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Die Erfindung betrifft ein induktives Bauteil mit mindestens einem magnetischen Kern, wobei der magnetische Kern durch zwei Teilkerne gebildet wird.
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Bei induktiven Bauteilen bewirkt ein elektrischer Strom ein Magnetfeld, das sich zu einem geschlossenen Magnetkreis ausbildet und zumindest teilweise innerhalb eines Magnetkerns geführt wird. Das Magnetfeld kann sich auch auf Teile außerhalb des Magnetkerns, wie beispielsweise einem Luftspalt erstrecken. Beispiele für induktive Bauteile sind Transformatoren oder Drosseln/Induktivitäten. Bei induktiven Bauteilen werden für die Bildung des Magnetkreises Magnetkerne eingesetzt. Diese Magnetkerne sind in modernen leistungselektronischen Anwendungen meist weichmagnetische Ferritkerne, die hart und spröde und damit bruchgefährdet sind. Die Magnetkerne haben unterschiedliche Bauformen. Die Magnetkerne werden zu einem Magnetkreis gefügt, der oft einen ausgeprägten Luftspalt aufweist. Der Luftspalt mindert die Kern-Permeabilität und führt zu einer Abflachung und Linearisierung der Hysteresekurve. Der Luftspalt wird dabei über Abstandshalter (spacer) gebildet, die zwischen den Kernabschnitten liegen.
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Im Stand der Technik werden Magnetkreise bzw. ganze induktive Bauteile häufig mit einem meist elektrisch isolierenden Harz/Kunststoff vergossen. Das vorgefertigte induktive Bauteil wird dabei in ein Gehäuse (meist Aluminium) gelegt und das Gehäuse anschließend beispielsweise mit Polyurethan gefüllt, sodass die Bestandteile des induktiven Bauteils dauerhaft fixiert und vor äußeren Krafteinwirkungen geschützt sind. Eine weitere Möglichkeit ist die Tränkung von induktiven Bauteilen. Hier werden die Komponenten mit einem Harz überzogen und damit dauerhaft fixiert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein induktives Bauteil hinsichtlich seines Magnetkerns zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein induktives Bauteil mit mindestens einem Magnetkern gelöst, wobei der Magnetkern durch zwei Teilkerne gebildet wird, wobei die Teilkerne jeweils in einer Kernaufnahme angeordnet sind, wobei die Kernaufnahme eine Aussparung zur Aufnahme des jeweiligen Teilkerns aufweist, wobei die zwei Kernaufnahmen mittels einer Halterung derart verbunden sind, dass an der Verbindung der Teilkerne ein Luftspalt vorhanden ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass sich ein magnetisches Bauteil dadurch verbessern lässt, dass der Magnetkern vor einer äußeren Krafteinwirkung geschützt werden kann, indem der Magnetkern in zwei Teilkerne aufgeteilt wird und diese jeweils in einer Kernaufnahme mit einer Aussparung eingebracht werden.
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Durch Krafteinwirkung auf den Magnetkern kann dieser brechen oder Teile abplatzen. Dabei ist die Gefahr für einen Ferritkern besonders hoch, da dieses Material spröde ist und bei Krafteinwirkung schnell Beschädigungen aufweist. Schäden an den Magnetkernen, insbesondere an Ferritkernen, verändern die magnetischen Eigenschaftes des induktiven Bauteils, sodass ein Defekt/Ausfall des zugrunde liegenden Systems möglich ist. Eine solche Krafteinwirkung kann beispielsweise durch eine Verspannung/Halterung der Ferritkerne in einem Rahmen und anderen externen Kräften (Rütteln, Verwinden, ...) entstehen.
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Die einzelnen Teilkerne werden dabei beispielsweise jeweils in eine Kernaufnahme mit entsprechender Aussparung dauerhaft eingepresst oder eingeklebt. Die Teilkerne benötigen außer zu den Kernaufnahmen keinen weiteren mechanischen Kontakt. Die Teilkerne bilden dabei jeweils einen Teil des Magnetkerns. Durch die Verbindung der Kernaufnahmen bildet sich ein mit einem Luftspalt behafteter, geschlossener Magnetkern als Magnetkreis aus. Die Ausdehnung bzw. Größe des Luftspalts wird dann beispielsweise über die Halterung bestimmt. Um den Magnetkern herum werden je nach Anwendung des induktiven Bauteils, wie beispielsweise Drossel oder Transformator, eine oder mehrere Wicklungen angeordnet.
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Die Halterung gibt dem mechanischen Aufbau des induktiven Bauteils seine Festigkeit. Die Teilkerne stehen in vorteilhafter Weise ausschließlich über die Kernaufnahme mit der Halterung in einem mechanischen Kontakt. Somit sind dann die Teilkerne gegenüber weiteren Komponenten kontaktfrei ausgeführt.
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Gegenüber bereits bekannten induktiven Bauteilen ergeben sich zahlreiche Vorteile. Für den Schutz des Magnetkerns ist kein Verguss oder Tränken des induktiven Bauteils mehr notwendig. Der Verguss hat oftmals negative Auswirkungen auf die Induktivität des Bauteils und kann diese verändern, so dass sich nicht mehr die gewünschten oder geforderten Eigenschaften ergeben. Das führt zu einer vergleichsweise großen Streuung des induktiven Verhaltens des induktiven Bauteils oder auch zu einer Veränderung der induktiven Eigenschaften über die Lebensdauer. Darüber hinaus unterliegt der Verguss oder die zum Tränken verwendete Flüssigkeit einer Alterung, die auch die Lebensdauer des Bauteils herabsetzt. Durch die Verwendung des vorgeschlagenen Aufbaus, können vorbestimmte, elektrische Eigenschaften dauerhaft, insbesondere über die vorgesehene Lebensdauer, sicher eingehalten werden. Darüber hinaus hat der vorgeschlagene Aufbau eine hohe Lebensdauer und ist frei von teilweise umweltgefährdenden Flüssigkeiten, insbesondere Tränkungsflüssigkeiten, und somit besonders umweltfreundlich. Ferner kann das vorgesehene induktive Verhalten auch mit geringen Toleranzen in der Produktion eingehalten und hergestellt werden.
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Des Weiteren ist das vorgeschlagene induktive Bauteil einfach durch eine automatisierbare Fertigung herstellbar. Dabei können Kernaufnahmen mit Magnetkernen automatisiert und unabhängig von den Wicklungen hergestellt werden. Dabei kann das induktive Bauteil mittels Luftkühlung auf einfache Weise, beispielsweise durch Anblasen des induktiven Bauteils, effizient gekühlt werden.
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Der Luftspalt ist an der Verbindung zwischen den Teilkernen vorhanden. Dabei kann ein Luftspalt an nur einer Verbindung der Teilkerne vorhanden sein, während sich an einer oder mehreren anderen Verbindungen die Teilkerne berühren und somit keinen Luftspalt aufweisen. Allgemein formuliert kann nur an einem Teil der Verbindungen zwischen den Teilkernen ein Luftspalt angeordnet sein und an den übrigen Verbindungen können sich die Teilkerne berühren. Auch an den Verbindungen, an denen ein Luftspalt ausgebildet ist, kann sich die Ausdehnung dieses Luftspalts unterscheiden.
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Bei zwei Verbindungen von zwei Teilkernen, kann also ein Luftspalt oder zwei Luftspalte an den Verbindungen zwischen den Teilkernen vorhanden sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Teilkerne jeweils in die Aussparung der Kernaufnahme geklebt oder eingepresst. Durch das Kleben oder Einpressen sind Teilkern und Kernaufnahme miteinander derart zuverlässig verbunden, so dass diese auf einfache Weise mittels der Halterung zu einem Gesamtkern verbunden werden können. Durch das Kleben oder Einpressen sind die Teilkerne so fixiert, dass sie nach der Verbindung mittels der Halterung in der vorgesehenen Position zueinander dauerhaft ausgerichtet sind. Die auftretenden geringen Kräfte führen dazu, dass die Ausrichtung über die geklebte oder eingepresste Verbindung zuverlässig und dauerhaft bestehen bleibt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausdehnung des Luftspalts mittels der Halterung einstellbar. Dies kann beispielsweise durch Verwendung einer Schraube bzw. Gewindestange für die Halterung geschehen. Dabei sitzt der Schraubenkopf an einer ersten der Kernaufnahmen und eine Mutter oder ein eingebrachtes Gewinde an einer zweiten der Kernaufnahmen. Durch Eindrehen der Schraube bzw. Gewindestange verringert sich der Abstand der Teilkerne und somit der Luftspalt, während ein Herausdrehen der Schraube bzw. Gewindestange den Abstand zwischen den Kernaufnahmen erhöht und damit auch den Luftspalt erhöht. Damit ist der Luftspalt mittels der Halterung einstellbar. Durch die Einstellbarkeit ändert sich auch das magnetische und damit das elektrische Verhalten des induktiven Bauteils. Dadurch können im Gegensatz zu einem vergossenen Bauteil die elektrischen Eigenschaften auch noch nach der Fertigung oder Produktion verändert werden. Damit ist das vorgeschlagene induktive Bauteil deutlich vielseitiger einsetzbar, da auch nach der Fertigung die Eigenschaften des Bauteils noch auf einen entsprechenden Anwendungsfall angepasst werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Teilkerne durch einen Ferrit gebildet. Der vorgeschlagene Aufbau ist im Besonderen für einen Ferritmagnetkern geeignet, da dieser Art von Kern besonders spröde und damit empfindlich ist gegenüber einer Krafteinwirkung von außen. Durch den Luftspalt übertragen sich keine Kräfte zwischen den Teilkernen. Die Stabilität wird von der Kernaufnahme sichergestellt und auftretende Kräfte von den Teilkernen und dem Ferrit ferngehalten. Dadurch ergibt sich ein gegenüber äußeren Krafteinwirkungen und Umwelteinflüssen unempfindliches induktives Bauteil. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Ferrits als Magnetkernmaterial bei einem induktiven Bauteil, bei dem an allen Verbindungen zwischen den Teilkernen ein Luftspalt vorhanden ist, da dadurch die Bruchgefahr des Ferritkerns deutlich reduziert ist, da die verschiedenen Teilkerne berührungslos zueinander angeordnet sind. Die Bruchgefahr wird dadurch reduziert, dass die Teilkerne sich nicht berühren und dadurch keine Kräfte aufeinander ausbilden können.
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Alternativ können auch andere Kernmaterialien zur Herstellung des Magnetkerns verwendet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Teilkerne jeweils durch eine Vielzahl von Ferritelementen gebildet, die miteinander durch eine Klebeverbindung miteinander verbunden sind. Durch die hohe Anzahl der miteinander verbundenen Ferritelementen sind die jeweiligen Teilkerne im besonderen Maße bruchgefährdet. Durch die Anordnung in der schützenden Kernaufnahme und durch die Beabstandung mittels der Halterung kann die Bruchgefahr erheblich reduziert werden, so dass der Einsatz einer Vielzahl von Ferritelementen zuverlässig möglich ist. Durch die Vielzahl der Ferritelementen lässt sich darüber hinaus ein besonders vorteilhaftes elektrisches und magnetisches Verhalten erzielen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Teilkerne identisch ausgeführt. Durch die identische Ausführung zweier oder mehrerer Teilkerne wird die Fertigung vereinfacht, da für die Herstellung eines induktiven Bauteils nur gleiche Teilkomponenten hergestellt werden müssen. Der Anteil der Gleichteile vereinfacht die Fertigung und reduziert die Kosten dafür. Somit lässt sich das vorgeschlagene induktive Bauteil kostengünstig herstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Teilkerne I-förmig, U-förmig oder E-förmig ausgebildet. Diese Formen der Teilkerne eignen sich im Besonderen dafür, zwei Teilkerne zu einem Magnetkern zusammenzufügen. Dabei kann an nur einer Verbindung ein Luftspalt vorhanden sein oder auch an mehreren. Auch bei mehreren Luftspalten im Magnetkern können diese eine unterschiedliche Ausdehnung aufweisen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das induktive Bauteil als Transformator, Drossel oder Spule ausgebildet. Diese gewickelten Bauteile sind typische Anwendungen, in denen ein Magnetkreis in einem Magnetkern benötigt wird. Diese werden in unterschiedlichsten Leistungsklassen und Anwendungen benötigt. Alle diese Anforderungen an solche Bauteile können durch den Aufbau des vorgeschlagenen induktiven Bauteils erfüllt werden. So eignet sich das induktive Bauteil mit seinen Vorteilen insbesondere im Hinblick auf Robustheit gegenüber Beschädigungen und Langlebigkeit insbesondere für den Aufbau eines Transformators, einer Drossel oder einer Spule.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kernaufnahme Löcher auf. Durch die Löcher in der Kernaufnahme kann Luft, insbesondere Kühlluft, geleitet werden. Dabei können die Löcher derart ausgebildet sein, dass Kühlluft zu den Hotspots des induktiven Bauteils hingeführt bzw. herangeführt wird. Somit kann das Kühlmedium zum einen wegen fehlender Vergussmassen gut an die Wärmequellen des induktiven Bauteils herangeführt werden und zudem mittels der Löcher, an die besonders von der Erwärmung betroffenen Stellen geleitet werden. Damit ist die Kühlung des induktiven Bauteils bedarfsgerecht und auf einfache Weise möglich. Entsprechende Lüfter können dadurch klein dimensioniert werden. Alternativ ist es für einige Anwendungen möglich, die Kühlung mittels Kühlluft lüfterlos auszubilden. Durch die wirkungsvolle Kühlung ergibt sich darüber hinaus eine hohe Lebensdauer des induktiven Bauteils.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Halterung aus einem elektrisch isolierenden Material. Dadurch kann ein Stromfluss zwischen den beiden Teilkernen zuverlässig vermieden werden. Insbesondere Leckströme können durch diese Anordnung zuverlässig vermieden werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- 1 eine erste Ansicht eines vorgeschlagenen induktiven Bauteils,
- 2 eine weitere Ansicht des induktiven Bauteils und
- 3 eine Kernaufnahme.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein induktives Bauteil 1 in einer ersten Ansicht. Dieses induktive Bauteil 1 weist zwei Kernaufnahmen 3 auf. In Aussparungen 31 dieser Kernaufnahme 3 sind jeweils ein Teilkern 21 eingebacht. Dabei bilden jeweils ein oben dargestellter Teilkern 21 und ein unten dargestellter Teilkern 21 zusammen einen Magnetkern 2. Dieser Magnetkern 2 weist darüber hinaus an der Verbindung der beiden Teilkerne 21 einen Luftspalt 5 mit einer Ausdehnung L auf. Mittels einer Halterung 4 sind die beiden Kernaufnahmen 3 miteinander mechanisch fixiert. Je nach Ausbildung der Halterung 4 ergibt sich der Luftspalts 5 und die dazugehörige Ausdehnung L des Luftspalts 5.
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Dabei können die Teilkerne 21 beispielsweise U-förmig ausgebildet sein. Das induktive Bauteil 1 kann dabei, wie dargestellt, mehrere, beispielsweise sechs Magnetkreise 2 aufweisen, wobei jeder Magnetkreis 2 jeweils aus mindestens zwei Teilkernen 21 gebildet wird.
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Die Halterungen 4 können beispielsweise mittels einer Schraubverbindung und/oder Gewindestangen derart ausgebildet sein, dass die Ausdehnung L des Luftspalts 5 veränderbar ist.
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Besonders vorteilhaft und langlebig ist diese Ausführung, wenn die Teilkerne 21 aus einem Ferrit gebildet werden und in die jeweilige Kernaufnahme 3 eingepresst oder eingeklebt werden. Um den Vorgang des Einpressens zu ermöglichen bzw. den Prozess des Einklebens mit Aufbringen des Klebers und Kontaktierung von Kernaufnahme 3 und Teilkern 21 zu vereinfachen, weist die Kernaufnahme eine Aussparung 31 auf, die in 3 näher beschrieben und erläutert wird. Die Magnetkerne 2 haben außer zu den Kernaufnahmen 3 keinen weiteren mechanischen Kontakt. Die oberen Teilkerne 21 bilden den oberen Anteil des Magnetkreises 2. Die unteren Teilkerne 21 bilden den unteren Anteil des Magnetkreises 2. Zwischen den Teilkernen 21 lässt sich mittels der Halterung 4 über den Abstand der Kernaufnahmen 3 ein Luftspalt 5 einstellen. Die Ausdehnung L des Luftspalts 5 ist zum Beispiel über die seitlichen Halterungen 4 einstellbar. Um die Magnetkerne 2 herum werden meist eine oder mehrere Wicklungen 8 oder Spulen gelegt, die in der vorliegenden Figur auf einem Spulenträger bzw. Wicklungsträger 81 aufgebracht sind.
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Die 2 zeigt das induktive Bauteil 1 in einer gegenüber der 1 um 90° gedrehten Ansicht. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu der 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. In der 2 sind die vorderen Teilkerne 21 zu erkennen, die mit einem weiteren, dahinterliegenden Teilkern 21 den Magnetkreis 2 bilden. Zwischen diesem jeweiligen Teilkern 21 und dem dazugehörigen, in dieser Abbildung dahinterliegenden Teilkern 21 kann ein in dieser Figur nicht sichtbarer Luftspalt 5 mit einer Ausdehnung L vorhanden sein. Die Wicklungen 8 sind um die Schenkel der Magnetkerne 2 angeordnet. Zur einfacheren Montage kann dabei zwischen einem oder mehreren Magnetkernen 2 und der Wicklung 8 ein Wicklungsträger 81 angeordnet werden. Falls mehrere Wicklungen 8 konzentrisch angeordnet werden, kann zwischen den einzelnen Wicklungen 8 ein Abstandshalter 82 angeordnet werden, um eine zuverlässige Isolation zwischen den einzelnen konzentrisch angeordneten Wicklungen 8 sicherzustellen.
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Die Halterung 4 verbindet die in dieser Darstellung gezeigte Kernaufnahme 3 mit der dahinterliegenden und damit verdeckten Kernaufnahme 3.
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Die Kernaufnahmen 3 weisen hier eine Vielzahl von Löchern 6 auf, um die Wicklungen 8 und Teilkerne 21 möglichst gut zu belüften und kühlen. Eine Kühlung ist meist notwendig, um die Wärme abzuführen, die durch die Verlustleistung des induktiven Bauteils 1 entsteht. Gerade bei Bauteilen mit einer Nennleistung von mehr als 100kW ist eine Kühlung besonders wichtig, damit trotz geringem Bauvolumen ein leistungsfähiges Bauteil mit hoher Lebensdauer realisiert werden kann.
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Die 3 zeigt eine Kernaufnahme 3. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den 1 und 2, sowie auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Deutlich zu erkennen sind die Aussparungen 31 in denen ein Teilkern 21 eingebracht werden kann. Der Übersichtlichkeit halber ist in der vorliegenden 3 nur ein Teilkern 21 dargestellt, der in einer der Aussparungen 31 angeordnet ist. Deutlich zu erkennen sind auch die Löcher 6 neben den Aussparungen 31, die eine Luftführung und damit eine Kühlung des Magnetkerns 2 mit seinen Teilkernen 21 sowie der hier nicht dargestellten Wicklung 8 ermöglicht. Dabei können die Löcher 6 derart angeordnet oder ausgebildet sein, dass das Kühlmedium, insbesondere die Kühlluft, an die wärmsten Stellen des Magnetkerns 2, der Teilkerne 21 und/oder der Wicklung 8 herangeführt wird.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein induktives Bauteil mit mindestens einem Magnetkern, wobei der Magnetkern durch zwei Teilkerne gebildet wird. Zur Verbesserung des induktiven Bauteils hinsichtlich seines Magnetkerns wird vorgeschlagen, dass die Teilkerne jeweils in einer Kernaufnahme angeordnet sind, wobei die Kernaufnahme eine Aussparung zur Aufnahme des jeweiligen Teilkerns aufweist, wobei die zwei Kernaufnahmen mittels einer Halterung derart verbunden sind, dass an der Verbindung der Teilkerne ein Luftspalt vorhanden ist.
