DE102020114741A1

DE102020114741A1 - Schalenkerndrossel

Info

Publication number: DE102020114741A1
Application number: DE102020114741.4A
Authority: DE
Inventors: Harald Hundt; Axel Schulze; Christian Scharwitz
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 2020-06-03
Filing date: 2020-06-03
Publication date: 2021-12-09

Abstract

Es wird ein Kernteil für ein induktives Element beschrieben, das aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist und folgendes umfasst: eine im Wesentlichen U-förmige Wandung, eine Rückwandung, einen zylinderförmigen Mittelbutzen, der an der Rückwandung angeordnet ist und von der U-förmigen Wandung umschlossen ist, wobei der Mittelbutzen dazu ausgebildet ist, mit einem Wicklungsdraht gewickelt zu werden, und wobei der Mittelbutzen einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweist. Des Weiteren wird ein induktives Bauelement mit einem derartigen Kernteil beschrieben.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Beschreibung betrifft induktive Bauelemente, insbesondere Schalenkerndrosseln mit zwei Schalenkernhälften und einer Wicklung.
HINTERGRUND
Drosseln sind induktive Bauelemente, die hauptsächlich in der Leistungselektronik zur Zwischenspeicherung von magnetischer Energie oder in elektrischen Filtern z.B. zur Limitierung von Stromspitzen eingesetzt werden. Sie bestehen aus einer elektrischen Strom tragenden Spule und einem Magnetkern aus einem weichmagnetischen Material. Wünschenswert sind insbesondere ein hoher Induktivitätswert, gute Gleichstromvorbelastbarkeit und niedrige Verluste. Besonders wichtig ist die Form des Magnetkerns, der die elektromagnetischen Eigenschaften sowie den Aufbau der Drossel stark beeinflusst. Es sind eine Vielzahl möglicher Formen für den Drosselkern bekannt, wie Stabkerne, Ringkerne, E-Kerne oder Schalenkerne. Drosseln werden zumeist in der Leistungselektronik eingesetzt, beispielsweise in Schaltwandlern (z.B. Inverter und dgl.).
Die Weiterentwicklung der Leistungselektronik führt zu steigenden Anforderungen an die verwendeten Drosseln in Bezug auf verschiedene Parameter. Beispielsweise können bei modernen leistungselektronischen Schaltungen in bestimmten Anwendungen relativ hohe Ströme durch die verwendeten Drosseln fließen. Für eine Drossel mit bestimmter Geometrie führt dies zu einer Erhöhung der elektrischen Verlustleistung. Die elektrische Verlustleistung wird in Wärme umgewandelt, und der Anstieg der in der Drossel (und den benachbarten Schaltungskomponenten) erzeugten Wärmemenge führt zu einer Erhöhung der Temperatur mit einer Reihe potentiell negativer/unerwünschter Auswirkungen.
Eine übliche Gegenmaßnahme zur Senkung der Temperatur ist die Verbesserung des Wärmeabtransports durch Kühlung. Andere Ansätze versuchen die erzeugte Wärmeleistung zu reduzieren, indem der ohmsche Widerstand des Drahtes der Wicklung reduziert wird. Eine Reduktion des Widerstandes kann sowohl durch eine Erhöhung der Querschnittsfläche des Drahtes als auch durch die Verwendung eines Materials mit geringerem spezifischen Widerstand als das üblicherweise verwendete Kupfer erreicht werden. Aus wirtschaftlichen Gründen kommen in den meisten Anwendungen jedoch nur Drähte aus Kupfer zum Einsatz.
Die Erfinder haben es sich zur Aufgabe gemacht, eine Drossel mit einer verbesserten Spulengeometrie bereitzustellen, welche insbesondere für die Bewicklung mit vergleichsweise dicken und steifen Drähten geeignet ist. Die Erfinder haben sich als weitere Aufgabe gesetzt, ein induktives Element mit einer reduzierten Anzahl an Einzelkomponenten bereitzustellen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die oben genannten Aufgaben werden durch die induktiven Kernteile gemäß den Ansprüchen 1 und 16 gelöst. Verschiedene Ausführungsbeispiele und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Es wird ein Kernteil für ein induktives Element beschrieben, das aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist und folgendes umfasst: eine im Wesentlichen U-förmige Wandung, eine Rückwandung, einen zylinderförmigen Mittelbutzen, der an der Rückwandung angeordnet ist und von der U-förmigen Wandung umschlossen ist, wobei der Mittelbutzen dazu ausgebildet ist, mit einem Wicklungsdraht gewickelt zu werden, und wobei der Mittelbutzen einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweist.
Es wird außerdem ein induktives Element beschrieben, das folgendes umfasst: mindestens zwei Kernteile, die aus einem weichmagnetischen Material gefertigt sind, und mindestens einen Wicklungsdraht aus einem elektrischen Leiter. Mindestens eines der Kernteile umfasst eine im Wesentlichen U-förmige Wandung, eine Rückwandung und einen zylinderförmigen Mittelbutzen, der an der Rückwandung angeordnet ist und von der U-förmigen Wandung umschlossen ist, wobei der Mittelbutzen einen im Wesentlichen ovalen Querschnitt aufweist. Die Kernteile sind zusammengefügt, um mindestens einen schalenförmigen Kern mit einer Öffnung und einen inneren, zumindest durch den Mittelbutzen gebildeten Zylinder zu bilden, wobei der Wicklungsdraht um den Zylinder gewickelt ist.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert daraufgelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. Zu den Abbildungen:

Die 1a und 1b zeigen eine Draufsicht (1a) und eine Seitenansicht (1b) eines Wicklungsdrahts mit einem annähernd rechteckigen Querschnitt, der (in der Seitenansicht) eine runde Wickelform aufweist.
Die 2a und 2b zeigen eine Querschnittansicht eines rechteckförmigen Wicklungsdrahts im Bereich einer Biegung vor der Biegung (2a) und nach der Biegung (2b).
Die 3a und 3b zeigen eine Draufsicht (3a) und eine Seitenansicht (3b) eines Wicklungsdrahts mit einem annähernd rechteckigen Querschnitt, der eine (in der Seitenansicht) ovale Wickelform aufweist.
4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Kernteils mit einem runden Mittelbutzen.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kernteils mit einem ovalen Mittelbutzen.
6 zeigt eine Draufsicht einer zusammengebauten Drossel gemäß einer ersten Ausführungsform.
7 zeigt eine Querschnittansicht der Drossel der 6 nach dem Füllen mit einer Vergussmasse.
8 zeigt eine perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Kernteils mit einem runden Mittelbutzen und Abstandshaltern.
9 zeigt eine perspektivische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Kernteils mit einem ovalen Mittelbutzen und Abstandshaltern.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zusammengefügten Drossel gemäß einer zweiten Ausführungsform.
11 zeigt eine seitliche Querschnittansicht eines induktiven Elements mit drei Kernteilen gemäß einer dritten Ausführungsform.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Wie eingangs erwähnt sind Drosseln weitverbreitete, passive, elektromagnetische Bauelemente (Induktivitäten), die regelmäßig in großer Zahl industrielle Verwendung finden. Sie bestehen aus einer elektrischen Strom tragenden Spule, im Allgemeinen in Verbindung mit weichmagnetischem Material, das zur Erhöhung der magnetischen Flussdichte des durch den Spulenstrom induzierten Magnetfeldes eingesetzt wird. Der Aufbau der Drossel ist dabei durch die geometrische Anordnung von Wicklungsdraht und Magnetmaterial vorgegeben und üblicherweise durch die Form des Magnetmaterials (üblicherweise ein Magnetkern) vorbestimmt. Die erreichbaren elektromagnetischen Kennwerte (elektromagnetische Bauteilparameter) ergeben sich durch die Materialauswahl für den Kern und den Aufbau der Drossel. Über die Eigenschaften Material, Aufbau und elektromagnetische Kennwerte ist eine Klassifizierung von Drosseln möglich. An Magnetmaterial können z.B. keramische Werkstoffe (Ferrite), aber auch Eisenpulver, Pulverlegierungen, amorphe, kristalline oder nanokristalline Bänder Verwendung finden.
Magnetkerne können z.B. als Stabkern-, Ringkern-, E-Kern- oder Schalenkerndrossel aufgebaut sein. Bei den elektromagnetischen Eigenschaften können z.B. ein hoher Induktivitätswert, gute Gleichstromvorbelastbarkeit und niedrige Verluste wünschenswert sein. Auch wenn die verschiedenen Charakteristika nicht frei in einer Drossel kombinierbar sind, sondern (zumindest teilweise) voneinander abhängen, ergibt sich eine große Fülle an Kombinationsmöglichkeiten.
Das Haupteinsatzfeld von Drosseln ist wie erwähnt das Gebiet der Leistungselektronik, das sich insbesondere mit der Umformung elektrischer Leistung mittels schaltender Bauelemente (z.B. MOSFETs oder IGBTs) befasst. In den verschiedensten Varianten leistungselektronischer Schaltungen erfüllen Drosseln üblicherweise die Aufgaben der Zwischenspeicherung von Energie (Speicherdrossel) oder der Begrenzung von Maximalspitzen des Gleichtakt- oder Gegentaktstroms (Gleich- oder Gegentaktfilterdrossel).
Eine Vielzahl von Drosseltypenreihen sind als Katalogware kommerziell verfügbar. Infolge der hohen Zahl an Variationsmöglichkeiten leistungselektronischer Designs besteht aber dennoch oft der Bedarf, eine exakt an das Anwendungsprofil angepasste Induktivität zu berechnen, um zu einer optimalen Auslegung zu gelangen. Dabei muss aufgrund der Menge an Realisierungsoptionen für Drosseln regelmäßig zwischen unterschiedlichen Alternativen abgewogen und entschieden werden. Die für den industriellen Einsatz relevanten Parameter beim Design neuer Drosseln sind in der Regel die elektromagnetischen Kennwerte wie Induktivität und Betriebsstrom, sowie die äußeren Abmessungen und der Preis relevant. Weitere in der Priorität oft nachgeordnete Charakteristika sind z.B. das Bauteilgewicht, die Anschlusstechnik, das Verhalten über Temperatur oder Frequenz, aber auch die Alterungseffekte und Ähnliches.
Häufig erfordert die Problemstellung den Entwurf einer Drossel, die den durch das leistungselektronische Design vorgegebenen Bauraum optimal ausnutzt. Der Fokus der Entwicklung liegt dann auf der Zielsetzung, die elektromagnetischen Anforderungen bei vorgegebenen äußeren Abmessungen zu erfüllen. Mithin besteht weiter Bedarf, verschiedene Drosselaufgaben in einem Bauelement zu vereinen und so die für eine Schaltung benötigte Zahl der Komponenten zu reduzieren.
Wie eingangs erwähnt kann in der Leistungselektronik die Erzeugung von Wärme durch elektrische Verluste problematisch sein, und die üblichen Maßnahmen zur Reduktion der resultierenden Temperaturen sind die Verbesserung der Kühlung oder die Reduzierung des elektrischen Widerstandes durch die Verwendung dickerer Drähte (Drähte mit größerer Querschnittsfläche).
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele betreffen eine neue Schalenkerndrossel, bei der ein für die elektrischen Anforderungen geeigneter Draht mit vergleichsweise großer Querschnittsfläche (sehr dicker Draht für hohe Ströme) verwendet und durch Biegung zu einer Wicklung geformt wird. Die Wicklung ist im Inneren des Schalenkerns derart angeordnet, dass der verbleibende Hohlraum minimiert wird, wobei die Gefahr von Verletzungen der Drahtisolation möglichst vermieden werden soll. Als Wicklungsdraht wird ein Draht mit Lackisolation verwendet. Dies ermöglicht eine kostengünstige Isolation zwischen Spulendraht und Kern.
Wird dicker Draht durch Biegung geformt, hat das in der Regel einen Zustand höherer mechanischer Spannungen im Drahtmaterial zur Folge. Der Spannungszustand kann anhand einer Simulationsberechnung mittels der Finiten-Elemente-Methode (FEM) ermittelt werden. In der Realität verformt sich bei der Biegung des Drahts zu einer Spulenwicklung das Drahtmaterial plastisch in alle Raumrichtungen mit vergleichsweise großen Materialverformungen. Dies geht nicht nur mit einer Erhöhung der inneren Materialspannungen, sondern auch mit Verschiebungen (plastischen Verformungen) und Verdrehungen (Torsion) des Drahtmaterials einher. Die eingebrachten Zug- und Druckspannungen sowie die Torsion des Drahtes können zu einer Überbeanspruchung der Dehnfähigkeit, und somit zur Schädigung der Drahtisolation führen. Insbesondere bei großen Drahtstärken und geringen Biegeradien, sowie daraus resultierend hohen Zug- und Druckspannungen, ergibt sich eine Verformung des Drahtquerschnitts abweichend vom (beispielsweise rechteckigen) Nominalquerschnitt. Eine nennenswerte Verformung des Drahtquerschnitts führt in der Regel zu einer Vergrößerung der Hüllkurve der Spulengeometrie und kann es unmöglich machen, die für die Passung im vorgesehenen Spulenbauraum notwendige Spulenform mit hinreichender Genauigkeit zu erreichen. Radiale Hüllkurvenvergrößerungen können eine Passung in der Wickelraumbreite verhindern und axiale Hüllkurvenerhöhungen können eine Passung in der Wickelraumhöhe verhindern.
Die übliche Lösung, um Spannungen im Material sowie daraus resultierende plastische Verformungen zu reduzieren, ist die Verwendung größerer Biegekreisradien. Dies erfordert in der Regel eine Vergrößerung der äußeren Abmessungen des Magnetkerns und damit des gesamten induktiven Bauelements. Des Weiteren können sich hohe Biegekreisradien nachteilig auf die magnetischen Kennwerte der Drossel auswirken. Basierend auf einer Spule mit einer Wicklung, die aus mindestens einer geschlossenen Windung besteht, betreffen die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele Optimierungen/Verbesserungen der Geometrie, um für die Wicklung einer Schalenkerndrossel Draht mit vergleichsweise großem Drahtquerschnitt verwenden zu können, ohne den gesamten Biegekreisradius der Spule vergrößern zu müssen. Dabei zielen die Geometrieoptimierungen darauf ab, dass die Verformungen durch das Wickeln vernachlässigbare Vergrößerung der Hüllkurve ergeben, damit einerseits Verletzungen der Drahtisolation vermieden werden und andererseits Drahtspule und Wickelraum eine ausreichend gute Passung zueinander aufweisen.
Zu diesem Zweck wird der Biegeradius der Wicklung um den Mittelbutzen in nur eine Richtung vergrößert und in der dazu senkrechten Richtung konstant gehalten. Wie mit einer linear elastischen FEM-Simulation demonstriert werden kann, können mit optimierter Spulengeometrie geringere Spannungen gegenüber der Ausgangsspulengeometrie erreicht werden. In der Realität können mit der optimierten/verbesserten Wicklungsgeometrie mechanisch die Belastungen der Drahtisolation, die Spannungen im Draht selbst und die bei der plastischen Verformung auftretenden Materialverformungen des Drahtquerschnitts verringert werden. Durch die Reduzierung der Materialverschiebungen und -verdrehungen kann die Auswirkung von Verformungen des Drahtquerschnittes bei Verwendung von starkem Draht verringert und Materialverschiebungen verkleinert oder vermieden werden.
Die 1-3 zeigen verschiedene Beispiele von Wicklungsdrähten, die für die Herstellung einer Schalenkerndrossel verwendet werden können. Zur besseren Ausnutzung des Wickelraumes im Schalenkern kann für die Spule z.B. ein Kupferlackdraht mit rechteckigem Querschnitt benutzt werden. Gegenüber einem Runddraht erhöht dies den Drahtquerschnitt und senkt den Widerstand und damit die Erwärmung. Des Weiteren ermöglicht ein rechteckiger Drahtquerschnitt einen höheren Füllfaktor der Wicklung.
Die 1a und 1b zeigen jeweils eine Draufsicht (1a) und eine Seitenansicht (1b) eines Wicklungsdrahts 1 mit einem rechteckigen Querschnitt und einer runden Wickelform. Der Draht 1 ist ein elektrischer Leiter (z.B. aus Kupfer) und ist zumindest teilweise mit einer Isolierung überzogen ist. Die Enden 1d der Kupferlackdrahtwicklung können verzinnt sein. Der Wicklungsdraht kann auch aus verschiedenen Materialien gefertigt sein. Zum Beispiel kann der Leiter Kupfer, Aluminium, Eisen, Wolfram, Silber, Gold, eine kupferbasierte, aluminiumbasierte, eisenbasierte Legierung, oder eine Kombination dieser Metallen oder Legierungen umfassen. In einer Ausführungsform besteht der Leiter aus Kupfer und Aluminium. Die Isolation des Wicklungsdrahtes kann - je nach Ausführungsbeispiel und Anwendung - aus einem Kunststoff, einer Lackschicht oder einer Keramik bestehen.
Der im Wesentlichen rechteckige Querschnitt des Wicklungsdrahts 1 weist eine Länge a und eine Breite b auf, wobei die Länge a größer als die Breite b ist. Der Wicklungsdraht kann aber auch einen quadratischen oder einen runden Querschnitt aufweisen. Das Verhältnis zwischen der Länge und der Breite des Drahtquerschnitts kann zwischen 1:1 bis 1:10 liegen. In einer Ausführungsform liegt der Querschnitt des Wicklungsdrahts in einem Bereich von 1 mm² bis 200 mm².
Der Draht 1 ist so gewickelt, dass er zwei kreisförmige Windungen mit einem Außendurchmesser d aufweist. Er kann aber auch mehr als zwei Windungen aufweisen. Die Wicklung kann beispielsweise bis zu fünf Windungen aufweisen. Es wird hier angemerkt, dass der Wicklungsdraht 1 mechanisch zwar nur eine einzige volle Umdrehung aufweist, was aber zwei elektrisch wirksamen Windungen entspricht. Die Wickelrichtung erfolgt in der 1a über die längere Seite des Drahtquerschnittes, d.h. über die Seite mit der Länge a. Es ist aber auch möglich, dass die Wickelrichtung des rechteckigen Drahtes der Wicklung über die kurze Seite des Drahtes, d.h. über die Seite mit der Breite b erfolgt. Der Draht 1 wird derart gewickelt, dass die Wicklung, in der Projektion auf die Zeichenebene der 1a, zwei im Wesentlichen gerade Abschnitte 1a und 1c, die parallel zueinander angeordnet sind, sowie einen schräg zu den geraden Abschnitten 1a und 1c verlaufenden, gebogenen Abschnitt 1b, der die geraden Abschnitte 1a und 1c verbindet, aufweist. Der Abschnitt 1b weist in der Projektion auf die Ebene der 1a einen Winkel α mit dem geraden Abschnitt 1a auf. Somit weist die Wicklung eine Breite d auf, welche dem Außendurchmesser der Wicklung und der Länge entspricht. Die Abmessung d ist auch jene Länge, die zur Verfügung steht um den Draht 1 seitlich um einen Windungsversatz (d.h. bis zur Position der nächsten Windung) zu biegen. Wegen der runden Wickelform muss der Windungsversatz bereits auf der Länge d erreicht werden.
Die 2a und 2b zeigen eine Querschnittansicht eines rechteckförmigen Wickeldrahts im Bereich der Biegung vor der Biegung (2a) und nach der Biegung ( 2b). 2b zeigt, dass die Form des Querschnitts nach der Biegung deutlich von der ursprünglich rechteckigen Form der 2a abweicht. Dies erfolgt durch die Kräfte und die daraus resultierenden mechanischen Spannungen beim freien Biegen der Drähte, z.B. durch die Zugspannungen am Außenradius sowie durch die Druckspannungen am Innenradius. Dabei ist die Länge a' nach der Biegung größer als die ursprüngliche Länge a und die Breite b' nach der Biegung größer als die ursprüngliche Breite b. Die Vergrößerung der Hüllkurve der Form nach der Biegung gegenüber der Form vor der Biegung ist gut zu erkennen.
Die 3a und 3b zeigen jeweils eine Draufsicht (3a) und Seitenansicht (3b) eines Wicklungsdrahts 1' mit einem rechteckigen Querschnitt (Länge a, Breite b, vgl. 2a-b), der eine im Wesentlichen ovale Wickelform aufweist. Der Wicklungsdraht 1' ist zu einer Wicklung mit zwei Windungen gebogen, sodass in der Ebene der 3a der Draht zwei im Wesentlichen parallele, gerade Bereiche 1a und 1c sowie einen die geraden Bereichen miteinander verbindenden, durch die durch das Wickeln verursachten Verformungen schräg verlaufenden Bereich 1b aufweist. Im Gegensatz zu dem Draht 1 der 1a, 1b weist der Draht 1' eine ovale Wickelform auf, die als größte Abmessung eine Länge c aufweist (siehe auch 3b). Die Abmessung c ist jene Länge, die zur Verfügung steht um den Draht 1 seitlich um einen Windungsversatz zu biegen. Da die Länge c der ovalen Form der 3a, 3b deutlich größer als die Länge d der runden Form der 1a, 1b ausgebildet ist, ist der Winkel β zwischen dem gebogenen Abschnitt 1c und dem geraden Abschnitt 1a der 3a kleiner als der Winkel α der 1a. Damit ist die Drahtbelastung im Bereich 1b bei der ovalen Form der 3a deutlich geringer als bei der runden Form der 1a. Der Winkel β wird mit zunehmender Länge c (d.h. bei stärker ausgeprägten ovalen Form) immer kleiner und die Materialbelastung im Bereich 1b immer geringer. Um den Wicklungsdraht 1' zu bilden wird ein Teil des ursprünglich geraden Drahts schräg in Bezug auf den ersten, geraden Teil 1a des Drahts gebogen, bis er einen Bereich neben dem geraden Teil 1a des Drahts erreicht, und wird dann parallel zu dem geraden Teil 1a geführt. Somit wird ein zweiter, gerader Teil 1c gebildet. Bei jedem Windungsversatz wird das Verfahren wiederholt, sodass der Wicklungsdraht abwechselnd einen geraden Teil und einen gebogenen Teil aufweist, wobei die geraden Teile 1a, 1c parallel zueinander laufen. Somit kann ein sehr kompakter Wicklungsdraht gebildet werden. Die Enden des Wicklungsdrahts werden dann jeweils um rund 90 Grad gebogen, um die Anschlüsse des Wicklungsdrahts zu bilden.
4 ist eine perspektivische Darstellung eines weichmagnetischen Kernteils 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Kernteil 10 umfasst eine (von der Seite betrachtet) im Wesentlichen U-förmige Wand 13 sowie eine Rückwand 14, die eine Seite der U-Form abschließt. Somit bildet das Kernteil 10 die Hälfte eines Schalenkerns (pot core) und wird daher auch als „Halbschale“ oder „Schalenkernhälfte“ bezeichnet. Von der Rückwand 14 steht ein Mittelbutzen 12 ab, der seitlich von der U-förmigen Wandung 13 umringt ist. Der Mittelbutzen 12 ist so geformt, dass eine Drahtspule (vgl. 1) auf ihn gesteckt werden kann. Im dargestellten Beispiel ist der Mittelbutzen 12 als Zylinder ausgebildet, wobei die runde Grundfläche des zylindrischen Mittbutzens 12 in der Ebene der Rückwand 14 liegt. Somit ist eine Zylinderachse des zylindrischen Mittelbutzens 12 im Wesentlichen orthogonal zur Ebene der Rückwand 14. Der Mittelbutzen 12 ist ungefähr mittig auf der Rückwandung 14 angeordnet, so dass er von der U-förmigen Wand 13 beabstandet ist, um einen Aufnahmeraum 15 für den Wicklungsdraht zu bilden. Somit kann der Wicklungsdraht mit runder Wicklungsform gemäß 1a auf den runden Mittelbutzen 12 der 4 gesteckt werden. Außerdem ist der Mittelbutzen 12 einstückig mit der Rückwandung 14 und der U-förmigen Wandung 14 ausgebildet, d.h. die in 4 dargestellte Schalenkernhälfte ist ein Stück.
Das weichmagnetische Kernteil 10 kann aus einem nichtkeramischem Werkstoff, einem Pulverwerkstoff, einem Eisenpulverwerkstoff, einem Legierungspulverwerkstoff, aus einem zerkleinertem amorphem Werkstoff, einem zerkleinertem kristallinem Werkstoff, oder einem zerkleinerten nanokristallinem Werkstoff bestehen. Herstellungsverfahren für Formteile aus den genannten Werkstoffen sind an sich bekannt und werden daher hier nicht weiter beschrieben.
5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Kernteils (Schalenkernhälfte). Das in 5 dargestellte Kernteil 20 unterscheidet sich von dem Kernteil 10 aus 4 lediglich dadurch, dass der Mittelbutzen 2 nicht die Form eines Kreiszylinders, sondern die Form eines geraden Zylinders mit ovaler Grundfläche (und damit auch ovaler Querschnittsfläche) aufweist. Als oval werden Formen bezeichnet, welche rundlich (d.h. nicht eckig) und konvex, jedoch nicht kreisrund sind. Die ovale Form des Querschnitts des Mittelbutzens kann bespielweise aus mehreren Kreisbögen oder aus mehreren Kreisbögen und Geradenstücken zusammengesetzt sein. Die ovale Form kann auch elliptisch ein.
6 zeigt eine Draufsicht einer zusammengefügten Schalenkerndrossel 100. Die Drossel 100 umfasst zwei zusammengefügte Schalenkernhälften 20, 20' und einen Wicklungsdraht 6. Die Schalenkernhälften 20, 20' sind im Wesentlichen identisch mit dem Schalenkernteil 20 der 5 und weisen jeweils einen zylindrischen Mittelbutzen 2, 2' mit ovaler Querschnittsfläche auf. Die Mittelbutzen 2, 2' und die Seitenwände 3, 3' der Kernteile 20, 20' liegen aneinander an, um einen geschlossenen Magnetkreis für das Magnetfeld bereitzustellen, das im Betrieb von dem durch den Wicklungsdraht 6 fließenden Strom verursacht wird. Zusammen mit den Seitenwänden 3, 3' schließen die Rückwände 4, 4' einen Innenraum 5 des Schalenkerns ab, sodass die Schalenkerndrossel 100 eine einzige Öffnung aufweist. Der Innenraum 5 bildet den Aufnahmeraum für den Wicklungsdraht 6.
Der Wicklungsdraht 6 ist größtenteils in dem Innenraum 5 des Schalenkerns angeordnet und um einen durch die stirnseitig aneinander anliegenden Mittelbutzen 2, 2' gebildeten Mittelsteg angeordnet. Der Wicklungsdraht 6 bildet im dargestellten Beispiel eine Wicklung mit zwei Windungen mit ovaler Querschnittsfläche und ist somit im Wesentlichen gleich dem Beispiel aus 3a und 3b. Der Wicklungsdraht 6 kann auch mehrere Windungen aufweisen. Üblicherweise weisen die Wicklungen ein bis 5 Windungen auf. Außerdem weist der Wicklungsdraht 6 zwei Enden 7, 7' auf, die als Anschlüsse der elektrischen Kontaktierung der Drossel dienen und beispielsweise parallel zueinander, in Richtung der oberen Öffnung des Schalenkerns laufen. In dem dargestellten Beispiel laufen die Anschlüsse 7, 7' durch die obere Öffnung der Drossel 100 hindurch und über den Rand der Schalenkerndrossel 1 hinaus.
Das induktive Bauteil 100 wird dadurch gebildet, das im Aufnahmeraum 5 zwischen dem Mittelbutzen und den Wänden des Schalenkernteils der um den Mittelbutzen 2 herum verlaufende Wicklungsdraht 6 mit ovaler Wicklungsform eingebracht wird und die zwei Kernteile 20, 20' zu einem Kern zusammengefügt werden. Die spiralförmige Struktur der Wicklung 6 wird um die Mantelfläche des durch die Mittelbutzen 2, 2' gebildeten Mittelstegs (Zylinder mit ovaler Grundfläche) herum gelegt, derart, dass ein wesentlicher Teil des Windungsversatzes von Windung zu Windung auf einer langen Seite des Mittelstegs ausgeführt wird. In den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Draht vor dem Einlegen um einen der Mittelbutzen zu einer Wicklung gewickelt, derart, dass die ovale Wickelform an der ovalen Form Mittelbutzen 2, 2' angepasst ist und eine Länge der Wicklung im Wesentlichen der Länge des aus den beiden Mittelbutzen 2, 2' gebildeten Mittelstegs entlang dessen Zylinderachse entspricht. Die zu dem Schalenkern Kernteile (Schalenhälften) werden dauerhaft verbunden. In einer Ausführungsform sind die Kernteile miteinander verklebt oder geklammert.
In dem in 6 dargestellten Beispiel sind die beiden Kernteile symmetrisch und können daher identisch geformt sein. Gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels können die Schalenkernteile auch unterschiedlich geformt sein. Beispielweise kann nur eines der Schalenkernteile einen Mittelbutzen aufweisen, der bei zusammengebautem Schalenkern bis zur Rückwand des anderen Schalenkernteils reicht.
Durch die ovale Form des Mittelbutzens wird die Länge, auf der der um den Mittelbutzen gewickelte Spulendraht seitlich zur nächsten Windung gebogen werden kann, verlängert (siehe 1a und 3a, α > β). Die optimierte Spulengeometrie wird also vom Mittelbutzen des Schalenkerns vorgegeben. Dabei werden die Grundfläche des Mittelbutzens und die Wände, welche die Schalenform bilden, derart ausgewählt, dass sich als Wickelraum für die Spule zwischen dem Mittelbutzen und den Wänden eine Nut ausformt, deren Breite und Höhe optimale Passungen mit einer Spule aufweisen. Somit kann der verbleibende Hohlraum (Innenraum 5) im Schalenkern minimiert und eine ausreichende Isolation des Drahts 6 gewährleistet werden.
7 zeigt einen Längsschnitt (Schnitt A-A) durch die Schalenkerndrossel aus 6 nach dem Füllen mit einer Vergussmasse 8. Die Schnittebene verläuft durch die Längsachse des ovalen Zylinders, der durch die Mittelbutzen 2, 2' gebildet wird. Durch die Anordnung der zwei symmetrischen Halbschalen 20, 20', welche nach dem Zusammenfügen eine nach unten geschlossene Schale bilden, ist das Füllen mit einer Vergussmasse 8 möglich. Der nicht von der Wicklung ausgefüllte Innenraum des Schalenkerns wird mit einer Füllmasse, insbesondere einer Vergussmasse verfüllt. Somit kann die Wärmeableitung der Verlustwarme der Spule an den Kern und in Folge an die äußeren Strukturen verbessert werden.
Die 8 und 9 zeigen jeweils Weiterentwicklungen der Ausführungsbeispiele aus den 4 und 5. Insbesondere zeigt 8 eine perspektivische Darstellung einer Schalenkernhälfte 30 mit einem runden Mittelbutzen 12 und 9 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Schalenkernhälfte 40 mit einem ovalen Mittelbutzen 2. Die Schalenkernhälften 30, 40 der 8, 9 unterscheiden sich jeweils von den Schalenkernhälften 10, 20 der 4, 5 dadurch, dass die Kernteile 30, 40 an einem oberen Rand zwei Verlängerungen 9, 19 aufweisen, die als Abstandshalter (Spacer) oder Stand-Offs für eine Leiterplatte dienen. Die Verlängerungen 9, 19 verlängern teilweise die Schalenwände 13, 14 der Schalenkernteile in Richtung der oberen Öffnung, aus welcher die Anschlüsse des Wicklungsdrahts herausragen. Die Verlängerungen 9, 19 der Schalenwände sind im dargestellten Beispiel jeweils als Winkelstücke (L-Form) ausgebildet, die an einer Ecke zwischen der Rückwand 4 und 14 und einer der Seitenwandungen 3 und 13 angeordnet sind. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das Schalenkernteil eine Vielzahl Abstandshalter aufweisen, die an verschiedenen Stellen des oberen Rands angeordnet sind. Die Abstandshalter 9 und 19 sind einstückig mit der jeweiligen Schalenkernhälfte gebildet.
Die Verlängerungen/Stand-offs 9 und 19 können im Falle des Einlötens des induktiven Bauelements in eine Leiterplatte Auflageflächen für diese Leiterplatte bilden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Lötstellen unterhalb des induktiven Bauelementes einen Meniskus ausbilden können, und dieser sichtbar ist bzw. auch kontrolliert werden kann. Dadurch, dass die Stand-offs einstückig mit dem Kernteil gebildet werden, ist kein weiteres Teil wie z.B. eine Kunststoffplatte oder Rahmen aus Isolationsmaterial oder ähnliches erforderlich. Somit wird die Anzahl der notwenigen Bauelemente reduziert. Die Auflageflächen der Stand-offs können auf der Leiterplatte abseits der Kupferbeschichtung positioniert werden, um möglichen Isolationsproblemen zu begegnen. Die Kernhälften können auch lackiert werden und damit zur elektrischen Isolation der Stand-Offs beitragen.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht einer aus zwei zusammengefügten Schalenkernhälften 40, 40' (mit Abstandshaltern/Stand-Offs) gemäß 9 gebildeten Schalenkerndrossel 200. Die Abstandshalter 9, die an den oberen Rändern der Schalenkernteile 40, 40', an der offenen Seite des Schalenkerns angeordnet sind, sind gut erkennbar. 10 zeigt auch einen der zwei Anschlüsse 7 des im Innenraum des Schalenkerns, um den Mittelzylinder angeordneten Wicklungsdrahts, der aus dem Schalenkern herausragt.
11 zeigt eine Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines induktiven Elements 300. Das induktive Element 300 besteht aus drei magnetischen Teilen 60, 60', 50. Die Teile 60, 60' sind jeweils als Halbschalen mit Mittelbutzen ausgebildet und das Teil 50 umfasst zwei nebeneinander angeordneten Halbschalen mit Mittelbutzen. Die Halbschalen des Teils 50 sind punktsymmetrisch ausgebildet. Somit kann die gegenseitige Beeinflussung der Halbschalen geringgehalten werden. Die Teile 60, 60' können als Schalenkernteil gemäß einer der Ausführungsformen der 4, 5, 8 oder 9 sein. In einer Ausführungsform sind die Teile 60, 60' identisch. Die Teile 50, 60, 60' sind derart zusammengesetzt, dass das Teil 60 mit der ersten Halbschale des Teils 50 einen ersten Kern für eine erste Drossel und das Teil 60' mit der zweiten Halbschale des Teils 50 einen zweiten Kern für eine zweite Drossel bilden. Somit können zwei Drosseln aus drei magnetischen Teilen aufgebaut werden. Dieser Aufbau kann die Anzahl an notwendigen Teilen verringern. Es hat auch den Vorteil, dass der Montageaufwand reduziert wird und das Vergießen der Innenräume der Kerne in einem einzigen Prozessschritt ablaufen kann.

Claims

Ein induktives Bauelement (100; 200), das folgendes aufweist: einen Magnetkern, einen zu einer Wicklung gebogenen Draht (1), wobei der Magnetkern folgendes aufweist: ein erstes Kernteil (20) und ein zweites Kernteil (20') jeweils aus weichmagnetischem Material und in Form einer Halbschale, wobei das erste Kernteil (20) und das zweite Kernteil (20') zu einem Schalenkern zusammengesetzt sind; einen Mittelbutzen (2) in Form eines Zylinders aus weichmagnetischem Material mit im Wesentlichen ovalem Querschnitt, der in dem Schalenkern zwischen einer Wand (4) des ersten Kernteils (20) und einer gegenüberliegenden Wand des zweiten Kernteils (20') verläuft wobei entweder der Mittelbutzen (2) und die Halbschale des ersten Kernteils (20) ein integrales Element bilden oder wobei der Mittelbutzen (2) zweiteilig ist und die beiden Teile des Mittelbutzens (2) mit den beiden Halbschalen der beiden Kernteile (20, 20') jeweils ein integrales Element bilden, wobei die Wicklung einen ovalen Querschnitt aufweist und um den Mittelbutzen (12) angeordnet ist.
Ein induktives Bauelement (200), das folgendes aufweist: einen Magnetkern, einen zu einer Wicklung gebogenen Draht (1), wobei der Magnetkern folgendes aufweist: ein erstes Kernteil (30; 40) und ein zweites Kernteil (30; 40') jeweils aus weichmagnetischem Material und in Form einer Halbschale, wobei das erste Kernteil (30; 40) und das zweite Kernteil (30'; 40') zu einem Schalenkern zusammengesetzt sind; einen Mittelbutzen (2; 12) in Form eines Zylinders aus weichmagnetischem Material, der in dem Schalenkern zwischen einer Wand des ersten Kernteils (30; 40) und einer gegenüberliegenden Wand des zweiten Kernteils (30; 40') verläuft, wobei entweder der Mittelbutzen (2; 12) und die Halbschale des ersten Kernteils (30; 40) ein integrales Element bilden oder wobei der Mittelbutzen (2; 12) zweiteilig ist und die beiden Teile des Mittelbutzens (2; 12) mit den beiden Halbschalen der beiden Kernteile (30; 40, 40') jeweils ein integrales Element bilden, wobei die Halbschalen so geformt sind, dass an ihrem Rand Abstandshalter (9; 19) hervorstehen, die integrale Bestandteile der jeweiligen Halbschale sind, wobei die Wicklung um den Mittelbutzen (2; 12) angeordnet ist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei ein Innenraum des Magnetkerns zwischen dem Draht (1) und den Halbschalen (20, 20') mit einer Vergussmasse (8) gefüllt ist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die beiden Kernteile (20, 20'; 30; 40, 40') identisch sind und der Magnetkern folglich in Bezug auf eine Fügefläche zwischen den beiden Kernteilen (20, 20'; 30; 40, 40') symmetrisch ist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Umfang des Querschnitts des Mittelbutzens (2) die Form einer Ellipse aufweist oder zwei Geradenstücke und zwei bogenförmige Segmente umfasst.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Halbschalen jeweils eine im Wesentlichen U-förmige Wand (3; 13) und eine Rückwand (4; 14) aufweisen, wobei der Mittelbutzen (2; 12) im Wesentlichen senkrecht von der Rückwand (4; 14) absteht.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Draht (1) eine Isolation aufweist und insbesondere mittels einer Lackschicht isoliert ist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Draht (1) einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß Anspruch 8, wobei der Draht (1) um die längere Seite des rechteckigen Querschnitts gewickelt ist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß, Anspruch 8 oder 9, wobei das Seitenverhältnis des rechteckigen Querschnitts des Drahts (1) im Bereich von 1:1 bis 1:10 liegt.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Draht (1) eine Querschnittsfläche im Bereich von 1 bis 200 mm² aufweist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Wicklung 1 bis 5 Windungen aufweist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Wicklung zwei im Wesentlichen parallele, gerade Bereiche (1a, 1c) sowie einen die geraden Bereichen miteinander verbindenden schräg verlaufenden Bereich (1b) aufweist.
Das induktive Bauelement (100; 200) gemäß Anspruch 13, wobei die geraden Bereiche (1a, 1c) der Wicklung orthogonal zu einer Zylinderachse des Mittelbutzens (2; 12) laufen.
Das induktive Bauelement (300) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, das weiter folgendes aufweist: einen weiteren Magnetkern, einen weiteren zu einer weiteren Wicklung gebogenen Draht, wobei der weitere Magnetkern folgendes aufweist: ein drittes Kernteil und ein viertes Kernteil jeweils aus weichmagnetischem Material und in Form einer Halbschale, wobei das dritte Kernteil und das vierte Kernteil zu einem weiteren Schalenkern zusammengesetzt sind; einen weiteren Mittelbutzen in Form eines Zylinders aus weichmagnetischem Material, der in dem Schalenkern zwischen einer Wand des dritten Kernteils und einer gegenüberliegenden Wand des vierten Kernteils verläuft wobei entweder der weitere Mittelbutzen und die Halbschale des dritten Kernteils ein integrales Element bilden oder wobei der weitere Mittelbutzen zweiteilig ist und die beiden Teile des weiteren Mittelbutzens mit den beiden Halbschalen der dritten und vierten Kernteile jeweils ein integrales Element bilden, wobei die weitere Wicklung um den weiteren Mittelbutzen angeordnet ist, wobei das zweite Kernteil und das dritte Kernteil ein integrales Element bilden.
Ein induktives Bauelement (300), das folgendes aufweist: ein erstes Kernteil (60) und ein zweites Kernteil (60') jeweils aus weichmagnetischem Material und in Form einer Halbschale, ein drittes Kernteil (50) aus weichmagnetischem Material, das eine erste und eine zweite Halbschale aufweist, wobei das erste Kernteil (60) und die erste Schale des dritten Kernteils (50) zu einem ersten Schalenkern zusammengesetzt sind, und wobei das zweite Kernteil (60') und die zweite Schale des dritten Kernteils (50) zu einem zweiten Schalenkern zusammengesetzt sind.