DE19628897C2 - Hochstrom-Induktor mit geringer Bauhöhe und Verfahren zur Herstellung eines solchen Induktors - Google Patents

Hochstrom-Induktor mit geringer Bauhöhe und Verfahren zur Herstellung eines solchen Induktors

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Description

Die Erfindung betrifft einen Hochstrom-Induktor (IHLP) mit geringer Bauhöhe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Induktors gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
Induktoren dieses Typs werden als IHLP bezeichnet, was eine Abkürzung für "Inductor, High current, Low Profile" ist.
Die meisten induktiven Komponenten aus dem Stand der Technik bestehen aus einem magnetischen Kern, der entweder eine C-Form, eine E-Form, eine torodiale Form oder andere Formen und Zusammensetzungen besitzt. Spulen aus elektrisch leitfähigem Draht werden anschließend um die Komponenten des magnetischen Kerns gewickelt, um den Induktor zu bilden. Diese Typen von Induktoren aus dem Stand der Technik erfordern zahlreiche Einzelteile, einschließlich des Kerns, der Windungen und einigen Bauteilen, um die Einzelteile zusammenzuhalten. Weiterhin besitzen diese induktiven Spulen häufig eine sie umschließende Hülle. Im Ergebnis weist der Induktor zahlreiche Luft-Zwischenräume auf, die seine Funktionsfähigkeit ungünstig beeinflussen und die eine Optimierung des Induktor-Volumens verhindern.
Ein Hochstrom-Induktor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus der CH-PS-179 582 bekannt. Diese Schrift zeigt eine Hochfrequenz-Entstördrossel, bei der ein Spulenkörper aus pulverförmigen Werkstoffen einstückig oder in mehreren Scheiben hergestellt wird, und auf dem mehrere Windungen aus isoliertem Aluminiumflachdraht aufgewickelt sind. Durch die Verwendung von bandförmigen Leitern wird eine großvolumige Bauform vermieden und eine größere Induktivität als bei einer Runddrahtspule erzielt.
Ferner ist aus der DE-GM 13 70 019 ein Spulenkern bekannt, der aus zwei pulverförmigen magnetischen Stoffen besteht. Der Spulenkern wird einstückig oder durch Fügung aus zwei Teilstücken unterschiedlichen Werkstoffs hergestellt. Auch im Falle der einstückigen Herstellung ist der Spulenkern von heterogener Struktur. Insbesondere besteht der von den Spulenwicklungen umgebene Teil aus einem ersten Material, und bestehen die übrigen Teile des Spulenkörpers aus einem zweiten Material. Außerdem umgibt der Spulenkörper die Drahtspulen nur partiell. Ferner wird die Drahtspule auf den zuvor hergestellten Spulenkern aufgewickelt.
Aus der JP 1-266705 A ist eine Spulenanordnung bekannt, die in ein Polymer-Material mit magnetischen Partikeln eingegossen ist.
Die DE-PS 364 451 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Magnetkernen aus Eisenteilchen, bei dem unter hohem Druck fein verteiltes magnetisches Material zu einer Masse geformt wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen gattungs­ gemäßen Hochstrom-Induktor derart weiterzubilden, daß er das beanspruchte Volumen optimal ausnutzt und keine Luft- Zwischenräume aufweist, so daß die Baugröße des Induktors bei vorgegebener Induktivität minimiert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe besteht gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 darin, daß das magnetische Material die eine oder mehreren Drahtspulen vollständig umgibt, das magnetische Material eine Mischung aus einem ersten pulverförmigen Eisen-Material und einem zweiten Eisen-Material aufweist, wobei die beiden Eisen-Materialien unterschiedliche elektrische Eigenschaften besitzen, und die Mischung aus dem ersten und zweiten Eisen-Material um die Drahtspulen herum zusammengepresst ist.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Hochstrom-Induktors liegen insbesondere in der kleinen Bauform, den hervorragenden magnetischen und auch mechanischen Eigenschaften, insbeson­ dere im Hinblick auf Stabilität und geringe Störstrahlung, sowie auf das kostengünstige Herstellungsverfahren. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist gekennzeichnet durch den Schritt: Druck-Formen des pulverförmigen magnetischen Materials vollständig um die Spule herum, um den Induktor-Körper zu bilden.
Der erfindungsgemäße Hochstrom-Induktor weist ein geschlos­ senes magnetisches System auf, welches die Eigenschaft der Selbst-Schirmung bereitstellt. Der erfindungsgemäße Hoch­ strom-Induktor ist kleiner, verursacht weniger Herstellungs­ kosten und kann mehr Strom aufnehmen als bisherige induktive Spulen. Er benötigt weniger Draht-Windungen der Spule, um die gleiche Induktivität zu erzielen wie größere Induktoren aus dem Stand der Technik und setzt damit den Serienwiderstand des Induktors herab.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine bildhafte Darstellung eines Induktors, der gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltet wurde und auf einer Platine aufgebaut ist;
Fig. 2 eine bildhafte Darstellung der Spule des Induktors und des Anschluß-Rahmens, der an die Spule angebracht wird, vor dem Verpreß-Vorgang;
Fig. 3 eine bildhafte Darstellung des Induktors der vorliegenden Erfindung, nachdem der Verpreß-Vorgang abgeschlossen ist, aber bevor der Anschluß-Rahmen von den Anschlüssen getrennt ist;
Fig. 4 ein Fluß-Diagramm, welches das Verfahren zur Herstellung des Induktors der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5a ein Schnitt-Bild des Anschluß-Rahmens und der Spule, eingebaut in eine Presse;
Fig. 5b eine Grundriß-Ansicht der Fig. 5a;
Fig. 5c eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5a, wobei das Pulver dargestellt ist, wie es den Anschluß- Rahmen und die Spule umgibt, bevor der Druck beaufschlagt wird;
Fig. 5d eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5a, wobei dargestellt ist, wie der Druck beaufschlagt wird auf die Spule, den Anschluß-Rahmen und das Pulver;
Fig. 5e eine ähnliche Ansicht wie Fig. 5a, wobei das Auswerfen des Anschluß-Rahmens und des verpreßten Induktors aus der Form dargestellt ist;
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer modifizierten Form des Induktors, bei der eine Draht-Spule mit einem runden Querschnitt eingesetzt wird; und
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht der auseinandergezeichneten Teile Anschluß-Rahmen und Spule des in der Fig. 6 dargestellten Bauelementes, vor der Montage.
In den Zeichnungen ist global mit dem Bezugszeichen 10 der Hochstrom-Induktor mit geringer Bauhöhe (IHLP) gemäß der Erfindung bezeichnet. Der IHLP 10 ist in der Fig. 1 auf einer Platine oder Leiterplatte 12 aufgebaut dargestellt. Der IHLP 10 umfaßt einen Induktor-Körper 14, der einen ersten Anschluß 16 und einen zweiten Anschluß 18 aufweist, die sich nach außen hin erstrecken. Die Anschlüsse 16 und 18 sind gebogen, werden unter der Unterseite des Induktor- Körpers 14 geführt und sind jeweils mit einer ersten Anschlußfläche 20 und mit einer zweiten Anschlußfläche 22 verlötet dargestellt.
Die Fig. 2 zeigt die Gestaltung des Induktors 10 durch die Bildung der Draht-Spule 24 aus einem Flachdraht, der einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Ein Beispiel eines bevorzugten Drahtmaterials für die Spule 24 ist ein elektrisch isolierter Kupfer-Flachdraht, wie er beispielsweise von der Firma H. P. Reid Company Inc. in 1 Commerce Boulevard, P. O. Box 352 440, Palm Coast, Florida 32135, USA, hergestellt wird, wobei der Draht aus OFHC-Kupfer mit der Kenn-Nr. 102 und einer Reinheit von 99, 95% hergestellt ist. Der Draht ist mit einem Polyimid-Isolationsmaterial, Klasse 220, beschichtet. Eine haftfähige Epoxid-Klebstoff- Beschichtung ist über der Isolierung als weitere Beschichtung aufgebracht. Der Draht wird in eine spiralförmige Spulenform gebracht, und der Epoxid-Klebstoff wird aktiviert, indem Aceton auf die Spüle aufgetropft wird. Die Aktivierung des Epoxids kann ebenso durch Erwärmung der Spule erfolgen. Die Aktivierung des Haftmittels hat zur Folge, daß die Spule in ihrer spriralförmigen Konfiguration verbleibt, ohne Lockerung oder gar Ent-Wicklung der Windungen.
Die Spule 24 besitzt eine Vielzahl von Windungen 30 sowie ein inneres Ende 26 und ein äußeres Ende 28.
Ein Anschluß-Rahmen 32 aus Phosphor-Bronze, Legierungstyp 510, der auf einer Seite gehärtet ist, besitzt einen ersten Anschluß 16, der ein Ende 34 hat, welches mit dem inneren Ende 26 der Spule 24 verbunden beziehungsweise verschweißt ist. Der Anschluß-Rahmen 32 besitzt weiterhin einen zweiten Anschluß 18, der ein Ende 38 hat, welches mit dem äußeren Ende 28 der Spule 24 verbunden beziehungsweise verschweißt ist. Die Anschlüsse 16 und 18 weisen freie Enden 36 und 40 auf, welche in der Fig. 2 mit dem Anschluß- Rahmen 32 verbunden dargestellt sind. Die Verschweißungen der Enden 34, 38 mit dem inneren Ende 26 und dem äußeren Ende 28 der Spule 24 werden vorzugsweise durch Widerstands- Schweißen oder Löten hergestellt.
Die Fig. 5a und 5b zeigen eine Druck-Form-Maschine 68, die eine Tiegelplatte 71 mit einem T-förmigen Anschluß- Rahmen-Halter 70 in Verbindung mit einem rechteckförmigen Gesenk 72 aufweist. Die Tiegelplatte 71 ist beweglich montiert, derart, daß sie vertikale Gleit-Bewegungen auf den Gleitpfosten 74 ausführen kann, und ist durch die Federn 76 federnd auf diesen Gleitpfosten 74 montiert. Eine Grundplatte 78 weist einen stationären Dorn 80 auf, der, wie in der Fig. 5a dargestellt, nach oben in das rechteckförmige Gesenk 72 projiziert.
Der Anschluß-Rahmen und die Spulenanordnung aus der Fig. 2 werden in dem T-förmigen Anschluß-Rahmen-Halter 70 plaziert, wie in den Fig. 5a und 5b dargestellt. In dieser Position befindet sich die Spule etwas oberhalb des oberen Endes des stationären Dorns 80.
In der Fig. 5c ist ein pulverförmiges Verpreß-Material 82 in das Gesenk 72 geschüttet worden, derart, daß es die Spule 24 vollständig umgibt. Die Anschlüsse 16, 18 erstrecken sich aus dem pulverförmigen Material 82 heraus, wo sie mit dem Anschluß-Rahmen 32 verbunden sind.
Das magnetische Verpreß-Material beinhaltet ein erstes pulverförmiges Eisen, ein zweites pulverförmiges Eisen, ein Füllmaterial, ein Harz und ein Gleit- oder Schmiermittel. Die ersten und zweiten pulverförmigen Eisenmaterialien haben unterschiedliche elektrische Charakteristiken, die es dem Bauelement ermöglichen, eine hohe Induktivität und dennoch geringe Kernverluste aufzuweisen, und damit die Leistungsfähigkeit zu maximieren. Beispiele von bevorzugten pulverförmigen Eisenmaterialien, die in dieser Mischung verwendet werden können, sind folgende: Ein pulverförmiges Eisen, hergestellt von der Firma Hoeganaes Company, River Road and Taylors Lane, Riverton, New Jersey, USA, unter der Handelsbezeichnung "Ancorsteel 1000C". Dieses 1000C-Material wird isolierend mit 0,48% Massenanteil 75%iger H3PO4. Das zweite pulverförmige Material wird von der Firma BASF Corporation, 100 Cherryhill Road, Parsippany, New Jersey, USA, unter der Handelsbezeichnung "Carbonyl Iron, Grade SQ" hergestellt. Dieses SQ-Material wird isolierend mit 0,875% Massenanteil 75%iger H3PO4.
Das pulverförmige magnetische Material beinhaltet weiterhin einen Füllstoff, und der bevorzugte Füllstoff wird von der Firma Cyprus Industrial Minerals Company, Box 3299, Ingelwood, California 80155, USA unter der Handelsbezeichnung "Snowflake PE" hergestellt. Dabei handelt es sich um ein Calziumcarbonat-Pulver.
Ein Polyester-Harz wird der Mischung ebenfalls beigesetzt, und das für diesen Zweck bevorzugte Harz wird von der Firma Morton International, P. O. Box 15240, Reading, Pennsylvania, USA, unter der Handelsbezeichnung "Corvel Flat Black, Number 21-7001" hergestellt.
Weiterhin wird ein Gleitmittel der Mischung zugegeben. Das Gleitmittel ist ein Zink-Stearat, das von der Firma Witco Corporation, Box 45296, Huston, Texas, USA, unter der Produktbezeichnung "Lubrazinc W." hergestellt wird.
Verschiedene Kombinationen der oben genannten Bestandteile können gemischt werden, aber die bevorzugte Mischung ist wie folgt:
1000 Gramm vom ersten pulverförmigen Eisen,
1000 Gramm vom zweiten pulverförmigen Eisen,
36 Gramm vom Füllmaterial,
74 Gramm vom Harz, und
0,3 Gew.-% vom Gleitmittel.
Die oben genannten Materialien (ausgenommen das Gleitmittel) werden zusammengemischt und anschließend wird Aceton hinzugefügt, um das Material zu einer schlammartigen Konsistenz zu befeuchten. Das Material läßt man anschließend trocknen und filtert eine Partikelgröße entsprechend einer Maschenweite von 1/50 cm = 0,2 mm heraus. Anschließend wird das Gleitmittel zugegeben, um das Material 82 zu vervollständigen. Das Material 82 wird dann zum Gesenk 72 hinzugefügt, wie in der Fig. 5c dargestellt.
Der nächste Schritt im Verfahren beinhaltet die Abwärtsbewegung eines beweglichen Preßstempels 87 auf einen abnehmbaren Dorn 84, derart, daß der Dorn 84 in das Gesenk 72 eingetrieben wird. Die durch den abnehmbaren Dorn 84 ausgeübte Kraft sollte ungefähr 232,5 × 106 Pa bis 310 × 106 Pa. Dadurch wird das pulverförmige Material 82 zusammengedrückt und legt sich eng und vollständig um die Spule herum an und bildet damit den Induktor-Körper 14, wie in der Fig. 1 und der Fig. 5e dargestellt.
In der Fig. 5e ist dargestellt, wie ein Auswurf-Stempel 86 auf die Tiegelplatte 71 abgesenkt wird, um die Tiegelplatte 71 abwärts zu bewegen, entgegen der Vorspannung der Federn 76. Dadurch wird der stationäre Dorn 80 veranlaßt, die verpreßte und geformte Anordnung aus dem Gesenk 72 auszuwerfen. In diesem Stadium der Herstellung hat die verpreßte Anordnung die Form, wie sie in der Fig. 3 dargestellt ist. Die geformten Anordnungen werden anschließend bei einer Temperatur von ungefähr 163°C für eine Stunde und fünfundvierzig Minuten ausgeheizt, um das Polyester-Harz auszuhärten.
Der nächste Schritt im Herslellungs-Verfahren ist die Trennung des Anschluß-Rahmens 32 von den Anschlüssen 16, 18 entlang der Schnittlinien 42, 44. Die Anschlüsse 16, 18 werden dann nach unten und nach innen gebogen und, dadurch gegen die Unterseite des Induktor-Körpers 14 gedrückt.
Die verschiedenen Schritte zur Bildung des Induktors sind im Blockdiagramm in der Fig. 4 dargestellt. Am Anfang wird eines der Drahtenden 26, 28 mit dem zugehörigen Ende 34, 38 der Anschlüsse 16, 18 verschweißt, wie im Block 45 dargestellt. Als nächstes wird die Spule in Form einer Spirale gewickelt, wie im Block 46 dargestellt. Der Block 50 stellt den Schritt des Schweißens des anderen Endes 26, 28 an den zugehörigen Anschluß 16, 18 dar. Der Spulendraht weist eine Epoxid-Verbindungsmittel-Beschichtung auf, wie oben beschrieben. Der Verbindungsschritt 49 wird durch Anwendung von Aceton 48 oder von Wärme ausgeführt, damit das Verbindungsmittel die einzelnen Windungen 30 der Spule 24 miteinander verbindet oder verfestigt.
Als nächstes wird im Schritt 52 das pulverförmige magnetische Material durch das Zusammenfügen der Bestandteile 54, 56, 58, 60 und 62 zusammengemischt.
Der Druck-Form-Schritt 64 beinhaltet die Anwendung von Druck wie in den Fig. 5a bis 5e dargestellt. Die Teile werden anschließend erwärmt, um das Harz zu trocknen, wie in der Box 65 dargestellt.
Nach Abschluß des Trocknens wird im Biege- und Schneideschritt 66 abschließend der Anschluß-Rahmen 24 abgeschnitten und die Anschlüsse 16, 18 werden gegen die Unterseite des Induktor-Körpers 14 zusammengefaltet.
Im Vergleich mit anderen induktiven Komponenten weist der IHLP-Induktor der vorliegenden Erfindung mehrere einzigartige Eigenschaften auf. Leitfähige Wicklung, Anschluß-Rahmen, magnetisches Kernmaterial und schützende und schirmende Umhüllung werden als ein einziger, integraler Körper geformt, der über Anschlußleitungen verfügt, die für die Oberflächen-Montage geeignet sind. Die Konstruktion erlaubt eine maximale Raumausnutzung und ist magnetisch selbst-schirmend.
Die einheitliche Konstruktion eliminiert das Erfordernis nach zwei Kernhälften, wie dies bei früheren E-förmigen Kernen oder anderen Kern-Formen der Fall war, und eliminiert weiterhin die damit verbundenen Montage-Arbeiten.
Die einzigartige Leiterwicklung der vorliegenden Erfindung erlaubt einen Hochstrom-Betrieb und optimiert weiterhin die magnetischen Parameter unter Beibehaltung der Grundfläche des Induktors.
Der Herstellungsprozeß der vorliegenden Erfindung stellt eine kostengünstige Hochleistungs-Anordnung bereit, ohne die Abhängigkeit von teuren, eng-tolerierten Kernmaterialien und speziellen Wicklungstechniken.
Das magnetische Kernmaterial besitzt einen hohen Widerstand (mehr als 3 × 106 Ohm), wodurch der Induktor so, wie er hergestellt wurde, eingesetzt werden kann, ohne einen leitfähigen Pfad zwischen den Oberflächen-Anschlüssen. Das magnetische Material ermöglicht weiterhin einen effizienten Betrieb bis zu einer Frequenz von 1 MHz. Die Induktor-Anordnung erzielt ein geringes Verhältnis von DC-Widerstand (ohm'scher Widerstand) zu Induktivität mit einem Betrag von zwei Milliohm pro Mikrohenry, entsprechend 2 × 10-3 OhmH-1. Ein Verhältnis von 5 (Milliohm pro Mikrohenry) oder weniger wird dabei bereits als sehr gut erachtet.
Die Fig. 6 und 7 zeigen eine modifizierte Form des Induktors, der mit 88 bezeichnet ist. Der Induktor 88 wird durch die Draht-Spule 90 gebildet, die einen runden Querschnitt aufweist. Die Spule 90 weist ein erstes Spulenende 92 und ein zweites Spulenende 94 auf. Ein Leitungsrahmen 96 weist eine erste Leitung 98 und eine zweite Leitung 100 auf, die erste und zweite Leitungsenden 102, 104 besitzen.
Das Montage-Verfahren des Bauelementes 90 ist verschieden von dem des Bauelementes 10, welches in den Fig. 1 bis 5 gezeigt ist. Beim Bauelement 90 wird zunächst die Spule gewickelt und während des Wickelns wärme-gebondet. Dann werden die Spulenenden 92, 94 jeweils an die Leitungsenden 102, 104 geschweißt. Das gemischte pulverförmige Material wird dann eingesetzt und der Druck- Form-Prozeß wird in der gleichen Weise durchgeführt wie zuvor beschrieben. Abschließend werden die Leitungen 98, 100 abgeschnitten und nach unten unter die Bodenfläche des Bauelementes 10 gebogen.
Die Position der Leitungen 98, 100 kann verändert werden, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Weiterhin ist es möglich, mehr als eine Spule in dem geformten Teil einzusetzen. Beispielsweise wäre es möglich, zwei oder mehr Spulen 24 innerhalb des geformten Körpers 10 einzusetzen oder zwei oder mehr Spulen 90 innerhalb des Körpers 88 einzusetzen.

Claims (6)

1. Hochstrom-Induktor (10, 88) (IHLP) mit geringer Bauhöhe, der eine oder mehrere Drahtspulen (24, 90) aufweist, von denen jede erste (26, 92) und zweite (28, 104) Spulenenden aufweist, wobei
ein magnetisches Material einen Induktor-Körper (14, 88) bildet,
jede der ersten Spulenenden innerhalb des Spulen-Körpers mit einer ersten Leitung (34, 102) verbunden ist,
jede der zweiten Spulenenden innerhalb des Spulen- Körpers mit einer zweiten Leitung (38, 104) verbunden ist, und
die ersten und zweiten Leitungen sich durch das magnetische Material des Induktor-Körpers nach außerhalb des Induktor-Körpers erstrecken,
dadurch gekennzeichnet, daß
das magnetische Material die eine oder mehreren Drahtspulen vollständig umgibt,
das magnetische Material eine Mischung aus einem ersten pulverförmigen Eisen-Material und einem zweiten Eisen- Material aufweist, wobei die beiden Eisen-Materialien unterschiedliche elektrische Eigenschaften besitzen, und
die Mischung aus dem ersten und zweiten Eisen-Material um die Drahtspulen herum zusammengepreßt ist.
2. Hochstrom-Induktor gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von Spulenwindungen (30, 90), wobei
die Spulenwindungen mit einem Verbindungsmaterial beschichtet sind, welches die Windungen mechanisch miteinander verbindet.
3. Hochstrom-Induktor gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spule aus einem Flachdraht mit einem rechteckförmigen Querschnitt besteht.
4. Hochstrom-Induktor gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Spule (90) einen runden Querschnitt aufweist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Hochstrom-Induktors mit geringer Bauhöhe gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Schritt: Druck-Formen des pulverförmigen magnetischen Materials vollständig um die Spule herum, um den Induktor-Körper zu bilden.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß das erste und zweite pulverförmige Eisen-Material bei einem Druck von 232,5 × 106 Pa bis 310 × 106 Pa, zusammengepreßt werden.
DE19628897A 1995-07-18 1996-07-17 Hochstrom-Induktor mit geringer Bauhöhe und Verfahren zur Herstellung eines solchen Induktors Expired - Lifetime DE19628897C2 (de)

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US50365595A 1995-07-18 1995-07-18

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