DE4007614A1 - Induktives element - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den Aufbau eines induktiven Elements, insbesondere eines induktiven Elements kompakter Baugröße und geringer Höhe, das sich als Gleichstrom-Umsetzer, Lei­ stungstransformator, Spule oder dergleichen eignet.

Als übliche derartige Induktivitäten sind beispielsweise Transformatoren bekannt, wie sie in Fig. 1 dargestellt sind. Der Transformator besteht aus einem trommelartigen Magnetkern 1, um den eine Primärwicklung 2 aus einem mit Isolierstoff ummantelten Leiterdraht kreisrunden Querschnitts gewickelt ist, um die ihrerseits eine Sekundärwicklung 3 ähnlichen Auf­ baus gewickelt ist. Weiterhin ist ein Transformator bekannt, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei sind um einen Kern 6 eine Primärwicklung 4 und eine Sekundärwicklung 5 gewickelt, wobei diese Wicklungen aus einem Bandleiter bestehen.

Bei einem solchen Aufbau jedoch ändert sich der Betrag des Verbindungsflusses zwischen Primärwicklung und Sekundärwick­ lung, wenn ein Strom durch die Primärwicklung bzw. durch die Sekundärwicklung geschickt wird, weil eine Differenz zwi­ schen den äquivalenten Querschnittsflächen von Primärwick­ lung und Sekundärwicklung besteht. Es ist deshalb schwie­ rig, einen Transformator bzw. Umsetzer mit hohem Kopplungs­ koeffizienten zu schaffen. Wenn, wie in Fig. 2 gezeigt, die Wicklung aus einem Bandleiter besteht, dann ist es schwierig, Anschlußdrähte mit den Bandleitern zu verbinden bzw. es er­ gibt sich ein komplizierter Transformatoraufbau.

Es gibt auch Transformatoren bzw. Umsetzer ohne eine Sekundär­ wicklung 3 von Fig. 1 oder ohne eine Sekundärwicklung 5 von Fig. 2. Die erstere Spule hat jedoch dann eine niedrige Dichte an Leitungsdrähten je Einheit der Querschnittsfläche, so daß die Gesamthöhe groß wird, wenn ein starker Strom hindurchge­ schickt werden soll. Auch bei der zweitgenannten Spule besteht das Problem, daß es dann,wenn starke Ströme hindurchgeschickt werden sollen, schwierig ist, die Bauhöhe zu vermindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist deshalb die Schaffung eines induktiven Elements, etwa eines Hochfrequenz-Transforma­ tors, das einen hohen Kopplungskoeffizienten und eine niedri­ ge Bauhöhe aufweist, einer Spule geringer Bauhöhe und ähnlicher induktiver Elemente.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein induktives Element, bei dem um einen Magnetkern herum ein flacher, zumindest an einer sei­ ner Breitseiten mit einer Isolierschicht abgedeckter Leiter­ draht spiralig herumgewickelt ist, wobei die Leiterdraht-Breit­ seiten im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse des Kerns ge­ richtet sind.

Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung bei­ spielsweise dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 Längsschnitte durch zwei Arten übli­ cher Transformatoren,

Fig. 3 ein Längsschnitt durch eine Spule nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 bis 7 Querschnitte im vergrößerten Maßstab durch verschiedene Ausführungsformen von Leiterdrähten nach der Erfindung,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Auf­ baus eines Wicklungsblocks,

Fig. 9 eine Vorderansicht einer Spule nach einer weiteren Ausführungsform der Er­ findung,

Fig. 10 eine perspektivische Explosionsdarstel­ lung der Spule von Fig. 9,

Fig. 11 einen Längsschnitt durch einen Transfor­ mator,

Fig. 12 einen Längsschnitt durch einen Transfor­ mator mit Wicklungsblöcken,

Fig. 13 einen Längsschnitt durch einen Transfor­ mator nach einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 14 eine perspektivische Ansicht eines Wick­ lungsblocks, der sich von demjenigen nach Fig. 8 unterscheidet,

Fig. 15 ein Längsschnitt durch einen Transfor­ mator nach einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 16 eine perspektivische Explosions­ darstellung des Transformators von Fig. 15,

Fig. 17 eine perspektivische Explosions­ zeichnung eines Transformators nach einer weiteren Ausführungs­ form der Erfindung,

Fig. 18 eine Vorderansicht des Transforma­ tors von Fig. 17 und

Fig. 19 einen vergrößerten Längsschnitt durch den wesentlichen Teil des Transformators von Fig. 17.

Die Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt (Vertikalschnitt) durch eine erste Ausführungsform einer Spule nach der Erfindung.

Der Kern 10 aus magnetischem Material weist einen Wicklungs­ schaft 12 und Flansche 14 und 16 auf, wobei die Flansche 14 und 16 einstückig mit dem Schaft 12 sind und sich an dessen beiden Enden befinden. Um den Wicklungsschaft 12 ist spira­ lig ein Wicklungskörper 20 aufgewickelt, der aus bandförmi­ gen Leiterdrähten 24 besteht, die mit einer Isolierschicht 23 abgedeckt sind. Die Isolierschicht 23 kann nur eine Ober­ fläche des Leiterdrahts 24 bedecken, wie dies in Fig. 4 ge­ zeigt ist, sie kann aber auch die gesamte Oberfläche des Lei­ terdrahts 24 abdecken, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Der Wicklungskörper 20 kann so aufgebaut sein, wie dies in den Fig. 6 und 7 dargestellt ist. Dabei weist der Wicklungskör­ per 20 von Fig. 6 einen bandförmigen Leiterdraht 24, der an einer seiner Oberflächen durch eine Isolierschicht 23 abge­ deckt ist, und eine Kleber- bzw. Binderschicht 25 auf, der Wicklungskörper 20 von Fig. 7 weist einen bandförmigen Lei­ terdraht 24 auf, der allseitig durch eine Isolierschicht 23 abgedeckt ist, sowie eine Binderschicht 25. Für die Isolier­ schicht 23 kann ein Material auf der Grundlage von Polyester- Imid verwendet werden, für die Binderschicht 25 ein Kleber auf Epoxy-Grundlage.

Der Wicklungskörper 20 ist spiralig um den Wicklungsschaft herumgewickelt, wobei seine breite Oberfläche 21 sich im we­ sentlichen senkrecht zur Mittelachse E des Wicklungsschafts 12 erstreckt. Die Isolierschicht 23 kann vom Wicklungskörper 20 an dessen gegenüberliegenden Stirnflächen 22 entfernt sein, um somit Spulenanschlüsse zu bilden.

Der Wicklungskörper 20 kann derart um den Kern 10 gewickelt sein, daß ein weicher Kupferdraht oder Aluminiumdraht flach­ gewalzt wird, das Leiterband mit einer Isolierschicht abge­ deckt und unmittelbar auf den Kern 10 aufgewickelt wird. Wenn der Wicklungskörper 20 mit einer Isolierschicht 23 und einer Binderschicht 25 versehen ist, wie dies aus den Fig. 6 und 7 hervorgeht, dann kann der Wicklungskörper 20 auf den Kern 10 aufgewickelt und dabei die Kleberschicht 25 mit einem Lösungsmittel, etwa Alkohol, angelöst werden, worauf dann die Binderschicht 25 gehärtet wird, um den aufgewickelten Wick­ lungskörper 20 zu verfestigen. Anstelle der Aufwicklung des Wicklungskörpers 20 unmittelbar auf den Kern 10 kann auch so vorgegangen werden, daß der Wicklungskörper 10 mit Ausnahme der gegenüberliegenden Stirnbereiche 22 gewickelt und in zy­ lindrischer Form verfestigt wird, so daß ein Wicklungsblock 30 entsteht, der dann auf den Wicklungsschaft 12 des Kerns 10 aufgesteckt wird, zu welchem Zweck ein Flansch 14 entfernt wird. Genauer gesagt, der Wicklungsblock 30 kann so hergestellt werden, daß der Wicklungsblock 20 von Fig. 7 um einen Kreis­ zylinder gewickelt und die Binderschicht 25 mit Lösungsmittel, etwa Alkohol, gelöst wird, worauf dann die Binderschicht 25 gehärtet wird. Nach dem Aufstecken des Wicklungsblocks 30 auf den Wicklungsschaft 12 wird der zuvor entfernte Flansch wieder am Schaft 12 befestigt, etwa mit einem Klebemittel.

Die Fig. 9 und 10 sind eine Vorderansicht bzw. eine perspek­ tivische Explosionsdarstellung einer aus einem einzigen Wicklungsdraht bestehenden Spule. Der Kern besteht aus ei­ nem ersten Kern 41 mit flachem, plattenartigem Teil 41 a, von dessen Mittelpunkt ein Wicklungsschaft 41 b kreisrunden Querschnitts absteht. Weiterhin ist ein zweiter Kern 42 vor­ gesehen, der U-Form hat. Die gegenüberliegenden Stirnenden 22 des Wicklungskörpers 20 sind nach unten gefaltet und an den Seitenwänden des flachen Plattenteils 41 a des ersten Kerns 41 angeklebt, um so Oberflächen-Anschlußelektroden zu bilden.

Wie bei üblichen Spulenelementen kann eine Grundplatte aus Kunststoff an der Unterfläche des Kerns 10 befestigt sein, so daß die gegenüberliegenden Stirnenden 22 des Wicklungs­ körpers 20 an Anschlußstiften angelötet werden können, die sich in der Grundplatte befinden.

Nachfolgend wird nun eine zweite Ausführungsform erläutert, und zwar ein Transformator mit vertikaler Schichtung.

Fig. 12 zeigt den Aufbau eines Transformators mit zwei Wick­ lungskörpern 20 A und 20 B, wobei diese Wicklungskörper ähnlich dem Wicklungskörper 20 der Spule von Fig. 3 sind und um den Wicklungsschaft 12 des Kerns 10 gewickelt werden, und zwar einander benachbart in Richtung der Mittelachse des Wicklungs­ schafts 12.

In diesem Fall liegen also zwei Fig. 8 entsprechende Wicklungs­ blöcke 30 aufeinander und bilden einen Transformator, wie er in Fig. 12 dargestellt ist. In Fig. 12 bezeichnet das Bezugs­ zeichen 51 einen ersten Kern mit E-förmigem Querschnitt, der einen Wicklungsschaft 51 a aufweist, welcher in der Mitte nach oben absteht, wohingegen das Bezugszeichen 52 einen zweiten Kern bezeichnet, der einen I-förmigen Quer­ schnitt besitzt und an der oberen Oberfläche des ersten Kerns 51 befestigt ist.

Nachfolgend wird eine dritte Ausführungsform beschrieben, und zwar verkörpert durch einen Transformator mit überlapp­ ter Wicklung bzw. Schleifenwicklung.

Fig. 13 ist ein Vertikalschnitt durch einen solchen Transfor­ mator. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Wicklungskörper 20 A und 20 B, entsprechend dem Wicklungskörper 20 nach den Fig. 4 bis 7, einander überlappend übereinander spiralig auf den Wicklungsschaft 12 des Kerns 10 aufgewickelt, wobei die breiteren Flächen der Wicklungskörper im wesentlichen senk­ recht zur Mittelachse des Wicklungsschafts 12 verlaufen. Fig. 14 zeigt ein Beispiel des Aufbaus eines Wicklungsblocks mit zwei sich überlappenden Wicklungskörpern 20 A und 20 B, die mit einem Isolierstoffkörper abgedeckt sind, mit Ausnah­ me der entgegengesetzten Stirnenden, wobei diese Wicklungs­ körper anschließend dann verfestigt werden.

Eine weitere Ausführungsform betrifft einen Transformator mit Kernspalt.

Fig. 15 ist ein Vertikalschnitt durch einen Transformator und Fig. 16 eine perspektivische Explosionszeichnung des Transformators von Fig. 15.

Ein Kern 51 aus magnetischem Material weist einen E-förmigen Querschnitt auf und besitzt einen zylindrischen Wicklungs­ schaft 51 a, der von seinem Mittelteil nach oben absteht. Um den Wicklungsschaft 51 a sind gesondert zwei Wicklungskörper 20 A und 20 B, die dem Wicklungskörper 20 der Fig. 4 bis 7 entsprechen, gewickelt, wobei die breiteren Oberflächen der Wicklungskörper im wesentlichen senkrecht zur Mittel­ achse E des Wicklungsschafts 51 a verlaufen. Die Wicklungs­ körper 20 A und 20 B bilden eine Primärspule und eine Sekun­ därspule und sind auf den Wicklungsschaft mit unterschied­ licher Wicklungsrichtung aufgewickelt. Die einen Stirnenden der beiden Wicklungskörper 20 A und 20 B überlappen einander, wobei die breiteren Oberflächen übereinanderliegen, und nur der Wicklungskörper 20 A, der eine größere Länge bzw. Wick­ lung besitzt, ist um den unteren Teil des Wicklungsschafts 51 a gewickelt. Nach Freilegung von Teilen der Leitungs­ drähte werden die entgegengesetzten Enden 22 A und 22 B der Wicklungskörper 20 A und 20 B nach unten gebogen und an den Seitenwänden des Kerns 51 angeklebt, um so Oberflächen- Anschlußelektroden zu bilden.

Ein flacher, plattenförmiger zweiter Kern 52 mit I-förmigem Querschnitt ist mittels eines Bindemittels am Kern 51 be­ festigt. Eine in Fig. 15 nicht dargestellte Kunststoffplatte ist zwischen die Kerne eingesetzt, um so schmale Spalte an den Verbindungsstellen zu bilden, in Fig. 15 mit B 1, B 2 und B 3 bezeichnet, womit magnetische Streuungen vermieden werden.

Gemäß dieser Ausführungsform werden bei einem Transformator mit einer Vielzahl von Wicklungen unterschiedlicher Windungs­ zahl die Windungen abwechselnd und spiralig um den Wicklungs­ schaft gewickelt, wobei die breiteren Oberflächen der flachen Leiterdrähte im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse des Wicklungsschafts gerichtet sind, und wobei zusätzlich diejeni­ ge Seite, wo sich die Vielzahl von Wicklungen einander über­ lappen, sich auf der Seite befindet, an welcher die Spalte zwischen den Kernen 51 und 52 gebildet sind.

Bei einer derartigen Anordnung unterscheidet sich der Betrag der Verbindungsflüsse nahe den Kernspalten infolge eines Verlustflusses unter den einzelnen Wicklungen nur um einen sehr kleinen Wert, womit die Kopplung zwischen den Wick­ lungen beträchtlich und vorteilhaft verbessert wird.

Eine weitere, fünfte Abwandlungsform wird anhand eines Transformators mit seitlicher Wicklungsüberlappung erläu­ tert.

Fig. 17 ist eine perspektivische Ansicht eines Transforma­ tors nach dieser Abwandlungsform, Fig. 18 eine Vorderansicht und Fig. 19 ein teilweise vergrößerter Vertikalschnitt durch den Transformator von Fig. 18.

Bei dieser Ausführungsform besteht der Kern aus einem ersten Kern 41 mit einem Teil 41 a in Form einer flachen Platte, von der mittig ein zylindrischer Wicklungsschaft 41 b nach oben absteht und einem zweiten Kern 42 mit U-förmigem Querschnitt. Die beiden Kerne 41 und 42 sind mittels eines Klebers oder dergleichen miteinander fest verbunden. Drei dem Wicklungs­ körper 20 entsprechende Wicklungskörper 20 A , 20 B und 20 C sind gesondert in zwei radialen Abschnitten auf den Wicklungs­ schaft 41 b aufgewickelt. Die Wicklungskörper 20 A, 20 B und 20 C sind spiralig aufgewickelt, wobei die breiten Oberflächen im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse des Wicklungsschafts 41 b gerichtet sind.

Wie aus Fig. 19 ersichtlich ist, sind die beiden Wicklungs­ körper 20 A und 20 B im ersten radialen Abschnitt um den Wick­ lungsschaft 41 b gewickelt, wobei sie sich in Richtung der Mittelachse des Wicklungsschafts 41 b überlappen. Der Wick­ lungskörper 20 C ist im zweiten radialen Abschnitt außerhalb des ersten radialen Abschnitts um diesen herumgewickelt.

Nach Entfernung von Teilen der Isolationsschichten werden die einander gegenüberliegenden Enden 22 A, 22 B und 22 C der Wicklungskörper 20 A, 20 B und 20 C nach unten gebogen und an den Endabschnitten der flachen Platte 41 a des Kerns 41 an­ geklebt, um so Oberflächen-Anschlußelektroden zu bilden.

Wie gesagt, sind bei dieser Ausführungsform zwei Wicklungs­ körper im ersten radialen Abschnitt angeordnet, wohingegen der dritte Wicklungskörper im zweiten radialen Abschnitt angeordnet ist. Selbstverständlich kann die Anzahl von Wicklungskörpern in jeden der radialen Bereiche beliebig geändert werden; beispielsweise können sich drei Wicklungs­ körper im ersten radialen Abschnitt und zwei Wicklungskör­ per im zweiten radialen Abschnitt befinden. Auch die Zahl der Windungen jedes Wicklungskörpers kann beliebig festgelegt werden. Darüber hinaus kann ein dritter radialer Abschnitt außerhalb des zweiten radialen Abschnitts vorgesehen sein.

Diese Ausführungsform schafft einen sehr kompakten Transfor­ mator niedriger Bauhöhe, der es erlaubt, einen vergleichs­ weise hohen Strom hindurchzuschicken.

Mit der Erfindung wird also eine Spule oder ein Transforma­ tor kompakter und niedriger Baugröße geschaffen, wobei die Spule bzw. der Transformator trotzdem für einen hohen Strom­ fluß geeignet ist und wobei ein hoher Raumfaktor der Leiter­ drähte erreicht und die Verwendung von Leiterdrähten großer Fläche ermöglicht wird. Im Fall eines Transformators werden nahezu 100% des Flusses, welcher durch einen durch die Pri­ märwicklung hindurchfließenden Strom erzeugt wird, der Sekun­ därwicklung zugeführt, so daß ein Hochfrequenz-Transformator mit hohem Kopplungskoeffizienten erreicht wird.

Claims (11)

1. Induktives Element mit einem Leiterdraht, der spi­ ralförmig um einen Wicklungsschaft eines Magnet­ kerns gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter­ draht (20) die Form eines flachen Bandes hat, wobei auf zu­ mindest einer der breiteren Bandoberflächen (21) eine Iso­ lierschicht (23) angeordnet ist, und daß der Leiterdraht (20) so um den Magnetkern gewickelt ist, daß die breiteren Band­ oberflächen (21) senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse des Wicklungsschafts (12) des Magnetkerns (10) ge­ richtet sind.

2. Induktives Element nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Leiterdraht innerhalb eines Wick­ lungsblocks (20) gewickelt und gehaltert ist, der durch einen Isolierkörper abgedeckt ist, mit Ausnahme des Teils entgegen­ gesetzter Enden des Leiterdrahts.

3. Induktives Element nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Leiterdrähten.

4. Induktives Element nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder der Leiterdrähte innerhalb ei­ nes Wicklungsblocks gewickelt ist und die Wicklungsblöcke längs der Richtung der Mittelachse des Wicklungsschafts des Magnetkerns einander benachbart angeordnet sind.

5. Induktives Element nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterdrähte innerhalb eines Wicklungsblocks gewickelt und gehaltert sind, der mit einem Isolierstoffkörper abgedeckt ist, außer der Teil der gegenüber­ liegenden Enden des Leiterdrahts, und daß die Wicklungsblöcke längs der Richtung der Mittelachse des Wicklungsschafts des Magnetkerns angeordnet sind.

6. Induktives Element nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterdrähte um den Wicklungs­ schaft des Magnetkerns herum aufgewickelt sind, jedoch geson­ dert innerhalb einer Mehrzahl von radialen Abschnitten, wo­ bei Isolierschichten zwischengeschaltet sind.

7. Induktives Element nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterdrähte die Form flacher Bän­ der haben und zumindest in zumindest einigen Bereichen so ge­ wickelt sind, daß sich ihre breiteren Oberflächen unter Zwi­ schenschaltung von Isolierschichten überlappen, wobei die Lei­ terdrähte spiralförmig um den Wicklungsschaft des Magnetkerns so gewickelt sind, daß ihre breiteren Oberflächen senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zur Mittelachse des Wicklungs­ schafts gerichtet sind.

8. Induktives Element nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Leiterdrähte mit einem Isolier­ stoffkörper abgedeckt sind, außer den gegenüberliegenden End­ bereichen der Leiterdrähte, wobei alle Leiterdrähte in einem einzigen Wicklungsblock untergebracht sind.

9. Induktives Element nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder der Leiterdrähte mit einem Iso­ lierstoffkörper abgedeckt ist, außer die einander gegenüberlie­ genden Endbereiche der Leiterdrähte, und daß die Leiterdrähte in einem einzigen Wicklungsblock untergebracht sind, wobei die Wicklungsblöcke um den Wicklungsschaft des Magnetkerns gewic­ kelt sind, und zwar gesondert in mehreren radialen Abschnitten unter Zwischenschaltung von Isolierschichten.

10. Induktives Element nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwei Magnetkerne vorgesehen sind, die unter Zwischenschaltung eines kleinen Spalts einander zuge­ kehrt sind, wobei zumindest einer der beiden Magnetkerne so ausgebildet ist, daß der Leiterdraht auf ihn aufwickelbar ist, und daß jeder der Leiterdrähte um diesen einen Magnet­ kern mit unterschiedlicher Windungszahl gewickelt ist, wobei seitliche Bereiche der Leiterplatten einander unter Zwischen­ schaltung eines Isolierstoffkörpers einander überlappen und diese seitlichen Bereiche nahe benachbart dem anderen Magnet­ kern angeordnet sind.

11. Induktives Element nach Anspruch 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß einer der Magnetkerne E-förmig, der andere Magnetkern I-förmig ausgebildet ist.