DE19757182A1 - Planares induktives Bauelement hoher Leistung und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein planares induktives Bau­ element mit hoher Leistung und ein Verfahren zu dessen Herstel­ lung.

Induktive Bauelemente hoher Leistung wie z B. Schweißtransfor­ matoren oder Magnetspulen zur Erzeugung hoher Magnetfelder, z. B. im medizinischen Bereich oder Betätigungsspulen in Flugzeu­ gen, werden von hohen Strömen durchflossen werden und dienen zur Erzeugung starker Magnetfelder. Diese Bauteile sind im all­ gemeinen sehr groß und schwer, was die Verwendbarkeit dieser induktiven Bauelemente erheblich einschränkte. Man geht nun da­ zu über, die Arbeitsfrequenz der induktiven Bauelemente herauf­ zusetzen, z. B. in den kHz-Bereich, wodurch die Dimensionen der Induktivitäten erheblich verringert werden können. Auf diese Weise ist es möglich, induktive Bauelemente mit hoher Leistung in Planartechnik zu fertigen. Verwendet man herkömmliche Bau­ teile wie z. B. gestanzte Metallbleche, die durch Isolationsla­ gen voneinander isoliert und miteinander verschraubt werden, in ähnlicher Weise wie herkömmliche Trafos, so erhält man Indukti­ vitäten mit relativ hoher Verlustleistung, relativ geringer Isolationsspannung und großen Streufeldern.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein planares induktives Bauelement für hohe Leistungen anzugeben, das uni­ versell einsetzbar ist und eine geringe Baugröße aufweist, wei­ terhin geringe Verluste aufgrund geringer Streufelder aufweist und ein hohe Isolationsspannung hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sind Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird auf einen isolierenden Träger eine Wick­ lung in Form einer Metallschicht in einer Dicke von 100 bis 1000 µm je nach Wicklungszahl und Leistung des Bauelements auf­ gebracht. Die Wicklung ist in beliebiger Weise (z. B. Dick­ schichttechnik) auf den isolierenden Träger aufbringbar, z. B. druckbar, galvanisch auftragbar oder klebbar. Der von der Me­ tallschicht nicht bedeckte Bereich des isolierenden Trägers wird mit einem Kunststoff enthaltenden Formteil überdeckt, das die gleiche Dicke wie die Metallschicht aufweist. Auf diese Weise wird der isolierende Träger ganzflächig von der Metall­ schicht bzw. dem Formteil überdeckt. Mehrere dieser bedruckten oder beschichteten isolierten Träger werden nun übereinander gestapelt, wobei darauf geachtet wird, daß zugehörige Kontak­ tierungsbereiche der Wicklungen übereinander liegen. Nach außen weisende Wicklungen des Mehrlagenpakets werden durch eine wei­ tere Kunststoff enthaltende Schicht überdeckt. Anschließend wird dieser multipler Stapel unter Druck und Hitze verpreßt, wobei die Druck- und Temperaturparameter so gewählt werden, daß der Kunststoffanteil des isolierenden Trägers und/oder der thermoplastischen Kunststoffteile vernetzt und aushärtet, wobei die Lagen fest miteinander verbunden werden. Auf diese Weise werden die Schichten flächig miteinander verschweißt und die Entstehung von Hohlräumen mit den daraus entstehenden Inhomoge­ nitäten wird vermieden. Nach der thermischen Behandlung wird Material im Bereich der Kontaktierungsbereiche z. B. durch Boh­ ren abgetragen. Anschließend wird an der Stelle der Abtragung eine Metallschicht galvanisch aufgebracht, so daß die Kontak­ tierungsbereiche der unterschiedlichen Lagen miteinander ver­ bunden werden.

Für die Metallschicht kann vorzugsweise Kupfer verwendet wer­ den, welches zum einen eine ausgezeichnete Leitfähigkeit hat und zum anderen leicht galvanisierbar ist. Es können jedoch auch andere Metalle wie z. B. Eisen oder Aluminium oder belie­ bige gängige Legierungen verwendet werden.

Wo die Ströme so hoch sind, daß sie durch eine einzelne Lage nicht geleitet werden könnte, können Wicklungen aus mehreren Lagen parallel geschaltet werden, um die erforderliche Leistung zu erbringen.

Die Wicklungen werden vorzugsweise mäanderförmig auf die iso­ lierende Schicht aufgebracht. Die innerste Wicklung des Mäan­ ders wird hierbei über eine zweite Kontaktierungslage in den Kontaktierungsbereich geleitet.

Bei Verwendung des planaren induktiven Bauelements als Trans­ formator wird das Spannungsverhältnis zwischen der Sekundär- und Primärspule wie bei herkömmlichen Transformatoren auch über die Anzahl der Wicklungen bestimmt. Gerade für Schweißtrafos und induktiven Bauelementen mit hohen magnetischen Feldern ist es hier vorteilhaft, daß eine einzelne Windung für niedrige Spannungen und hohe Stromstärken sich mit Ausnahme des Kerns über die gesamte Ebene der isolierenden Schicht erstrecken kann, während bei mehreren Windungen diese Fläche auf alle Win­ dungen aufgeteilt wird. Man kann auf diese Weise den Wirkungs­ grad des planaren induktiven Bauelements optimieren. Wenn das induktive Bauelement als Transformator verwendet werden soll, wird im Zentrum des Stapels ein Ferritkern oder Metallkern achsnormal zu der Schichtebene angeordnet.

Für den isolierenden Träger eignen sich vorzugsweise Glasfaser­ gewebe in Epoxidharzmatrix, welche unter Wärmebehandlung selbsttätig aushärten.

Die induktiven planaren Bauelemente gemäß der vorliegenden Er­ findung haben den Vorteil, daß sie im Vergleich mit herkömmli­ chen Transformatoren fast streufeldfrei sind, und eine hohe Isolationsspannung von mehr als 4 kV aufweisen. Die Verlustlei­ stung der Bauteile ist ausgesprochen gering. Aufgrund der ge­ ringen Abmessung und des geringen Gewichts können diese Bauele­ mente z. B. für Stellantriebe oder für Hochleistungsanwendungen verwendet werden, wo ein leichtes Gewicht erwünscht ist, z. B. im Flugzeugbau.

Durch die Dimensionierung der Wicklungen, der Wicklungsanzahl und der Parallel- und Serienschaltung von Wicklungen lassen sich wie bei herkömmlichen Transformatoren alle gewünschten Übersetzungsverhältnisse realisieren.

Die Erfindung wird nachfolgen an beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:

Fig. 1a-c drei Lagen eines mehrschichtigen planaren Transfor­ mators in Aufsicht, und

Fig. 2 einen Schnitt durch einen mehrlagigen Transformator mit Lagen gemäß Fig. 1.

Fig. 1 a) zeigt die erste Lage 10 eines mehrlagigen planaren Transformators, welche aus einem isolierenden Träger 12 (Fig. 2) besteht, auf welchen eine Metallschicht 14 mit sieben Win­ dungen aufgebracht ist. Die Windungen sind mäanderförmig auf dem isolierenden Träger 12 der Lage 10 angeordnet. Das Ende der äußeren Windung der Wicklungen 14 ist auf den Abgriff 16 eines ersten Kontaktierungsbereiches geführt, während das Ende 18 der Innersten Windung über einen in dieser Darstellung nicht sicht­ baren Verbindungssteg einer anderen Lage (Fig. 1b) auf den zweiten Abgriff 20 des ersten Kontaktierungsbereiches geführt ist. Der erste Kontaktierungsbereich mit den Abgriffen 16 und 20 ist für eine parallelschaltung von mehreren Identischen La­ gen 10 ausgebildet, welche als primärwicklung eines Transforma­ tors dienen. In der Mitte und quer zur Lage 10 ist eine Ausspa­ rung 22 für einen Eisen- oder Ferritkern vorgesehen.

Auf der dem ersten Kontaktierungsbereich 16, 20 für die Primär­ wicklung abgewandten Seite ist ein in zweiter Kontaktierungsbe­ reich mit Abgriffen 24, 26, und 28 für eine in Fig. 1c darge­ stellte Sekundärwicklung vorgesehen. Die Abgriffe 16, 20, 24, 26, 28 der beiden Kontaktierungsbereiche haben genauso wie die Windung 14 in etwa eine Dicke von 200 µm. In den weder von der Wicklung 14 noch von den Abgriffen 16, 20, 24, 26, 28 bedeckten Bereichen ist ein Kunststofformteil 30 vorgesehen, welches wie der isolierende Träger 12 bei erhöhter Temperatur vernetzt und aushärtet. Das Kunststofformteil 30 hat die gleiche Stärke wie die Wicklung 14 und die Abgriffe 16, 24, 26, 28, wodurch es möglich ist, die Lagen unter erhöhter Temperatur miteinander zu verpressen, ohne dass die Geometrie der Lagen gestört wird.

Fig. 1b zeigt eine zweite Lage 32, welche ebenso wie die erste Lage 10 aus einem isolierenden Träger, z. B. einem Epoxidharz getränkten Glasfasergewebe besteht, welches eine Metallschicht 34 als Verbindungsbrücke aufweist, um die innerste Windung 18 der Wicklung 14 der Lage 10 mit dem Kontaktierungsbereich 20 zu verbinden. Identische oder funktionsgleiche Teile der unter­ schiedlichen Lagen sind mit Identischen Bezugszeichen versehen. Der gesamte Bereich des isolierenden Trägers 12, der nicht mit der Metallschicht 34 oder dem ersten Abgriff 16 des ersten Kon­ taktierungsbereiches versehen ist, ist von einem Kunststofform­ teil 36 bedeckt, welches die gleiche Dicke wie die Metall­ schichten 34 und 16 aufweist.

Fig. 1c zeigt eine dritte Lage 40, die wiederum aus einem iso­ lierenden Träger 12 besteht auf welche eine Wicklung 42 mit ei­ ner Windung in Form einer etwa 500 µ dicken Kupferschicht auf­ gebracht ist, deren Enden in zwei Abgriffe 24, 26 des zweiten Kontaktierungsbereichs münden. Hier sind in den nicht von der Metallschicht der Wicklung 42 oder des Abgriffs 28 bedeckten Bereichen zwei Formteile 44, 46 vorgesehen, welche die Oberflä­ che der Lage im übrigen abdecken.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines aus den drei in Fig. 1 darge­ stellten Lagen bestehenden Vielschicht-Transformators, wobei das Multilayerbauelement 50 in seinen Abmessungen stark ver­ zerrt wiedergegeben ist. In der Regel hat ein mehrlagiger Auf­ bau eine Stärke von etwa 2 mm bis 3 cm, während die Kantenab­ messungen in der Ebene der Lagen 10, 32, 40 im Bereich mehrerer cm, z. B. zwischen 5 und 30 cm, liegen. Die Stärke ist somit bei dem in Fig. 2 gezeigten Bauteil 50 stark vergrößert wiederge­ geben. Der planare Multilayer 50 in Fig. 2 zeigt in der unter­ sten Lage die Lage 40 aus Fig. 1c mit der Windung 42, dem Kunststofformteil 44 und dem Abgriff 28. Über dieser Lage 40 ist die Lage 32 aus Fig. 1b angeordnet. Sie enthält den iso­ lierenden Träger 12, die geschnittene Metallschicht für den Ab­ griff 16 und die Metallschicht 34 zur Verbindung der inneren Windung 18 der Wicklung 14 aus der darüberliegenden Lage 10 mit dem Kontaktierungsbereich 20. Zwischen der inneren Windung 18 und dem Kontaktierungsbereich 20 erstreckt sich auf der elek­ trischen Verbindungsbrücke 34 eine Isolierfolie 35, die eine elektrische Kontaktierung der Verbindungsbrücke 35 mit den wei­ teren Windungen der Wicklung 14 der oberen Lage 10 verhindert. Schließlich ist über dieser zweiten Lage 32 aus Fig. 1b die erste Lage 10 aus Fig. 1a dargestellt mit der Wicklung 14 im Abgriff 28 und dem Formkörper 30.

Es ist selbstverständlich, daß entsprechend den Anwendungsfäl­ len und technischen Möglichkeiten beliebig viele Primärlagen 10 mit beliebig vielen Sekundärlagen 40 kombiniert werden können. Durch Parallelschaltung von Primär- und/oder Sekundärlagen läßt sich der Stromfluß durch das Bauelement noch einmal erhöhen.

Wesentlich bei der Konzeption des Bauteils ist, dass die iso­ lierenden Träger, die Kunststofformteile und eventuelle Kunst­ stoffabdeckungen aus einem Material hergestellt sind, das unter Wärme vernetzt bzw. aushärtet. Auf diese Weise wird beim Druck­ verpressen des Mehrlagenstapels aus Fig. 2 ein dichtes Bauele­ ment ohne jegliche Inhomogenitäten mit geringen Verlusten er­ zielt.

Die zumindest Kunststoff enthaltenden Formteile können aus vor­ gefrästen oder gestanztem Material hergestellt sein. Nach dem Verpressen der Lagen werden die Abgriffe 16, 20, 22, 24, 26, 28 in den ersten und zweiten Kontaktierungsbereichen für die Pri­ mär- und Sekunkärwicklungen durchbohrt und an den durchbohrten Stellen galvanisiert, um so eine parallele Kontaktierung der Primär- und Sekundärwicklungen zu erzielen. Durch umgedrehte Anordnung oder spiegelverkehrtes Drucken der Windung 42 aus Fig. 1c lassen sich die Ausgänge dieser Wicklung auf die Abgrif­ fe 26 und 28 legen, so dass die Sekundärwicklungen in Reihe schaltbar sind. Eine in den Fig. 1 und 2 gezeigte Anordnung eignet sich für die Herstellung von Schweißtransformatoren. Selbstverständlich können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren alle induktiven Bauteile hergestellt werden, welche große Lei­ stungen im Bereich von 1 kW und mehr aufweisen und bei denen große Ströme im Bereich von 1-1000 Ampere fließen.

Alle Kunststoffteile 12, 30, 36, 44 und 46 können faser- oder ge­ webeverstärkt sein und Füllstoffe enthalten, wie z. B. epoxid­ harzgetränkte Hartfaserplatten.

Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung eines planaren induktiven Bauele­ ments mit hoher Leistung mit folgenden Verfahrensschritten:

• - wenigstens eine Wicklung des Bauelements wird als leitfähige Metallschicht (14, 42) in Leiterplattentechnik, insbesondere Dickschichttechnik, auf einen isolierenden Träger (12) aufge­ bracht, wobei die Enden der "gedruckten" Wicklung in Kontaktie­ rungsbereiche geführt sind,
• - auf die von der Schicht nicht bedeckten Teile des Trägers wird ein Kunststoff enthaltendes Formteil (30, 36, 44, 46) aufge­ bracht, welches im wesentlichen die gleiche Dicke wie die Me­ tallschicht (14, 42) aufweist,
• - mehrere Lagen (10, 32, 40) aus isolierenden Trägern mit Wick­ lungen und Formteilen werden gestapelt,
• - gegebenenfalls von der Ober- oder/und Unterseite des Stapels nach außen weisende Wicklungen werden mit einer Kunststoff ent­ haltenden Abdeckschicht (12) versehen,
• - der Stapel wird bei erhöhter Temperatur verpreßt, wobei die Temperatur derart gewählt wird, daß die Kunststoff enthaltenden Teile wie Formteile und/oder Träger und/oder Abdeckschicht ver­ netzen und aushärten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Material an den Kontaktierungsbereichen abgetragen, z. B. aufgebohrt und der abgetragene Bereich galvanisch mit einer Me­ tallschicht versehen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als isolierender Träger ein in einer Epoxidmatrix eingebet­ tetes Glasfasergewebe verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wicklungen (14, 42) mit mehreren Windungen mäanderförmig auf dem isolierenden Träger (12) ausgebildet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß benachbart zu einer Wicklung (14) in einer weiteren Lage (32) eine Metallschicht (34) vorgesehen ist, welche die inner­ ste Windung (18) der mäanderförmigen Wicklung (14) kontaktiert und mit einem Kontaktierungsbereich (20) verbindet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Wicklung (14, 42) ein Kupferschicht verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel bei einem Druck von 15 bar bei einer Temperatur von 175°C 70 min. lang gepreßt wird.

8. Planares induktives Bauelement hoher Leistung mit folgenden Bestandteilen:

• - wenigstens einer auf einen isolierenden Träger (12) aufge­ brachten Wicklung (14, 42) in Form einer Metallschicht in Lei­ terplattentechnik, insbesondere Dickschichttechnik,
• - die von der Metallschicht (14, 42) und elektrischen Kontaktie­ rungsbereichen (16, 20, 24, 26, 28) nicht bedeckten Teile des iso­ lierenden Trägers (12) sind von einem Kunststoff enthaltenden Formteil bedeckt, welches im wesentlichen die gleiche Dicke wie die Metallschicht (14, 42) aufweist,
• - die isolierenden Träger (12) mit Wicklungen sind übereinander angeordnet, die Ober- oder/und Unterseite des Stapels weist gegebenenfalls eine thermoplastische Kunststoffschicht zum Abdecken nach außen weisender Wicklung(en) auf,
• - die Kunststoffbestandteile des Stapels wie Träger (12) und/oder Formteile (30, 36, 44, 46) sind miteinander verbunden.

9. Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungsbereiche (16, 20, 24, 26, 28) der Wicklungen (14, 42) unterschiedlicher Schichten (10, 32, 40) galvanisch mit­ einander kontaktiert sind.

10. Bauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke des isolierenden Trägers (12) zwischen 50 und 500 µm liegt.

11. Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Metallschicht (14, 34, 42) zwischen 100 und 1000 µm liegt.

12. Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (14, 34, 42) aus Kupfer besteht.

13. Bauelement nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kontaktierungsbereiche eine senkrecht zu den Schichten verlaufende Bohrung verläuft, deren Wände galvanisch metallisiert sind.