DE69103920T2

DE69103920T2 - Verfahren zur Herstellung von elektromagnetischen Spulen.

Info

Publication number: DE69103920T2
Application number: DE1991603920
Authority: DE
Inventors: Albert Barre
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1990-01-23
Filing date: 1991-01-18
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2011-01-19
Also published as: DE69103920D1; ES2063454T3; FR2657454B1; EP0439389A1; EP0439389B1; FR2657454A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung elektromagnetischer Wicklungen sowie auf die durch Anwendung dieses Verfahrens erhaltenen Wicklungen und die elektromagnetischen Bauteile mit diesen Wicklungen.
Die Wicklungen der Erfindung werden zur Herstellung elektromagnetischer Bauteile wie Drossein und Transformatoren für Schaltnetzteile und Gleichspannungswandler genutzt. Diese haben sich in den letzten Jahren wegen der unbestrittenen Vorteile, die sie vor allem hinsichtlich des Wirkungsgrades bieten, der entsprechend dem Wert der Ausgangsspannung und der Leistung 70 bis 90 % erreichen kann, beträchtlich weiterentwickelt. Um Volumen und Gewicht dieser Erzeugnisse zu verringern, werden bei der Herstellung mehr und mehr solche Technologien wie die Dickschichthybridtechnik oder die Oberflächenaufsetztechnik (SMD- Technik) für spezielle gedruckte Schaltungen eingesetzt. Diese Miniaturisierung hat zur Herstellung von Stromversorgungen oder Wandlern geführt, die mit hoher Frequenz betrieben werden, um die Abmesssungen der elektromagnetischen Bauteile und der Siebkondensatoren reduzieren zu können.
Allgemein kann gesagt werden, daß sich elektromagnetische Bauteile mit hoher Frequenz von den klassischen Bauteilen dadurch unterscheiden, daß die Wicklungen nicht mehr aus runden Drähten, sondern aus übereinander auf Kernen beispielsweise aus Ferrit geschichteten Flachwindungen bestehen. Gegenüber den klassischen Bauteilen haben sie folgende Vorteile:
- kleinere Höhe der Kerne,
- guter Wirkungsgrad bei hoher Frequenz,
- reproduzierbare Fertigung,
- geringe Streuinduktivität,
- geringer Skineffekt.
Im besonderen ist zu sagen, daß Erzeugnisse, die mit hoher Frequenz betrieben werden, wie in der Zeitschrift "Electronique Hebdo" Nr. 113 vom 11. Mai 1989, S. 18 und Nr. 108 vom 6. April 1989, Seite 38 angegeben, von zwei Herstellern angeboten werden.
Zur Herstellung der Wicklungen wird bei den Erzeugnissen eines ersten Herstellers die Technologie der gedruckten Schaltungen angewendet. Die Wicklungen bestehen dabei aus flachen Kupferwindungen, mit denen dielektrische Substrate beschichtet werden, und aus ausgeschnittenen Kupferfolien. Die durch einen Isolierstoff voneinander getrennten Schichten werden verklebt und in einen E-förmigen Ferritkern eingesetzt, wobei so ein Transformator mit einem besonders flachen Gehäuseprofil entsteht.
Derartige Erzeugnisse sind jedoch teuer und eignen sich wegen der begrenzten Anzahl der Windungen nicht zur Herstellung von Transformatoren mit hoher Sekundärspannung. Außerdem benötigen sie spezielle Kerne von besonderer Form, und ihr Verhalten bei mechanischen Umgebungsschwingungen macht im übrigen eine spezielle Anpassung erforderlich.
Das Erzeugnis des zweiten Herstellers besteht aus übereinandergeschichteten, unabhängigen, offenen, starren Windungen, die durch die gedruckte Schaltung oder das Substrat zusammengeschaltet sind und spezielle Anschlüsse erforderlich machen, durch die die Herstellung der Wicklungen kompliziert wird.
Außerdem sind die Herstellungskosten dieses Erzeugnisses in Anbetracht der Spezifität der Bestandteile, vor allem der Windungen, deren Anzahl außerdem begrenzt ist, so daß insbesondere keine Transformatoren mit hoher Sekundärspannung realisiert werden können, hoch. Außerdem kann die Montage des Bauteils, das direkt an der Oberfläche des Substrats ausschließlich durch Lötverbindungen angebracht wird, wegen der Masse des Bauteils und seiner Höhe im Vergleich zum Substrat zu Problemen bei Schwingungen und/oder Stößen führen.
Aus dem Patent US-A-3 495 327, in dem die technischen Merkmale entsprechend der Einführung von Patentanspruch 1 veröffentlicht sind, ist im übrigen eine Wicklung bekannt, die aus einem fortlaufenden Metallfolienstreifen mit aufeinanderfolgenden Schleifen besteht, die durch Querbiegelinien verbunden sind, nach denen der Streifen zieharmonikaförmig umgebogen werden kann.
Die Erfindung, deren Ziel es ist, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, bezieht sich auf ein Verfahren, mit dem auf einfache Weise, vollständig reproduzierbar und wirtschaftlich elektromagnetische Wicklungen insbesondere für elektromagnetische Bauteile, die mit hoher Frequenz betrieben werden, unter Beibehaltung der oben genannten Eigenschaften der bekannten Flachwindungswicklungen verwirklicht werden können.
Dazu ist das Verfahren zur Herstellung elektromagnetischer Wicklungen, die jeweils eine Vielzahl aneinanderliegender Flachwindungen haben, bei dem in einer Folie aus einem elektrisch leitenden Material eine Vielzahl von Mustern verwirklicht wird, wobei jedes Muster die flache Ausführung einer Wicklung darstellt und eine Leiste bildet, erfindungsgemäß dadurch bemerkenswert, daß:
- die Leiste eine Vielzahl offener Schleifen hat, wobei die benachbarten Schleifen miteinander an ihren Enden durch Verbindungsbrücken verbunden sind und die Windungen der Wicklung darstellen,
- die Leisten von der Folie getrennt werden, und
- die Schleifen jeder Leiste zur Bildung der Wicklung aufeinandergebogen werden, indem die Verbindungsbrücke zwischen zwei Schleifen auf eine Schleife umgeschlagen und die andere Schleife auf die Gesamtheit aus der ersten Schleife und der auf diese umgeschlagenen Verbindungsbrücke umgeschlagen wird, und so fort für jede folgende Leistenschleife.
insbesondere können, bevor die Schleifen zickzackförmig aufeinandergebogen werden, mindestens zwei Leisten übereinandergelegt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auf diese Weise möglich, reproduzierbar und wirtschaftlich elektromagnetische Wicklungen herzustellen, die jeweils aus einem einzigen Teil bestehen, indem eine flache Leiste oder mehrere vorher übereinandergelegte flache Leisten einfach gebogen werden.
Beim Ausschneiden der Muster können im übrigen Materialstreifen erhalten bleiben, durch die zumindest bestimmte entsprechende Schleifen aneinandergrenzender Muster miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise wird die Metallfolie so ausgeschnitten, daß sich gegenüberliegende Musterpaare ergeben, wobei die Muster jedes Paares mindestens an ihren Enden durch Materialstreifen miteinander verbunden sind, die die Anschlußlaschen der Wicklung darstellen. Dann können die Musterpaare durch Schneiden der Streifen in einlagige Einzelpaare getrennt werden oder aber gebogen werden, so daß sich zweilagige Einzelmuster ergeben.
Vorteilhafterweise wird die ausgeschnittene Folie durch chemisches Ätzen hergestellt. Im übrigen können auf die Muster ein metallischer Schutzüberzug, der vor allem durch Galvanisierung erzielt wird, und/oder ein elektrisch isolierender Überzug, der besonders durch Vakuumsublimation erreicht wird, aufgebracht werden.
Die Figuren der beigefügten Zeichnung erleichtern das Verständnis dafür, wie die Erfindung ausgeführt werden kann.
Figur 1 zeigt zur Realisierung erfindungsgemäßer elektromagnetischer Wicklungen in einer Draufsicht eine Folie aus einem elektrisch leitenden Material mit einer Vielzahl von Mustern, deren Schleifen eine erste Form aufweisen.
Figur 2 entspricht Figur 1 und veranschaulicht eine zweite Form der Schleifen der Muster.
Die Figuren 3 und 4 zeigen als Draufsicht Musterpaare der Figuren 1 und 2, die jeweils von der elektrisch leitenden Folie getrennt sind.
Die Figuren 5 und 6 zeigen aus den Musterpaaren der Figuren 3 und 4 erhaltene Einzelmuster.
Die Figuren 7a-c und 8a-c zeigen von vorne, von der Seite und von oben die zu jeweils einer erfindungsgemäßen Wicklung umgebogenen Muster der Figuren 5 und 6.
Figur 9 ist eine explodierte Ansicht eines Transformators mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung der Erfindung, die jeweils dem Ausführungsbeispiel der Figuren 7a-7c entsprechen.
Die Figuren 10a-c zeigen von oben und von der Seite den Transformator von Figur 9 im montierten Zustand.
Die Figuren 1 und 2 zeigen von oben eine Folie 100,200 aus einem elektrisch leitenden Material, besonders aus Kupfer o.ä., in der eine Vielzahl von Mustern 101,201 angebracht ist, die jeweils die flache Ausführung einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Wicklung darstellen. Es ist festzustellen, daß die Dicke der Folie entsprechend den Erfordernissen zwischen 50 Mikrometern und einem Millimeter liegen kann. Jedes Muster 101,201 besteht aus einer Vielzahl offener Schleifen 102,202, die an ihren Enden 103,104; 203,204 miteinander durch Verbindungsbrücken 1 05,205 verbunden sind.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Formen der Schleifen 102,202 stellen einige der möglichen Ausführungsbeispiele dar, dabei ist die Erfindung auf diese besonderen Formen, die eher an die herzustellenden spezifischen elektromagnetischen Bauteile angepaßt sind, keineswegs begrenzt. In einem ersten Fall (Figur 1 ,3,5,7) haben die offenen Schleifen 102 eine allgemeine kreisrunde Form entsprechend dem griechischen Buchstaben D, während im zweiten Fall (Figur 2,4,6,8) die Schleifen 202 eine allgemeine rechteckige Form aufweisen. Es ist zu bemerken, daß es bei dieser letzten Form möglich ist, wie im unteren Teil von Figur 2 gezeigt die Schleifen von zwei benachbarten Mustern zickzackförmig anzuordnen.
Die Anordnung der paarweise miteinander verbundenen Muster 101,201 jeder Schleife 102,202 über Materiaistreifen 106,107; 206,207, durch die die entsprechenden Enden 103,104; 203;204 der offenen Schleifen 102,202 verlängert werden und die vor allem an den Enden Anschlußlaschen darstellen können, gewährleistet eine hohe Fertigungsqualität und einen hohen Wirkungsgrad.
Vorteilhafterweise werden die Muster 101,201 durch chemisches Ätzen hergestellt. Dadurch kann gleichzeitig eine große Anzahl von Mustern geeigneter Form reproduzierbar, genau und wirtschaftlich gefertigt werden. Zur Lagerung werden die Muster durch einen metallischen Überzug (Zinn, Zinn/Blei o.ä.) mit einer Dicke von 10 bis 20 Mikrometern geschützt, der durch Galvanisierung erzielt werden kann. Durch diesen Überzug ergeben sich gleichzeitig gute Löteigenschaften für die Befestigung der Ausgangsanschlußlaschen am Substrat.
In den Figuren 3 und 4 sowie 4 und 5 wurden zwei aufeinanderfolgende Trennphasen der Muster 101,201 von der Folie 100,200 dargestellt. Durch Trennen der zu beseitigenden Streifen 106,107; 206,207 mit einem Winkelschneider (bei kleinen Serien) oder mit einer Stanzpresse (bei mittleren oder großen Serien) und unter Beibehaltung der am Ende als Anschlußlaschen vorgesehenen Streifen 106a,107a; 206a,207a sowie der mittleren Anschlußlasche 107b von Figur 3 ergeben sich zunächst Musterpaare 101,201 (Figur 3 und 4), die anschließend durch Biegen der Laschen 106a,107a,107b; 206a,207a um eine parallel zu den Verbindungsbrücken 105;205 verlaufende mittlere Achse X-X aufeinandergebogen werden, so daß sich zweilagige Muster ergeben, oder die getrennt werden, so daß sich einlagige Einzelmuster 101,201 (Figur 5 und 6) ergeben. Jedes Muster 101,201 bildet dann eine Leiste (zwei- oder einlagig), die aus einer Vielzahl von Schleifen 102,202 besteht, die durch Brücken 105,205 miteinander verbunden sind und an den Enden Anschlußlaschen 106a,107a; 206a,207a sowie eventuell eine abgewinkelte mittlere Anschlußlasche 107b haben.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 7a-c und 8a-c ergibt sich jetzt aus der Leiste 101 ,201 eine Wicklung, wenn deren Schleifen (ein- oder zweilagig) 102,202 zickzackförmig aufeinandergebogen werden, so daß sie ein "Paket" aneinanderliegender Windungen bilden, das die Wicklung 108,208 darstellt. Dazu wird die Verbindungsbrücke zwischen zwei Schleifen auf eine der Schleifen umgeschlagen und die andere Schleife auf die Gesamtheit aus der ersten Schleife und der auf diese umgeschlagenen Verbindungsbrücke umgeschlagen, und so fort für jede weitere Schleife der Leiste. Durch diese aufeinanderfolgenden Doppelbiegungen, die klar in Figur 7c und 8c zu sehen sind, kann die Wicklungsrichtung der Windungen festgelegt werden.
Wie bereits angegeben, könnten auch mehrere Leisten 101,201 geringer Dicke zur Bildung einer Mehrlagenwicklung übereinandergelegt werden, nachdem die Leisten von der Folie 100,200 getrennt und bevor deren Schleifen 102,202 zickzackförmig aufeinandergebogen wurden.
Um die Windungen voneinander zu isolieren, können sie mit einem elektrisch isolierenden Film aus thermoplastischem Harz geschützt werden, der in einer einheitlichen Dicke von etwa 30 bis 40 Mikrometern, natürlich nicht an den Enden 109,209 (Figur 7a und 8a) der Anschlußlaschen 106a,107a,107b; 206a,207a, aufgetragen wird. Die Harzschicht kann zum Erhalt eines geeigneten Polymers durch Vakuumsublimation eines physikalisch-chemisch transformierten Dimers aufgebracht werden.
In den Figuren 9 und 10a-c wurde ein Ausführungsbeispiel eines Transformators mit erfindungsgemäß ausgeführten Wicklungen dargestellt, d.h. in diesem Sonderfall mit den in den Figuren 1,3,5,7 gezeigten Wicklungen mit kreisrunden Schleifen.
Insbesondere unter Bezugnahme auf die explodierte Ansicht von Figur 9 hat der Transformator 1 folgende Bauteile:
- eine Primärwicklung 108a und eine Sekundärwicklung 108b,
- zwei Ferritkerne 2a,2b,
- zwei Isolierscheiben 3a,3b,
- eine Isolierhülle 4, und
- zwei Befestigungsclips 5a,5b.
Die Primärwicklung 108a und die Sekundärwicklung 108b, die erfindungsgemäß realisiert wurden, sind so miteinander verschachtelt, daß sich eine optimale Kopplung ergibt. In diesem Fall sind die Primär- und die Sekundärwicklung übereinandergelegt und durch eine Flachwindung mit einem Ausgangsanschluß zur Verbindung an Masse getrennt.
Die Ferritkerne 2a,2b sind Standarderzeugnisse mit diametral entgegengesetzten Öffnungen für die Durchführung der Anschlußlaschen der Primär- und Sekundärwicklung.
Die Isolierhülle 4 und die Scheiben 3a,3b gewährleisten eine zufriedenstellende elektrische lsolierung und sind gleichzeitig gute Wärmeleiter. So werden durch den Wärmeaustausch zwischen den Kernen und den Wicklungen die Wärmeverluste verringert.
in den Figuren 10a-c wurde der montierte Transformator 1 dargestellt. Die Anschlußlaschen der Wicklungen sind gekrümmt, um die Oberflächenmontage auf einem Substrat zu ermöglichen. Die Anschlußlaschen können auch (nicht dargestellte) Stifte haben, die in Substratbohrungen eingeführt werden. Die Ferritkerne 2a,2b und die Wicklungen 108a,108b werden durch Befestigungsclips 5a,5b beiderseits der Kerne zusammengehalten. Für die Flachmontage auf einem Substrat können die Enden der Clips gekrümmt sein.
Abgesehen von den bereits genannten Eigenschaften der Flachwindungs-Wicklungen eignen sich die Wicklungen der Erfindung, deren Abmessungen in Abhängigkeit von der Leistung und der Ausgangsspannung gewählt werden, für die auf dem Markt vorhandenen Ferritkerne und ermöglichen die Herstellung von Transformatoren mit hoher Sekundärspannung, da jede Wicklung eine große Anzahl von Windungen aufweisen kann.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung elektromagnetischer Wicklungen mit jeweils einer Vielzahl von aneinanderliegenden Flachwindungen, bei dem aus einer Folie (100,200) aus einem elektrisch leitenden Material eine Vielzahl von Mustern (101,201) ausgeschnitten wird, wobei jedes der Muster die flache Ausführung einer Wicklung darstellt und eine Leiste bildet, dadurch gekennzeichnet, daß:

- die Leiste eine Vielzahl offener Schleifen (102,202) hat, wobei die benachbarten Schleifen miteinander an ihren Enden durch Verbindungsbrücken (105,205) verbunden sind und die Windungen der Wicklung darstellen sollen,

- die Leisten (101,201) von der Folie (100,200) getrennt werden, und

- zur Herstellung der Wicklung die Schleifen (102,202) jeder Leiste (101,201) aufeinandergebogen werden, indem die Verbindungsbrücke zwischen zwei Schleifen auf eine der Schleifen und die andere Schleife auf die Gesamtheit aus der ersten Schleife und der auf diese umgeschlagenen Verbindungsbrücke umgeschlagen wird, und so fort für jede weitere Schleife der Leiste.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Leisten (101,201) übereinandergelegt werden, bevor deren Schleifen (102,202) aufeinandergebogen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ausschneiden der Muster Materialstreifen (106,107; 206,207) erhalten bleiben, durch die mindestens bestimmte entsprechende Schleifen (102,202) benachbarter Muster (101,201) miteinander verbunden werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (100,200) so ausgeschnitten wird, daß sich gegenüberliegende Musterpaare (101,201) ergeben, wobei die Muster jedes Paars mindestens an ihren Enden durch Materialstreifen (106,107; 206,207)) miteinander verbunden sind, die die Anschlußlaschen der Wicklung darstellen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterpaare (101,201) durch Zerschneiden der Streifen (106,107; 206,207) in Einzelmuster getrennt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Muster eines Musterpaares (101 ,201) aufeinandergebogen werden und ein zweilagiges Einzelmuster bilden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (100) chemisch ausgeätzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Muster ein metallischer Schutzüberzug aufgetragen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzüberzug durch Galvanisation erzielt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Muster ein elektrisch isolierender Überzug aufgetragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Überzug durch Vakuumsublimation erzielt wird.

12. Elektromagnetische Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verwirklicht wird.

13. Elektromagnetischer Bauteil, insbesondere Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eine durch Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verwirklichte Wicklung (108a,108b) auf einem Magnetkern (2a,2b) hat.