16 des Ringkerns 10 angeordnet und der Verbindungsbereich 22 des Kühlkörpers 20 teilweise in dem Innenraum 16 des Ringkerns 10 und teilweise im Außenbereich 17 des Ringkerns 10 angeordnet.
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Dabei ist der Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 in den Ringkern 10 eingebettet. Der ringförmige Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 ist zu alle Seiten hin von dem Ringkern 10 umgeben und steht mit dem Ringkern 10 in direktem, wärmeleitenden Kontakt. Der ringförmige Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 ist dabei in dem ringförmigen Innenraum 16 des ringförmigen Ringkern 10 angeordnet. Der Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 ist dabei konzentrisch zu dem Ringkern 10 ausgebildet. Der Ringkern 10 überragt den Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 sowohl in axialer Richtung A als auch in radialer Richtung R zur zentralen Ringöffnung 18 hin und von der zentralen Ringöffnung 18 weg. An dem Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 ist eine Außenfläche 23 ausgebildet, die komplementär zu einer Innenfläche 15 des Ringkerns 10 in dem Innenraum 16 ausgebildet ist, so dass der Ringkern 10 an der Innenfläche 15 in direktem Kontakt mit der Außenfläche 23 des Kühlkörpers 20 steht. Wie in den Figuren dargestellt, sind die Außenfläche 23 des Zentralbereichs 21 des Kühlkörpers 20 und die Innenfläche 15 des Ringkerns 10 teilweise zylinderförmig ausgebildet. Das heißt die Außenfläche 23 und die Innenfläche 15 sind mit Ausnahme des Bereichs, in dem der Verbindungsbereich 22 an den Zentralbereich 21 anschließt, zylinderförmig ausgebildet. Der Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 und der Ringkern 10 umlaufen die zentrale Ringöffnung 18 des Ringkerns 10 durchgehend. Der Ringkern 10 weist eine Ausnehmung 19 auf, die den Innenraum 16 des Ringkerns 10 mit dem Außenbereich 17 des Ringkerns 10 verbindet.
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Der Verbindungsbereich 22 des Kühlkörpers 20 schließt direkt an den ringförmigen Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 an. Der Verbindungsbereich 22 ragt dabei in radialer Richtung R von dem Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 ab. Die radiale Richtung R ist senkrecht zu der axialen Richtung A ausgerichtet. Der Verbindungsbereich 22 erstreckt sich durch die Ausnehmung 19 in dem Ringkern 10 hindurch in den Außenbereich 17 des Ringkerns 10. Der Verbindungsbereich 22 kann dabei beispielsweise quaderförmig ausgebildet sein und in axialer Richtung die gleiche Ausdehnung wie der Zentralbereich 21 des Kühlkörpers 20 aufweisen.
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Der Abstand a zwischen den planparallel angeordneten ringförmigen Oberflächen 11,12 des Ringkerns 10 und der Abstand b zwischen den ringförmigen Oberflächen 31,32 des Kühlkörpers 20 wird in axialer Richtung A gemessen. Der Abstand b zwischen den ringförmigen Oberflächen 31,32 des Kühlkörpers 20 ist kleiner als der Abstand a zwischen den ringförmigen Oberflächen 11,12 des Ringkerns 10. Der Kühlkörper 20 und der Ringkern 10 sind spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene E, die sich senkrecht zur axialen Richtung A erstreckt, ausgebildet. Der Kühlkörper 20 und der Ringkern 10 sind weiterhin spiegelsymmetrisch zu einer Ebene S, die senkrecht zu der Ebene E und gleichzeitig durch den Verbindungsbereich 22 des Kühlkörpers 20 verläuft, ausgebildet.
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Selbstverständlich sind noch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
