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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf flache Magnetkomponenten
und insbesondere auf derartige Komponenten, die einen Kern und eine
flache Wicklungsstruktur aufweisen, wie flache Induktoren. Die vorliegende
Erfindung bezieht sich insbesondere auf Transformatoren.
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Flache
Magnetkomponenten, insbesondere diejenigen, die durch relativ hohen
Leckfluss gekennzeichnet sind, wie Induktoren und insbesondere einige
Transformatoren, entworfen für
eine eingebaute Induktivität,
sind nützlich
in elektronischen Stromversorgungsapplikationen, wobei der Raum
begrenzt ist, beispielsweise in elektronischen Vorschaltgeräten und
Schaltstromversorgungen.
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Herkömmliche
flache Magnetkomponenten haben Wicklungsstrukturen, die aus einem
Schichtenstapel bestehen, die je einen Teil der gesamten Wicklungsstruktur
enthalten, aus Isolierschichten, meistens bestehend aus einem flexiblen,
nicht leitenden Polymer mit einer niedrigen absoluten Dielektrizitätskonstante
und einer hohen Temperaturbeständigkeit
um einen elektrischen Kontakt zwischen den Windungen in benachbarten
Schichten zu vermeiden, und eine kontaktierende Struktur, die einen
elektrischen Kontakt zwischen Windungen in benachbarten Schichten,
wo nötig,
gestattet. Die Wicklungsstrukturen werden meistens im Ätz- oder
Stanzverfahren geschaffen oder manchmal im Faltverfahren. Kontakte
werden meistens durch Verlötung
oder durch Metallisierung geschaffen.
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Eine
verbesserte flache Magnetkomponente mit einer flachen Wicklungsstruktur,
die gedrängt
ist, wobei die Wicklungsschichten auf bequeme Weise miteinander
verbunden sind, und die auf bequeme Art und Weise mit einer externen
Schaltungsanordnung verbunden werden können, ist in der ebenfalls eingereichten
US-Patentanmeldung S.N. 08/874.171 (Aktenzeichen der Anmelderin
PHA 23.256), eingereicht am 13. Juni 1997, und dem vorliegenden
Bevollmächtigten
zugeordnet, beschrieben und beansprucht. Die Dichte der flachen
Wicklungsstruktur führt
zu einem relativ niedrigen thermischen Widerstand, der das untere
Oberflächengebiet,
das für Wärmeübertragung
verfügbar
ist, einigermaßen kompensiert.
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Wicklungsverluste
treten in allen derartigen Magnetkomponenten auf. Im Allgemeinen
sind Wicklungsverluste die Folge der Interaktion des Wicklungsstromes
mit einem örtlichen
Magnetfeld, und zwar vorwiegend wegen des Leckflusses von den Wicklungen
und die Folge von Streufeldern in der Nähe von Spalten in dem Kern.
Der Leckfluss, definiert als der magnetische Fluss, der weder in
dem Kern, noch in den Spalten vorhanden ist, ist in Induktoren sowie
in einigen Transformatoren, die dazu entworfen sind, dass sie eine
eingebaute Induktivität
haben, wie diejenigen, die manchmal in Schaltstromversorgungen und
in Vorschaltgeräten
verwendet werden, relativ hoch.
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Bei
derartigen Applikationen mit einem hohen Leckfluss ist es notwendig,
dass die Wicklungsverluste reduziert werden, während gleichzeitig die Vorteile
der bekannten flachen Magnetkomponenten beibehalten oder sogar verbessert
werden.
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In
US 4.135.173 ist (in
4 und
5) eine Magnetkomponente beschrieben, die
einen Kern mit einem herkömmlichen
rechteckigen Rahmen, Zentralstiftstruktur, aufweist, d.h. der Rahmen
besteht aus einem zentralen Schenkelteil und zwei Seitenschenkelteilen,
und die Enden der Schenkelteile sind mit Hilfe eines oberen bzw.
eines unteren Stabteils verbunden. Auf diese Weise werden rechteckige Öffnungen
in dem Kern zwischen dem zentralen Schenkelteil und den Seitenschenkelteilen
definiert. Um den zentralen Schenkelteil ist eine Wicklungsstruktur vorgesehen
und besteht aus einer inneren Wicklung und einer äußeren Wicklung.
Die innere Wicklung ist zu der Außenwicklung konzentrisch. Jede
Wicklung umfasst eine Spule aus flachem elektrisch leitendem Material
und sie sind durch einen Zylinder aus Isoliermaterial voneinander
getrennt.
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AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine flache
Magnetkomponente mit reduzierten Wicklungsverlusten in der Wicklungsstruktur,
mit einem hohen Leckfluss zu schaffen.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige
Magnetkomponente zu schaffen, die gedrängt ist.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige
Magnetkomponente zu schaffen, bei der die Wicklungsschichten bequem miteinander
verbunden sind.
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Noch
eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige
flache Magnetkomponente zu schaffen, die auf bequeme Art und Weise mit
einer externen Schaltungsanordnung verbunden werden kann.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine flache Magnetkomponente nach
Anspruch 1 geschaffen.
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Dort,
wo in dieser Beschreibung der Ausdruck "Wickelfenster" verwendet wird, wird damit die Öffnung in
dem Kern gemeint, in der die Wicklungsstruktur untergebracht ist,
dies gesehen im Schnitt des Kerns, quer zu der Ebene der Wicklungsstruktur.
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In
einer derartigen Wicklungsstruktur, wobei der Kern einen oder mehrere
Spalte hat, die im Allgemeinen zu der Ebene der Wicklung, koplanar
sind, ist beispielsweise der Kern in Kernkomponenten mit einander
zugewandten, voneinander getrennten ebenen Flächen aufgeteilt, wobei die
Ebene der Windungen mit der Strecke des Leckflusses über das
Wicklungsfenster im Wesentlichen zusammenfällt. Eddystromverluste werden
dadurch minimiert, was zu wesentlich geringeren Wicklungsverlusten
führt.
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Weiterhin
ist es mit einer derartigen Querorientierung der Wicklungen möglich, die
Wicklungsstruktur dadurch zu bilden, dass ein flacher Leiter zu einer
Spule gewickelt wird, wodurch es möglich wird, dass eine sehr
gedrängte
Struktur mit einer hohen Dichte und einer mechanischen Starrheit
geschaffen wird.
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Eine
derartige Struktur hat viele Vorteile gegenüber bekannten gestapelten Strukturen.
So ermöglicht
beispielsweise die hohe Dichte einer derartigen Struktur einen hohen
Füllfaktor
des Leiters, was auch zu geringeren Wicklungskosten beiträgt. Die hohe
Dichte reduziert auch den thermischen Widerstand der Wicklung. Außerdem können derartige Strukturen
unmittelbar mit der Printplatte vernietet oder damit verlötet werden,
wodurch der thermische Widerstand zwischen der Struktur und der
Printplatte reduziert wird.
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Außerdem kann
eine derartige Struktur unter Anwendung herkömmlicher Drahttwickeltechniken hergestellt
werden, ohne dass dazu zwischen Schichten Verbindungen erforderlich
sind. Mit derartigen Vorteilen sind sogar geringere Kerngrößen möglich.
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Auf
entsprechende Weise umfasst eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eine derartige flache Magnetkomponente, wobei die Wicklungsstruktur
einen derartigen gewickelten flachen Leiter aufweist.
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Nach
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der leitenden Windungen
der Wicklung weniger als der dreifachen und vorzugsweise weniger
als die doppelte heutige Eindringtiefe bei der Arbeitsfrequenz der
Vorrichtung. Für
Kupfer wird die Eindringtiefe bei Raumtemperatur (in cm) gegeben
durch: Δ =
6,57√1/f wobei f die Arbeitsfrequenz
in Hz ist. Typische Arbeitsfrequenzen von 50 kHz, 250 kHz und 1
MHz entsprechen Eindringtiefen von etwa 0,29 mm, 0,13 mm bzw. 0,065
mm.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNG
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden
Fall näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
schaubildliche Darstellung einer Ausführungsform einer flachen Magnetkomponente nach
der vorliegenden Erfindung, mit einem niedrigeren Kernteil, einer
Wicklungsstruktur und einem oberen Kernteil,
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2a eine
schematische Darstellung eines Kerns und einer bekannten Wickelanordnung,
wobei die Ebene der Windungen parallel zu der Ebene der Wicklungsstruktur
gerichtet ist,
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2b eine
schematische Darstellung eines Kerns und einer Wicklungsanordnung
nach der vorliegenden Erfindung, wobei die Ebene der Windungen quer
zu der Ebene der Wicklungsstruktur gerichtet ist,
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3 eine
graphische Darstellung von Dissipationsverlusten in Watt gegenüber der
Arbeitsfrequenz in Hz von Magnetkomponenten mit dem Kern und den
Wicklungsanordnungen nach den 2a und 2b,
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4 eine
schaubildliche Darstellung eines Teils einer anderen Ausführungsform
einer flachen Magnetkomponente nach der vorliegenden Erfindung,
wobei eine ovalförmige
Wicklung eines flachen Leiters in dem unteren "E"-Teil
des magnetischen Kerns vorgesehen ist,
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5a und 5b schaubildliche
Darstellungen zweier verschiedener Möglichkeiten externe Verbindungen
mit der Ausführungsform
der Wicklungsstruktur nach der vorliegenden Erfindung nach 4 zu
machen,
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6 eine
schematische Darstellung eines möglichen
Verfahrens zum Bilden der Wicklungsstrukturen nach der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nun weiter erläutert durch eine detaillierte
Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, dies
im Zusammenhang mit der Zeichnung, worin für entsprechende Elemente in
den jeweiligen Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet worden
sind.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
einer Komponente 10 mit einem niedrigen Profil nach der vorliegenden
Erfindung mit einem unteren Kernteil 12 eines zusammengesetzten
Ferritkerns, mit einem oberen Kernteil 18 und mit einer
Wicklungsstruktur 19 dargestellt, die alle in der allgemeinen
Form von flachen zylinderförmigen
Teilen sind. Der untere Kernteil 12 hat einen flachen Basisteil 13,
einen äußeren Stehrand 14 und
eine zentrale Mesa 15, beide an der oberen Fläche des
Basisteil 13 liegend, die zusammen eine ringförmige Senke
definieren zum Empfangen der Wicklungsstruktur 19. Schlitze 16 und 17 in
dem Basisteil 13 bieten dem Durchgang von Drähten von
der Wicklungsstruktur Platz.
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Die
Wicklungsstruktur 19 hat eine Außenwicklung 20 und
eine konzentrische Innenwicklung 21, bestehend aus einer
Spule aus einem flachen elektrisch leitenden Material, typischerweise
aus Kupfer, auf einer Polyimidstützschicht.
Da die Schichten der Außenwicklung 20 und
der Innenwicklung 21 koextensiv sind, d.h. die Außenwicklung 20 ist
nicht mit einem Muster versehen, die Wicklung kann zu einem flachen
Körper
mit einigen Lücken
fest gewickelt sein. Die Dichte und die Starrheit des Körpers kann
weiterhin dadurch verbessert werden, dass dieser mit einer Vergussmasse,
wie flüssigem Epoxy,
bedeckt wird.
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Die
Wicklung kann auf bequeme Art und Weise dadurch geschaffen werden,
dass mit einer Platte einer kommerziell verfügbaren Metall/isolierender
Polymerfolie, wie Kupfer/Kapton gestartet wird, bestehend aus einer
1 mil dicken Polyimidschicht mit einer Kupferfolie, etwa 1–1.3·10–4m(4
bis 5 mil) dick. Wenn die gewünschte
Kupferstärke
nicht leicht erhältlich
ist, kann zusätzliches
Kupfer angebracht werden, beispielsweise durch Elektroplattierung,
zum Aufbauen der Schicht mit der gewünschten Dicke. Die Gedrängtheit
und die Starrheit der Endstruktur ermöglicht eine derartige Stärke, die
an sich wieder die Bildung leitender Spuren mit einem ausreichenden
Querschnitt ermöglicht,
dass diese Spuren den für
Hochleistungsapplikationen erforderlichen Strom führen können.
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Als
Alternative zu der zusammengesetzten Folie können einzelne Metall- und Polymerschichten oder
andere isolierende Schichten zusammengewickelt werden.
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In
einer Umgebung der Massenfertigung kann es sich als bequem erweisen,
die Wicklungsstrukturen dadurch zu bilden, dass sie von einer Rolle geschnitten
werden, die durch Zusammenwickeln von Folienplatten um eine Halterung
oder um einen Dorn geformt worden ist. Kontaktierende Strukturen können während des
Zusammenrollprozesses an geeigneten Stellen in die Rolle eingefügt werden.
In nachfolgenden Schritten werden die Scheiben behandelt um zu vermeiden,
dass die freigelegten Seiten der Metallschicht den Kern berühren, entweder dadurch,
dass sie mit einer nicht leitenden Schicht bedeckt werden, oder
dadurch, dass sie zurückgeätzt und
die dadurch entstehenden Räume
zwischen der Polymerfolie mit einem nicht leitenden Material gefüllt werden.
Auf alternative Weise kann dort, wo eine zusammengesetzte Folienplatte 70 verwendet wird,
die leitende Schicht als in einem Abstand liegende parallele Leiterspuren 74 vorgesehen
werden, eine für
jede Wicklungsstruktur, so dass beim Schneiden jede Wicklungsstruktur
von der Rolle 76 halbwegs zwischen den Spuren 74 (siehe 6)
die Ränder
der Spuren bereits von den Kanten der Polymerfolie freigelegt sind,
und keine weiteren Schritte notwendig sind um diese Ränder gegenüber dem Kern
zu isolieren.
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Zurückkehrend
zu der Wicklungsstruktur 19 aus 1 wurde
die innere Wicklung 21 dadurch gebildet, dass ein flacher
Leiter auf einem zylinderförmigen
Dorn gewickelt wurde zum Bilden einer zentralen Öffnung in der Wicklungsstruktur
mit einem ausreichenden Durchmesser um die zentrale Mesa 15 des unteren
Kernteils darin unterzubringen.
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Die
Leitungen 22 und 23, die mit der äußeren Wicklung 20 an
den Stellen 24 und 25 elektrisch verbunden sind,
und die Leitungen 26 und 27, die an den Stellen 28 und 29 mit
der inneren Wicklung 21 elektrisch verbunden sind, gehen
durch die Schlitze 16 und 17 in dem unteren Kernteil 12.
Nach dem Zusammenbauen ruht der obere Kernteil 18, der
obere und untere ebene Flächen
hat, auf dem Rand 14 und der Mesa 15 des unteren
Kernteils 12 und ist damit verbunden.
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Räume zwischen
dem Kern und dem Wicklungskörper
können
mit einer dielektrischen Vergussmasse, wie Epoxy, gefüllt werden,
wobei dieses Material die Räume
fixiert, wodurch Kriecheffekte vermieden werden und gegen elektrische
Entladungen zwischen der Spule und dem Kern gesichert wird.
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Um
den Einfluss von Windungsorientierung auf Wicklungsverluste zu demonstrieren
wurde Schlusselementmodellierung angewandt zum Berechnen der Wicklungsverluste
für einfache
flache Induktorstrukturen als eine Funktion der Orientierung der
Windungen gegenüber
der horizontalen Ebene des Kerns, die normalerweise der längsten Abmessung
des Kerns entspricht. Der Kern besteht aus einem unteren, einem
mittleren und einem oberen Teil 30, 32 bzw. 34,
die durch Luftspalte 36 bis 39 voneinander getrennt
werden, die alle die gleiche Breite "g" haben.
Der Wicklungsleiter ist Kupfer.
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Die
zwei Fälle
sind in den 2a und 2b schematisch
dargestellt, wobei die beiden Fälle
einen Wicklungssatz haben, der aus achtundvierzig Windungen besteht.
Die Windungen in der Lage des mittleren Kerns, dargestellt in 2a (nicht nach
der vorliegenden Erfindung) sind je horizontal orientiert, d.h.
parallel zu der Ebene der Wicklungsstruktur und zu der längsten Abmessung "1" des Wicklungsfensters, definiert durch
die inneren Seiten 33 und 35 des mittleren Kernteils 32.
Die Windungen werden in vier Stapel s1 bis s4 zu je zwölf Windungen t1
bis t12 aufgeteilt.
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Der
zweite Fall, entsprechend der vorliegenden Erfindung, (siehe 2–6)
hat 48 Windungen T1 bis T48 eines leitenden Streifens, vertikal
orientiert, d.h. senkrecht zu der Ebene der Wicklungsstruktur und
zu der längsten
Abmessung "1" des Wicklungsfensters.
Der gesamte Durchmesser des Kupfers, der gesamte Erregungsstrom
und die Induktivität
sind in beiden Fällen
aber gleich.
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3 zeigt
die Dissipationsverluste in Watt (berechnet in der Mitte des Wicklungsfensters)
aufgetragen gegenüber
der Arbeitsfrequenz (Hz) für
die zwei beschriebenen Fälle.
Wie ersichtlich, beginnen von einer Operationsfrequenz von etwa
5000 Hz an die Dissipationsverluste für die zwei Fälle zu divergieren,
wobei die Verluste für
die horizontale Wicklungsstruktur, wie in 2–6 dargestellt,
niedriger sind als für
die horizontale Struktur, wie diese in 2a dargestellt
ist. Die Differenz erreicht ein Maximum in dem Gebiet von etwa 50000
Hz, in dem AC-Verluste wesentlich werden für diese Typen von Anordnungen
mit einem hohen Leckgrad, bis etwa 100000 Hz, worüber die
Kurven einigermaßen
zu konvergieren anfangen, obschon die Differenz in den Verlusten
nach wie vor signifikant ist. Bei etwa 50000 Hz sind die Dissipationsverluste
für den "vertikalen" Fall um nahezu einen
Faktor drei niedriger. Bei höheren
Frequenzen ist die Differenz in den Verlusten zwischen den zwei
Fällen
noch größer.
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In 4 ist
ein Teil einer anderen Ausführungsform
einer Induktorkomponente 40 mit einem geringen Profil nach
der vorliegenden Erfindung dargestellt, und zwar mit dem niedrigeren "E"-Kern 42 aus einem zusammengesetzten
Ferritkern, so genannt für
die E-Form, herrührend
aus den aufrecht stehenden Teilen 44, 45 und 46 auf
dem Basisteil 43. Ein oberer "I"-Kern,
nicht dargestellt, mit einer flachen Konfiguration, ist an der Spitze
des E-Kerns in dem kompletten Gebilde befestigt.
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Vorgesehen
in den Räumen
zwischen den aufrecht stehenden Teilen 44, 45 und 46 des
Kerns ist ein ovalförmiger
Wickelkörper 48,
bestehend aus einer Wicklung, hergestellt aus einem Streifen aus
einem flachen elektrisch leitenden Materials 49, typischerweise
auf einem Polyimidsubstrat 50.
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Ein
hinzukommender Vorteil der Wicklungsstruktur nach der vorliegenden
Erfindung ist, dass externe Verbindungen ziemlich leicht erzielbar
sind. 5a und 5b zeigen
zwei Möglichkeiten,
wie derartige Verbindungen für
die Struktur nach 4 verwirklicht werden können. In 5a werden
für jedes
Paar Wicklungen (mit inneren Wicklungen 54 und äußeren Wicklungen 53)
rohrförmige
Kontakte (beispielsweise Hohldrähte) 55 bis 58 in
einer einzelnen Wicklungsstruktur 52 verwendet. Eine derartige Struktur
kann beispielsweise durch die oben beschriebene Rolltechnik hergestellt
werden, wobei eine Unterbrechung in der leitenden Schicht das Ende
der inneren Wicklung 54 und den Anfang der äußeren Wicklung 53 definiert.
Hohldrähte
werden während
des Rollprozesses an den gewünschten Stellen
in die Struktur eingeführt.
Ein nachfolgendes Zerschneiden der Rolle zum Erhalten einzelner
Wicklungsstrukturen zeigt die Hohldrähte, mit denen eine Löt oder Steckverbindung
hergestellt werden kann.
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5b zeigt
eine alternative Möglichkeit
externe Verbindungen herzustellen, d.h. mit den Klemmen 85 bis 88 der
flachen Leiter, die mit Hilfe einer Abwinkelung aus der Wickelebene
aus den Außenwicklung 83 und
der Innenwicklung 84 der Wicklungsstruktur 82 herausgeführt worden
sind.
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Die
oben beschriebenen flachen magnetischen Komponenten nach der vorliegenden
Erfindung ermöglichen
es, dass der Kern und/oder die Wicklungsstruktur an den langen Seiten
eine Printplatte kontaktieren. Das große Kontaktgebiet zwischen der
Komponente und der Printplatte fördert
die Leitung von Wärme
von der Komponente zu der Printplatte.