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Verfahren zur Herstellung streufeldarmer elektrischer Spulen,insbese
Miniaturspulen für gedruckte Schaltungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung von elektrischen Spulen, die sich durch Streufeldarmut auszeichnen.
Derartige Spulen werden insbesondere bei gedruckten Schaltungen als Miniaturspulen
verwendet. Die dichte Anordnung der elektrischen Bauelemente nebeneinander auf den
gedruckten Schaltungsplatten
verlangt nicht nur räumlich kleine
Abmessungen dieser Elemente, sondern auch die Vermeidung störender Einflüsse dieser
Elemente nach außerhalb, also z.B. gegenüber Nachbarelementen. Bei diesen Spulen
wird daher auf Streufeldarmut großer Wert gelegt.
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Derartige atreufeldarme elektrische Spulen werden z.B. dadurch ausgebildet,
daß die Spulenwicklung in ein topf- oder schalenartiges ferromagnetisches Kerngehäuse
eingesetzt wird, das die Spulenwicklung nahezu vollständig umschließt. Innerhalb
der Spulenwicklung ist ein Mittelsteg des ferromagnetischen Kerns entlanggeführt,
so daß sich der magnetische Weg im wesentlichen schließt. Derartige Schalenkerne
bestehen aus zwei oder mehreren Kernteilen, die getrennt hergestellt werden und
nach dem Einsetzen der Spulenwicklung zusammengesetzt werden. Zwischen den Kernteilen
sind häufig Luftspalte etwa derart ausgebildet, daß die Mittelstegteile nicht genau
aufeinander liegen, sondern einen geringen Abstand von beispielsweise 0,1 mm voneinander
aufweisen. Das ferromagnetische Material besteht im allgemeinen aüs Ferrit. Dieses
Ferrit hat den Vorteil, daß es neben einer relativ hohen Anfangspermeabilität wegen
seines hohen ` spezifischen elektrischen Widerstandes nur geringe Verluste aufweist.
Diese Ferritkerne werden durch Sinterung von beispiels-F
weise Metalloxiden
hergestellt.
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Im Zuge der Verbesserung der ferromagnetischen Eigenschaften derartiger
Ferrite ist-es heute möglich,. Anfang6pbrmeabilitäten -von
mehr
als /uA = 10 000 bei kleinen spezifischen elektrischen Widerständen des Kernmaterials
zu erreichen. Es hat sich nun gezeigt, daß diese hohen Anfangspermeabilitäten -
im folgenden kurz Permeabilität genannt -, die die Induktivität der Spule vergrößern,
bei derartigen Schalenkernen praktisch sehr stark vermindert werden. Diese Permeabilitätsverminderung
erfolgt dadurch, daß die Kernteile beim Zusammensetzen auch dann noch einen sehr
geringen Luftspalt an manchen Stellen aufweisen, wenn ein solcher überhaupt nicht
vorgesehen ist. Selbst durch sehr teures Abschleifen der zusammenzusetzenden Flächen
der Kernteile kann noch nicht die hohe Kernpermeabilität praktisch ausgenutzt werden.
Darüber hinaus wurde festgestellt, daß bei mehrteiligen Kernen durch thermische
Einflüsse, z.B. Zug- und Druckspannungen, nach dem Zusammenbau oder bei der Halterung
dieser Spulen Verklemmungen, Durchbiegungen oder dgl. der Kernteile.auftreten, so
daß zusätzliche unerwünschte Luftspalte entstehen und ein Nachabgleich der Spuleninduktivität
durch eine zusätzliche Abgleichvorrichtung, z.B. einen in einer Kerndurchbrechung
geführten Abgleichkern, vorgenommen werden muß. Dieser Abgleich muß dann bei größeren
Temperaturschwankungen und den damit bedingten Veränderungen des Luftspaltes jedes
Mal neu erfolgen. .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu überwinden.
Es sollen die sehr hohen Permeabilitäten des Kernmaterials,möglichst praktisch ausgenutzt
werden, so daß bei einer den bereits bekannten elektrischen Spulen entsprechenden
Induktivität
die Kernabmessungen und die Zahl der Spulenwindungen bedeutend vermindert werden
können.
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Die Erfindung bei einem Herstellungsverfahren von streufeldarmen elektrischen
Spulen mit einem einen Mittelsteg sowie äußere Joche und Schenkel aufweisenden ferromagnetischen
Kern, der einen die Wicklung umfassenden geschlossenen magnetischen Weg bildet,
besteht darin, daß der Kern als einteiliges Element hergestellt wird und die Bewicklung
dadurch erfolgt, daß der Wicklungsdraht durch Kerndurchbrechungen zwischen dem Mittelsteg
und dem äußeren Schenkel eingezogen und um den Mittelsteg gewickelt wird.
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Erfindungsgemäß wird also der Kern, z.B. der Schalenkern, als einteiliges
Element, insbesondere durch das Spritzpreß-Verfahren mit anschließender Sinterung,
hergestellt. Ein derartiger einteiliger Kern weist den Vorteil auf, daß er in der
Hegel billiger herzustellen ist, und daß seine Halterung einfacher vorgenommen werden
kann. Die Bewicklung erfolgt direkt auf dem Mittelsteg dieses einteiligen Kernes.
Es ist an sich bereits bekannt, Spulenwicklungen mit ferromagnetischem Material,
z.B. Massekernmaterial, das sind ferromagnetische Teilchen, die in Bindemittel aus
Kunststoff 'eingebettet sind, zu umgeben. Derartige streufeldarme elektrische Spulen
weisen allerdings eine verhältnismäßig niedrige Induktivi-tät selbst dann auf, nenn
die Windungszahl der Spulenwieklung verhältnismäßig groß ist. Die große innere Scherung
des Kernmaterials läßt nämlich nur
wirksame Kernpermeabilitäten
von etwa ua = 10 zu. Ein derartiges Verfahren kann auch nicht auf elektrische Spulen
mit Ferritkernen angewendet werden, da sich die Spulenwicklung, insbesondere die
Isolation zwischen den Spulendrähten, während der Sinterung des Kernmaterials zersetzen
bzw. zerschmeizen würde.
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Es ist daher notwendig, den Kern vor der Bewicklung fertigzustellen.
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In einer Ausbildung der Erfindung wird der Spulenkörper aus mehreren
Einzelteilen dadurch im Kern zusammengesetzt, daß die einzelnen Spulenkörperteile
durch die Kerndurchbrechungen an den Mittelsteg gelegt und dort miteinander mechanisch
verbunden werden.
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Die Bewicklung geschieht in einer besonderen Ausbildung der Erfindung
dadurch, daß der um den Mittelsteg drehbar gelagerte Spulenkörper mit einem durch
die Kerndurchbrechung an den Spulenkörper angelegten Antriebselement verbunden wird.
Dieses Antriebselement versetzt den Spulenkörper um die Mittelstegachse in Drehungen,
so daß der Spulendraht, der durch eine Kerndurchbrechung an dem Spulenkörper befestigt
worden ist, direkt von der Spulendrahtrolle in den Kern hinein auf der Spulenkörper
aufgewickelt werden kann. Zu diesem Zwecke ist es voteilhaft, den Spulenkörper an
einem oder beiden Flanschen zahnradartig mit Zähnen zu versehen und diese mit einer
Zahnstange oder einem Zahnrad, das als Antriebselement dient, zu verbinden. r.'.s
Antriebselement können evtl. auch Seilzüge, Bänder oder dgl. verwendet werden.
| Nach einem anderenn besonäers vorteilhaften Verfahren omig |
| -der Erfindung werden benutzt g |
| G Beidqfrsii Crs des Kerne gegenüber den Seiten
er Kerndurch° |
| breehungen wird -je etn Roll enpaaü achvenparallel Zur @.@. |
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| gelvnfi'iD=u-d'ei Sp u landrah l
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geben können, bzw. starke Zugspannungen am Spulendraht beseitigt.
Die Antriebsrollenpaare können in diesem Falle über eine drehfedernde elastische
Kupplung angetrieben werden.
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Es hat sich gezeigt, daß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Spulen
mit ausgezeichneten elektrischen und magnetischen Eigenschaften bei kleinsten Raumabmessungen
hergestellt werden können. Die Halterung derartiger Spulen ist außerordentlich einfach.
Erschütterungen der Grundplatten, auf denen die erfindungsgemäß hergestellten Spulen
befestigt sind, führen nicht mehr zu einer Veränderung der Spuleninduktivität. Darüber
hinaus kann auf zusätzliche Induktivitäts-Abgleichvorrichtungen verzichtet werden,
da die Kerne bei der Serienherstellung in der Regel ständig die gleichen Eigenschaften
erhalten und die Bewicklung bereits zu genau festgelegten Induktivitätswerten führt.
Insbesondere bei streufeldarmen Spulen für Kerne, bei denen eine lange, wartungsfreie
Lebensdauer vorausgesetzt werden muß, und die unabhängig von Temperaturänderungen
und Erschütterungen im wesentlichen die gleichen Eigenschaften aufweisen, z.B. für
Seekabelverstärker, ist die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten Spulen
besonders vorteilhaft, zumal ihre räumlichen Abmessungen außerordentlich klein gehalten
werden können und der gesamte Seekabelverstärker auf diese Weise ebenfalls kleiner
gebaut werden kann.
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Anhand der Figuren 1-'- 8 ist die Erfindung näher erläutert.
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In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäß einteiliger.in der äußeren Form
an sich bereits bekannter Quaderkern aus Ferrit dargestellt.
Dieser
Kern 1 weist einen zylindrischen Mittelsteg 2 sowie eine in diesem Mittelsteg axial
verlaufende Durchbrechung 3 auf. Der innere Hohlraum des Spulenkernes 1 ist nach
außen durch die Kerndurchbrechungen 4 geöffnet.
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In der Fig. 2 ist schematisch ein erfindungsgemäßes Bewicklungsverfahren
dargestellt. Danach befindet sich im Spulenkern 1 einvierteiliger Spulenkörper 5
A bis 5 D, dessen Teile einzeln durch die Kerndurchbrechungen 4 an den Mittelsteg
2 gelegt und dort miteinander verbunden worden sind. Die Spulenkörperteile bilden
einen Flansch mit einem zahnradartigen Rand. In diesen greift ein Zahnrad 6 als
Antriebselement ein. Von einer Vorratsrolle 7 wird der Spulendraht 8 abgewickelt,
durch das Kernfenster 4 geführt und am Spulenkörper befestigt. Durch Drehen des
Spulenkörpers um den Mittelsteg 2 wird der Draht auf den Spulenkörper zu einer Wicklung
9 aufgewickelt.
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In der Fig. 3 ist eine andere Kernform einer erfindungsgemäßen streufeldarmen
Spule dargestellt. Dieser Kern 10 weist ebenfalls einen Mittelsteg 11 sowie Kerndurchbrechungen
12 auf.
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In einem Schenkel dieses Kerns 10 sind elektrisch leitfähige Metallstifte
20 eingesetzt, an die die Spulendrahtenden angelötet werden und die sowohl zur elektrischen
als auch zur mechanischen Kontaktierung der Spule mit dem Anschlußorgan, z.B.
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einer gedruckten Schaltungsplatte, dienen. Diese Stifte werden beispielsweise
in bereits während der Sinterung vorgesehene Löcher nach der Sinterung eingeklebt.
In
den Fig. 5 - 8 ist eine andere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Danach werden gemäß Fig. 4 und 5 neben dem Kern 10 Rollenpaare 14 A,
14 B und 15 A und 15 B angeordnet. Um diese Rollenpaare ist durch den Kern hindurch
ein endloses Spinnerband 13 gelegt. Auf dieses Spinnerband wird die für die Bewicklung
des Kernes erforderliche Menge des Spulendrahtes 6 von der Vorratsrolle 17 aufgespult.
| wird |
| Gemäß den Figuren 6 und 7lnach.der Bespulung des Spinnerbandes |
13 durch ein Loch 18, beispielsweise eine Öse, hindurch ein Spulendrahtende an den
Kernmittelsteg 11 gelegt und nunmehr durch Antrieb der Rollenpaare 14 A,B; 15 A,
B und Umlaufen des Spinnerbandes um die Rollenpaare auf den Kernmittelsteg 11 aufgewickelt.
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In der Fig. 8 ist diese Bewicklung schematisch in perspektivischer
Ansicht dargestellt. Die Spulendrahtenden werden später mit den Kontaktorganen 20
elektrisch kontaktiert.
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Falls eine definierte Scherung des Kernmaterials erfolgen soll, um
beispielsweise die Konstanz der Permeabilität bei der Kernerregung zu erhöhen, dann
werden nach der Kernherstellung Luftspalte, insbesondere in dem Mittelsteg des Kernes,
ausgebildet. Durch Sägen, Sandstrahlen, Schleifen oder durch Ultraschallbehandlung
erfolgt die Luftspaltausbildung, ohne daß der Kern in mehrere Teile geteilt wird.
Soll der Zuftopalt sehr klein, z.B. einige Zehntel Millimeter, sein, dann eignet
sich besonders
vorteilhaft die Behandlung mit scharf gebündelten,
sehr energiereichen LASER-Lichtstrahlen, die das Kernmaterial an der bestrahlten
Stelle durchtrennen.