EP3953954A1 - Induktives Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements - Google Patents

Induktives Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements

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EP3953954A1
EP3953954A1 EP20711123.8A EP20711123A EP3953954A1 EP 3953954 A1 EP3953954 A1 EP 3953954A1 EP 20711123 A EP20711123 A EP 20711123A EP 3953954 A1 EP3953954 A1 EP 3953954A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
filler
inductive component
total mass
component according
copper wire
Prior art date
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Pending
Application number
EP20711123.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Plum
Stefan Henneck
Witold Pieper
Stefan Kaessner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP3953954A1 publication Critical patent/EP3953954A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/02—Casings
    • H01F27/022—Encapsulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F17/06—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with core substantially closed in itself, e.g. toroid
    • H01F17/062—Toroidal core with turns of coil around it
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/255—Magnetic cores made from particles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/04—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core
    • H01F2017/048—Fixed inductances of the signal type  with magnetic core with encapsulating core, e.g. made of resin and magnetic powder

Definitions

  • the present invention relates to an inductive component with high
  • Windings e.g. Copper wire windings
  • the electrical conductors are surrounded with an encapsulation compound that creates a connection between the magnetic core surrounded by the windings and a housing. Power losses that occur in the magnetic core or in the windings are dissipated to the housing during operation of the transformer via the enveloping compound. The power density of a conventional transformer is thus reduced.
  • the inductive component comprises a copper wire winding and a sheathing compound surrounding the copper wire winding. According to the invention, two or more copper wire windings or one
  • Copper wire winding and at least one wider winding of an electrically conductive material can be used.
  • the number of windings depends on the use of the inductive component.
  • Copper wire winding can e.g. in the form of free-form copper wire winding and is essentially not restricted in terms of shape and shape.
  • a particularly suitable form is the toroidal winding.
  • the coating compound comprises a matrix and at least one first filler.
  • first filler alone or a mixture of a first filler with one or more further fillers can be present.
  • the first filler and possibly further fillers are distributed in the matrix, with the resulting composite maintaining a certain mechanical stability and the matrix establishing a connection between the
  • Copper wire winding and e.g. provides a surrounding component.
  • the matrix comprises at least one selected from: high alumina cement,
  • the inductance can be provided by the first filler contained in the matrix, which comprises at least one soft magnetic powder.
  • the first filler can comprise a soft magnetic powder alone or a mixture of two or more soft magnetic powders.
  • the inductive component In addition to very good magnetic properties, the inductive component also has high heat-conducting properties and the loss factor
  • Permittivity is low.
  • the thermal conductivity of the encasing compound used according to the invention is 5 to 8 W / m K, which is due in particular to the use of calcium aluminate cement, phosphate cement, S1O 2 , MgO or reactive alumina.
  • the inductive component can also be designed without a conventional magnetic core, which saves material costs and costs for the production of the component.
  • the subclaims show preferred developments of the invention.
  • the soft magnetic powder is advantageously selected from carbonyl iron powder and ferrite powder. This means that carbonyl iron powder and ferrite powder can each be used alone or in the form of a mixture.
  • the coating compound comprises at least one polymer.
  • one or more polymers e.g. the thermal behavior of the encapsulation compound, e.g. a shrinkage or the thermal conductivity and the like, can be advantageously influenced.
  • the use of polymers can also improve the adhesion of the encapsulation compound to surrounding components, such as a housing, for example.
  • Particularly suitable polymers are thermoplastic polymers.
  • Preferred polymers are copolymers of acrylic acid esters, ethylene and vinyl esters, copolymers of acrylic acid esters, methacrylic acid esters and styrene, copolymers of ethylene and vinyl acetate and methyl silicone resins.
  • the coating compound advantageously contains at least one second filler.
  • This second filler can add further functionalities to the coating compound.
  • a second filler can be used alone or a mixture of two or more second fillers. Because of the very good heat-conducting properties, the second filler preferably contains Al 2 O 3 .
  • Total mass of the matrix based on the total mass of the enveloping compound, 5 to 25% by mass.
  • Alumina cement, phosphate cement, S1O2, MgO or reactive alumina form a very fine microstructural structure with particle sizes of a maximum of 200 ⁇ m, which leads to the high and very good stability of the matrix
  • the Total mass of the first and second filler based on the total mass of the enveloping compound, in particular 75 to 95% by mass.
  • the total mass of the first filler is advantageously 75 to 95% by mass. This means that, in addition to the first filler, only a small proportion of the second filler is contained in the matrix and thus also in the enveloping compound. The proportion of soft magnetic powder is therefore very high. This achieves very good magnetic permeabilities.
  • the copper wire winding thus surrounds the magnetic core at least partially or at least in sections.
  • the magnetic core can e.g. be a ferrite core or a magnetic powder core with a polymer matrix or a sintered magnetic powder core and is designed in particular as a ferrite core.
  • the total mass of soft magnetic powder based on the total mass of first and second filler, is 1 to 50% by mass.
  • a high magnetic permeability can nevertheless be provided in the inductive component. Stray inductances can be increased while the dielectric constant remains the same and resonance inductances can be integrated.
  • the inductive component and in particular the encapsulation compound is
  • the total mass of Portland cement is therefore essentially 0% by mass, based on the total mass of the encasing compound and thus also of the inductive component.
  • Portland cement has opposite the
  • the matrix according to the invention has the disadvantage that it contains a lot of impurities which, although they can be tolerated for load-bearing components, for electronic applications, and in particular for inductive components, entail significant losses in properties.
  • Portland cement is significantly less thermally conductive than alumina cement, phosphate cement, S1O2, MgO or reactive alumina, which is probably due to the chemical structure of the individual
  • the first filler and the second filler are also advantageously unsintered. This not only has advantages in terms of energy-saving production, but also in terms of high magnetic permeabilities and high heat-conducting properties.
  • the inductive component can, for example, be designed as a coil and for this purpose comprises in particular a copper wire winding. Due to the very good inductive and thermally conductive properties, the inductive component according to the invention is designed in particular as a transformer and for this purpose comprises a copper wire winding and at least one further electrically conductive winding, which can also be designed as a copper wire winding.
  • a method for producing an inductive component comprises a step of blending a matrix material with at least one first filler,
  • a flow agent within the meaning of the invention can, for example, be modified
  • Be polycarboxylate ether and can be used, for example, at 0.1 to 2% by mass, based on the total mass of slip.
  • the matrix material contains at least one selected from:
  • the first filler comprises at least one soft magnetic powder.
  • the mixing can for example by stirring with a
  • the slip obtained is then arranged around a copper wire winding, so that the slip surrounds the copper wire winding as far as possible on all sides, but at least on the outer circumference of the copper wire winding.
  • the slip is then solidified by at least partial setting of the matrix material by the water at a temperature in a range from 50 to 150 ° C. This setting step can for example be carried out in an oven. Sintering at temperatures of more than 200 ° C is not carried out. As a result of the setting, the previously used superplasticizers are largely removed and can then essentially no longer be detected.
  • the result is a coating compound in the sense of the present invention, as has already been described above according to the invention.
  • the degree of setting of the matrix material can be adjusted by the amount of added water. Suitable amounts of water can be found out by simple experiments.
  • the component produced according to the invention is also distinguished by high thermal conductivity, so that the inductive component is highly efficient and has an excellent power density.
  • the method can also include a step of tempering following the setting of the matrix material include.
  • the tempering is preferably carried out at a temperature in a range from 100 to 150.degree.
  • the method can also advantageously include a step of surrounding a magnetic core, which is in particular designed as a ferrite core, with the
  • Copper wire winding is therefore not presented as a free-form copper wire winding, but surrounds a magnetic core.
  • the enveloping compound is thus arranged around the copper wire winding surrounding the magnetic core and, in particular, not inside the copper wire winding.
  • Figure 1 is a sectional view of an inductive component according to a first embodiment
  • Figure 2 is a sectional view of an inductive component according to a second embodiment.
  • Figure 1 shows an inductive component 1 according to a first embodiment in section.
  • the inductive component 1 comprises a housing 2 in which a magnetic core 4 is arranged, which is surrounded on all sides by a copper wire winding 3.
  • the copper wire winding 3 is wound directly around the magnetic core 4.
  • the magnetic core 4 is designed, for example, as a ferrite core or as a magnetic powder core with a polymer matrix or as a sintered one
  • the magnetic powder core the design as a ferrite core is preferred.
  • the magnetic core 4 and the copper wire winding 3 surrounding the magnetic core 4 are arranged in the housing 2. Between the housing 2 and the
  • an encapsulation compound 8 is arranged which provides a connection between the copper wire winding 3 and the housing 2.
  • the coating compound 8 comprises a matrix 5 and a first filler 6 as well as a second filler 7, the first filler 6 being a soft magnetic powder, such as e.g. Carbonyl iron or ferrite powder, and wherein the second filler 7 is Al2O3.
  • the first filler 6 and the second filler 7 are distributed in the matrix 5 and are in non-sintered form.
  • the matrix 5 comprises at least one selected from: alumina cement, phosphate cement, S1O2, MgO and reactive alumina. These compounds or mixtures of these compounds are at least partially set with water at 50 to 150 ° C. and are not sintered.
  • the matrix 5 thus forms a microcrystalline network of particles with a
  • the enveloping compound 8 and thus also the inductive component 1 are free of Portland cement.
  • the total mass of the matrix 5, based on the total mass of the enveloping compound 8, is 5 to 25% by weight.
  • the total mass of the first and second filler 6, 7 is, based on the total mass of the wrapping compound 8, 75 to 95% by mass, the proportion of the first filler 6, i.e. soft magnetic powder, advantageously 1 to 50% by mass, based on the total mass on the first filler 6 and the second filler 7 is. Due to the high proportion of second filler 7, this results in a particularly high proportion with good magnetic properties
  • the inductive component 1 is characterized by a high power density and high efficiency due to the use of the encapsulating compound 8. This means that the inductive component 1 is at high magnetic
  • the encapsulating compound 8 has a high thermal conductivity, which further increases the power density of the inductive component 1.
  • Figure 2 shows an inductive component 10 according to a second
  • the inductive component 10 differs from the inductive component 1 from Figure 1 in that there is no
  • the copper wire winding 3 is thus in the form of a free-form copper wire winding that was produced in advance on a carrier, for example.
  • the total mass of matrix 5 based on the total mass of the encasing compound 8 is 5 to 25 mass% here as well.
  • the total mass of the first filler 6 and the second filler 7, based on the total mass of the enveloping compound 8, is 75 to 95% by mass, the proportion of the first filler 6, i.e. of soft magnetic powder, being higher than in the matrix of the inductive component 1 from Figure 1 and in particular 75 to 95% by mass, based on the total mass of first filler 6 and second filler 7.
  • the proportion of second filler 7, that is to say in particular of Al 2 O 3 is therefore lower.
  • the higher proportion of soft magnetic powder is advantageous in light of the magnetic properties of the inductive component 10.
  • the inductive component 10 is also distinguished by a high power density and high efficiency due to the use of the encapsulating compound 8.
  • a high magnetic permeability (P R 2 to 4 or 10 to 500) and also a high leakage inductance and resonance inductance are obtained.
  • the encapsulating compound 8 has good thermal conductivity, which further increases the power density of the inductive component 10.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Soft Magnetic Materials (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Bauelement (1, 10), das eine Kupferdrahtwicklung (3) und eine die Kupferdrahtwicklung (3) umgebende Umhüllmasse(8) umfasst, wobei die Umhüllmasse (8) eine Matrix (5) und mindestens einen ersten Füllstoff (6) umfasst, wobei die Matrix (5) mindestens eines, ausgewählt aus: Tonerdezement, Phosphatzement, SiO 2, MgO und reaktiver Tonerde umfasst und wobei der erste Füllstoff (6) mindestens ein weichmagnetisches Pulver umfasst.

Description

Beschreibung
Titel
Induktives Bauelement und Verfahren zur Herstellung eines induktiven
Bauelements
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit hoher
Leistungsdichte sowie ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven
Bauelements mit guter Induktivität bei sehr guter Wärmeleitfähigkeit.
Bei der Herstellung herkömmlicher Transformatoren wird ein Magnetkern in bekannter Weise mit zwei elektrischen Leitern mit ungleicher Anzahl an
Wicklungen, wie z.B. Kupferdrahtwicklungen, umgeben. Im Anschluss daran werden die elektrischen Leiter mit einer Umhüllmasse umgeben, die eine Verbindung zwischen dem mit den Wicklungen umgebenen Magnetkern und einem Gehäuse herstellt. Über die Umhüllmasse werden während des Betriebs des Transformators im Magnetkern bzw. in den Wicklungen entstehende Verlustleistungen an das Gehäuse abgeführt. Die Leistungsdichte eines herkömmlichen Transformators ist damit reduziert.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße induktive Bauelement gemäß Anspruch 1 zeichnet sich hingegen durch eine hohe Leistungsdichte aus. Dies wird dadurch erreicht, dass aufgrund des strukturellen Aufbaus des induktiven Bauelements hohe magnetische Permeabilitäten (PR = 2 bis 4 oder 10 bis 500) erzielt und in Folge dessen auch Streuinduktivitäten erhöht werden können, wodurch zudem auch eine Integration einer Resonanzinduktivität möglich ist, ohne die Effizienz des induktiven Bauelements und damit die Leistungsdichte wesentlich zu beeinträchtigen. Zudem kann bei hoher Wärmeleitfähigkeit und sehr guter Leistungsdichte der Bauraum des induktiven Bauelements reduziert werden. Erfindungsgemäß umfasst das induktive Bauelement eine Kupferdrahtwicklung und eine die Kupferdrahtwicklung umgebende Umhüllmasse. Erfindungsgemäß können auch zwei oder mehrere Kupferdrahtwicklungen oder aber eine
Kupferdrahtwicklung und mindestens eine weitre Wicklung eines elektrisch leitfähigen Materials verwendet werden. Die Anzahl an Wicklungen richtet sich dabei nach der Verwendung des induktiven Bauelements. Die
Kupferdrahtwicklung kann dabei z.B. als Freiform-Kupferdrahtwicklung vorliegen und ist in Form und Gestalt im Wesentlichen nicht beschränkt. Eine besonders geeignete Form ist die Wicklung in Toroidform.
Die Umhüllmasse umfasst eine Matrix und mindestens einen ersten Füllstoff.
Dies bedeutet, dass sowohl ein erster Füllstoff allein oder aber eine Mischung eines ersten Füllstoffs mit einem oder mehreren weiteren Füllstoffen vorliegen kann. Der erste Füllstoff und ggf. weitere Füllstoffe sind dabei in der Matrix verteilt, wobei durch das entstehende Komposit eine gewisse mechanische Stabilität erhalten wird und die Matrix eine Verbindung zwischen der
Kupferdrahtwicklung und z.B. einem umgebenden Bauteil bereitstellt. Die Matrix umfasst dabei mindestens eines, ausgewählt aus: Tonerdezement,
Phosphatzement, S1O2, MgO und reaktiver Tonerde. Hierbei handelt es sich um mit Wasser abgebundene chemische Verbindungen oder Mischungen dieser Verbindungen und nicht um eine gesinterte keramische Masse. Es wird angenommen, dass hierdurch bei hoher magnetischer Permeabilität ein Anheben der Dielektrizitätskonstante verhindert werden kann. Die Induktivität kann dabei durch den in der Matrix enthaltenen ersten Füllstoff bereitgestellt werden, der mindestens ein weichmagnetisches Pulver umfasst. Der erste Füllstoff kann dabei ein weichmagnetisches Pulver allein oder eine Mischung von zwei oder mehreren weichmagnetischen Pulvern umfassen.
Das induktive Bauelement weist neben sehr guten magnetischen Eigenschaften auch hohe wärmeleitende Eigenschaften auf und der Verlustfaktor an
Permittivität ist gering. Beispielsweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit der erfindungsgemäß verwendeten Umhüllmasse 5 bis 8 W/m K, was insbesondere auf die Verwendung von Tonerdezement, Phosphatzement, S1O2, MgO bzw. reaktiver Tonerde zurückzuführen ist. Das induktive Bauelement kann ferner ohne einen herkömmlichen Magnetkern ausgebildet sein, was Materialkosten und Kosten für die Herstellung des Bauteils einspart. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Aufgrund der sehr guten induktiven Eigenschaften ist das weichmagnetische Pulver vorteilhafterweise ausgewählt aus Carbonyleisenpulver und Ferritpulver. Dies bedeutet, dass Carbonyleisenpulver und Ferritpulver jeweils alleine oder aber in Form eines Gemischs verwendet werden können.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Umhüllmasse mindestens ein Polymer. Durch die Verwendung eines oder mehrere Polymere kann z.B. das thermische Verhalten der Umhüllmasse, wie z.B. eine Schwindung oder die Wärmeleitfähigkeit und dergleichen, vorteilhaft beeinflusst werden. Auch kann durch den Einsatz von Polymeren die Haftung der Umhüllmasse an umliegenden Bauteilen, wie beispielsweise einem Gehäuse, verbessert werden. Besonders geeignete Polymere sind dabei thermoplastische Polymere.
Bevorzugte Polymere sind Copolymere aus Acrylsäureestern, Ethylen und Vinylestern, Copolymere aus Acrylsäureestern, Methacrylsäureestern und Styrol, Copolymere aus Ethylen und Vinylacetat und Methylsilikonharze.
Zur Verbesserung der Eigenschaften der Umhüllmasse enthält die Umhüllmasse vorteilhafterweise mindestens einen zweiten Füllstoff. Dieser zweite Füllstoff kann dabei weitere Funktionalitäten in die Umhüllmasse eintragen. Dabei kann ein zweiter Füllstoff allein oder aber eine Mischung von zwei oder mehreren zweiten Füllstoffen eingesetzt werden. Aufgrund der sehr guten wärmeleitenden Eigenschaften enthält der zweite Füllstoff vorzugsweise AI2O3.
Zur Bereitstellung einer guten mechanischen Stabilität bei gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit und guter magnetischer Permeabilität beträgt die
Gesamtmasse der Matrix, bezogen auf die Gesamtmasse der Umhüllmasse 5 bis 25 Masse%. Hierbei bilden Tonerdezement, Phosphatzement, S1O2, MgO bzw. reaktiver Tonerde ein sehr feines mikrostrukturelles Gefüge mit Partikelgrößen von maximal 200 pm, was zur hohen Stabilität der Matrix und sehr guten
Wärmeleitfähigkeit beiträgt.
Zur Optimierung der Funktionalität der Umhüllmasse, und insbesondere zur Verbesserung der induktiven und wärmeleitenden Eigenschaften, beträgt die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff, bezogen auf die Gesamtmasse der Umhüllmasse insbesondere 75 bis 95 Masse%.
Im Lichte einer Maximierung der induktiven Eigenschaften des induktiven Bauelements, insbesondere bei Verwendung einer Freiform-Kupferdrahtwicklung ohne einen durch die Kupferdrahtwicklung umgebenen Magnetkern, beträgt die Gesamtmasse an erstem Füllstoff, bezogen auf die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff vorteilhafterweise 75 bis 95 Masse%. Dies bedeutet, dass neben dem ersten Füllstoff nur ein geringer Anteil an zweitem Füllstoff in der Matrix und damit auch in der Umhüllmasse enthalten ist. Der Anteil an weichmagnetischem Pulver ist damit sehr hoch. Hierdurch werden sehr gute magnetische Permeabilitäten erzielt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfasst das induktive
Bauelement einen Magnetkern. Die Kupferdrahtwicklung umgibt damit den Magnetkern mindestens teilweise bzw. mindestens abschnittsweise. Der Magnetkern kann z.B. ein Ferritkern oder ein magnetischer Pulverkern mit Polymermatrix oder auch ein gesinterter magnetischer Pulverkern sein und ist insbesondere als Ferritkern ausgebildet.
In der vorstehenden Ausführungsform mit Magnetkern ist es bevorzugt, dass die Gesamtmasse an weichmagnetischem Pulver, bezogen auf die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff 1 bis 50 Masse% beträgt. Somit kann bei reduzierter Gesamtmasse an weichmagnetischem Pulver trotzdem eine hohe magnetische Permeabilität im induktiven Bauelement bereitgestellt werden. Streuinduktivitäten können bei gleichbleibend niedriger Dielektrizitätskonstante erhöht und Resonanzinduktivitäten integriert werden.
In dieser Ausführungsform mit Magnetkern ist es ferner vorteilhaft im Lichte der wärmeleitenden Eigenschaften der Umhüllmasse und damit auch des induktiven Bauelements, wenn die Gesamtmasse an zweitem Füllstoff und insbesondere an AI2O3, bezogen auf die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff 50 bis 99 Masse% beträgt.
Das induktive Bauelement und insbesondere die Umhüllmasse ist
vorteilhafterweise frei von Portlandzement. Dies bedeutet, dass bei der
Herstellung des induktiven Bauelements kein Portlandzement zugesetzt bzw. verwendet wird. Die Gesamtmasse an Portlandzement ist damit im Wesentlichen 0 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse der Umhüllmasse und damit auch des induktiven Bauelements. Portlandzement hat gegenüber der
erfindungsgemäßen Matrix den Nachteil, dass er viele Verunreinigungen enthält, die zwar für tragende Bauteile tolerierbar sind, für elektronische Anwendungen, und insbesondere für induktive Bauteile, aber deutliche Eigenschaftseinbußen mit sich bringen. Zudem ist Portlandzement gegenüber Tonerdezement, Phosphatzement, S1O2, MgO bzw. reaktiver Tonerde deutlich weniger wärmeleitfähig, was vermutlich auf die chemische Struktur der einzelnen
Matrixphasen zurückzuführen ist.
Weiter vorteilhaft sind der erste Füllstoff und der zweite Füllstoff ungesintert. Dies bringt nicht nur Vorteile hinsichtlich einer energiesparenden Herstellung, sondern auch im Hinblick auf hohe magnetische Permeabilitäten und hohe wärmeleitende Eigenschaften.
Das induktive Bauelement kann beispielsweise als Spule ausgebildet sein und umfasst hierzu insbesondere eine Kupferdrahtwicklung. Aufgrund der sehr guten induktiven und wärmeleitenden Eigenschaften ist das erfindungsgemäße induktive Bauelement insbesondere als Transformator ausgebildet und umfasst zu diesem Zweck eine Kupferdrahtwicklung und mindestens eine weitere elektrisch leitfähige Wicklung, die ebenfalls als Kupferdrahtwicklung ausgebildet sein kann.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements beschrieben. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Vermengens eines Matrixmaterials mit mindestens einem ersten Füllstoff,
Wasser und optional mindestens einem Fließmittel unter Herstellung eines Schlickers. Unter einem Schlicker wird dabei eine ungehärtete und
unabgebundene mehr oder weniger fließfähige bzw. zumindest formfähige Masse verstanden.
Ein Fließmittel im Sinne der Erfindung kann beispielsweise modifizierte
Polycarboxylatether sein, und kann z.B. mit 0,1 bis 2 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse an Schlicker, eingesetzt werden. Das Matrixmaterial enthält dabei mindestens eines, ausgewählt aus:
unabgebundenem Tonerdezement, unabgebundenem Phosphatzement, unabgebundenem S1O2, unabgebundenem MgO und unabgebundener reaktiver Tonerde. Ferner umfasst der erste Füllstoff mindestens ein weichmagnetisches Pulver. Das Vermengen kann beispielsweise durch Rühren mit einem
geeigneten Rührwerk erfolgen. Der erhaltene Schlicker wird dann um eine Kupferdrahtwicklung angeordnet, so dass der Schlicker die Kupferdrahtwicklung möglichst allseitig aber zumindest am Außenumfang der Kupferdrahtwicklung umgibt. Der Schlicker wird anschließend durch mindestens teilweises Abbinden des Matrixmaterials durch das Wasser bei einer Temperatur in einem Bereich von 50 bis 150 °C verfestigt. Dieser Schritt des Abbindens kann beispielsweise in einem Ofen ausgeführt werden. Ein Sintern bei Temperaturen von mehr als 200 °C wird nicht ausgeführt. Durch das Abbinden werden die vormals eingesetzten Fließmittel weitestgehend entfernt und lassen sich danach im Wesentlichen nicht mehr nachweisen.
Es entsteht eine Umhüllmasse im Sinne der vorliegenden Erfindung, wie sie bereits vorstehend erfindungsgemäß beschrieben ist. Durch die Menge an zugesetztem Wasser kann der Abbindegrad des Matrixmaterials eingestellt werden. Geeignete Mengen an Wasser können durch einfache Versuche herausgefunden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und kostengünstig umsetzbar und ermöglicht die Herstellung eines induktiven Bauelements mit hoher magnetischer Permeabilität (PR = 2 bis 4 oder 10 bis 500), hoher Streuinduktivität und integrierter Resonanzinduktivität bei wenig oder gar nicht erhöhter
Dielektrizitätskonstante. Zudem zeichnet sich das erfindungsgemäß hergestellte Bauelement auch durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus, so dass das induktive Bauelement hoch effizient ist und eine ausgezeichnete Leistungsdichte aufweist.
Die für das erfindungsgemäße induktive Bauelement dargelegten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements.
Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften kann das Verfahren ferner einen Schritt des Temperns im Anschluss an das Abbinden des Matrixmaterials umfassen. Das Tempern wird hierbei vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von 100 bis 150 °C durchgeführt.
Ebenfalls vorteilhaft kann das Verfahren auch einen Schritt des Umgebens eines Magnetkerns, der insbesondere als Ferritkern ausgebildet ist, mit der
Kupferdrahtwicklung, vorsehen. In dieser Ausführungsform liegt die
Kupferdrahtwicklung folglich nicht als Freiform-Kupferdrahtwicklung vor, sondern umgibt einen Magnetkern. Damit ist die Umhüllmasse um die, den Magnetkern umgebende Kupferdrahtwicklung angeordnet und insbesondere nicht im Innern der Kupferdrahtwicklung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine Schnittansicht eines induktiven Bauelements gemäß einer ersten Ausführungsform und
Figur 2 eine Schnittansicht eines induktiven Bauelements gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind nur die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung dargestellt. Alle übrigen Merkmale sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner beziffern gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile.
Figur 1 zeigt ein induktives Bauelement 1 gemäß einer ersten Ausführungsform im Schnitt. Das induktive Bauelement 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein Magnetkern 4 angeordnet ist, der von einer Kupferdrahtwicklung 3 allseitig umgeben ist. Die Kupferdrahtwicklung 3 ist dabei direkt um den Magnetkern 4 gewickelt.
Der Magnetkern 4 ist beispielsweise als Ferritkern ausgebildet oder als magnetischer Pulverkern mit Polymermatrix oder auch als gesinterter
magnetischer Pulverkern, wobei die Ausbildung als Ferritkern bevorzugt ist. Der Magnetkern 4 und die den Magnetkern 4 umgebende Kupferdrahtwicklung 3 sind in dem Gehäuse 2 angeordnet. Zwischen dem Gehäuse 2 und der
Kupferdrahtwicklung 3 ist eine Umhüllmasse 8 angeordnet, die eine Verbindung zwischen der Kupferdrahtwicklung 3 und dem Gehäuse 2 bereitstellt.
Die Umhüllmasse 8 umfasst eine Matrix 5 und einen ersten Füllstoff 6 sowie einen zweiten Füllstoff 7, wobei der erste Füllstoff 6 ein weichmagnetisches Pulver, wie z.B. Carbonyleisen oder Ferritpulver ist, und wobei der zweite Füllstoff 7 AI2O3 ist. Der erste Füllstoff 6 und der zweite Füllstoff 7 sind in der Matrix 5 verteilt und liegen in nicht gesinterter Form vor.
Die Matrix 5 umfasst mindestens eines, ausgewählt aus: Tonerdezement, Phosphatzement, S1O2, MgO und reaktiver Tonerde. Diese Verbindungen oder Gemische dieser Verbindungen liegen in mit Wasser bei 50 bis 150 °C mindestens teilweise abgebundener Form vor und sind nicht gesintert. Damit bildet die Matrix 5 ein mikrokristallines Netzwerk von Partikeln mit einer
Partikelgröße von maximal 200 pm, in dem die Füllstoffe 6, 7 gleichmäßig verteilt sind. Die Umhüllmasse 8 und damit auch das induktive Bauelement 1 sind frei von Portlandzement.
Die Gesamtmasse der Matrix 5 beträgt, bezogen auf die Gesamtmasse der Umhüllmasse 8 5 bis 25 Masse%.
Die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff 6, 7 beträgt, bezogen auf die Gesamtmasse der Umhüllmasse 8, 75 bis 95 Masse%, wobei der Anteil an erstem Füllstoff 6, also an weichmagnetischem Pulver, vorteilhafterweise 1 bis 50 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse an erstem Füllstoff 6 und zweitem Füllstoff 7 beträgt. Hierdurch wird aufgrund des hohen Anteils an zweitem Füllstoff 7 bei guten magnetischen Eigenschaften eine besonders hohe
Wärmeleitfähigkeit erhalten.
Das induktive Bauelement 1 zeichnet sich aufgrund der Verwendung der Umhüllmasse 8 durch eine hohe Leistungsdichte und hohe Effizienz aus. Dies bedeutet, dass das induktiven Bauelement 1 bei hoher magnetischer
Permeabilität (PR = 2 bis 4 oder 10 bis 500) eine hohe Streuinduktivität und Resonanzinduktivität aufweist, ohne dass die Dielektrizitätskonstante wesentlich erhöht ist. Zudem hat die Umhüllmasse 8 eine hohe Wärmeleitfähigkeit, was die Leistungsdichte des induktiven Bauelements 1 weiter erhöht.
Figur 2 zeigt ein induktives Bauelement 10 gemäß einer zweiten
Ausführungsform im Schnitt. Das induktive Bauelement 10 unterscheidet sich von dem induktiven Bauelement 1 aus Figur 1 dadurch, dass es keinen
Magnetkern aufweist. Die Kupferdrahtwicklung 3 liegt somit in Form einer Freiform-Kupferdrahtwicklung vor, die beispielsweise vorab auf einem Träger erzeugt wurde.
Die Gesamtmasse an Matrix 5 bezogen auf die Gesamtmasse der Umhüllmasse 8 beträgt auch hier 5 bis 25 Masse%.
Die Gesamtmasse an erstem Füllstoff 6 und zweitem Füllstoff 7 beträgt, bezogen auf die Gesamtmasse der Umhüllmasse 8, 75 bis 95 Masse%, wobei der Anteil an erstem Füllstoff 6, also an weichmagnetischem Pulver, höher ist als in der Matrix aus dem induktiven Bauelement 1 aus Figur 1 und insbesondere 75 bis 95 Masse%, bezogen auf die Gesamtmasse an erstem Füllstoff 6 und zweitem Füllstoff 7 beträgt. Der Anteil an zweitem Füllstoff 7, also insbesondere an AI2O3, ist damit geringer. Der höhere Anteil an weichmagnetischem Pulver ist vorteilhaft im Lichte der magnetischen Eigenschaften des induktiven Bauelements 10.
Auch das induktive Bauelement 10 zeichnet sich aufgrund der Verwendung der Umhüllmasse 8 durch eine hohe Leistungsdichte und hohe Effizienz aus. Es wird eine hohe magnetische Permeabilität (PR = 2 bis 4 oder 10 bis 500) und auch eine hohe Streuinduktivität und Resonanzinduktivität erhalten. Zudem hat die Umhüllmasse 8 eine gute Wärmeleitfähigkeit, was die Leistungsdichte des induktiven Bauelements 10 weiter erhöht.

Claims

Ansprüche
1. Induktives Bauelement umfassend eine Kupferdrahtwicklung (3) und eine die
Kupferdrahtwicklung (3) umgebende Umhüllmasse (8), wobei die Umhüllmasse (8) eine Matrix (5) und mindestens einen ersten Füllstoff (6) umfasst,
- wobei die Matrix (5) mindestens eines, ausgewählt aus: Tonerdezement,
Phosphatzement, S1O2, MgO und reaktiver Tonerde umfasst und
- wobei der erste Füllstoff (6) mindestens ein weichmagnetisches Pulver umfasst.
2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 , wobei das weichmagnetische Pulver
ausgewählt ist aus Carbonyleisenpulver und Ferritpulver.
3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Umhüllmasse (8)
mindestens ein Polymer, insbesondere ein thermoplastisches Polymer, umfasst.
4. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner
umfassend mindestens einen zweiten Füllstoff (7), wobei der zweite Füllstoff (7) insbesondere AI2O3 umfasst.
5. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Gesamtmasse der Matrix (5), bezogen auf die Gesamtmasse der Umhüllmasse (8) 5 bis 25 Masse% beträgt.
6. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff (6, 7), bezogen auf die Gesamtmasse der
Umhüllmasse (8) 75 bis 95 Masse% beträgt.
7. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Gesamtmasse an erstem Füllstoff (6), bezogen auf die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff (6, 7) 75 bis 95 Masse% beträgt.
8. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend einen Magnetkern (4), insbesondere einen Ferritkern, wobei die Kupferdrahtwicklung (3) den Magnetkern (4) mindestens teilweise umgibt.
9. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6 und 8, wobei die
Gesamtmasse an erstem Füllstoff (6), bezogen auf die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff (6, 7) 1 bis 50 Masse% beträgt.
10. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, 8 und 9, wobei die
Gesamtmasse an zweitem Füllstoff (7), bezogen auf die Gesamtmasse an erstem und zweitem Füllstoff (6, 7) 50 bis 99 Masse% beträgt.
11. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (1 , 10) frei ist von Portlandzement.
12. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Füllstoff (6) und der zweite Füllstoff (7) ungesintert sind.
13. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als T ransformator.
14. Verfahren zur Herstellung eines induktiven Bauelements (1 , 10), umfassend die Schritte:
Vermengen eines Matrixmaterials mit mindestens einem ersten Füllstoff (6), Wasser und optional mindestens einem Fließmittel unter Herstellung eines Schlickers, wobei das Matrixmaterial mindestens eines, ausgewählt aus:
unabgebundenem Tonerdezement, unabgebundenem Phosphatzement, unabgebundenem S1O2, unabgebundenem MgO und unabgebundener reaktiver Tonerde und der erste Füllstoff (6) mindestens ein weichmagnetisches Pulver umfasst,
Umgeben einer Kupferdrahtwicklung (3) mit dem Schlicker und
mindestens teilweise Abbinden des Matrixmaterials durch das Wasser bei einer
Temperatur in einem Bereich von 50 bis 150 °C.
15. Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend einen Schritt des Temperns im
Anschluss an das Abbinden des Matrixmaterials, wobei das Tempern bei einer Temperatur in einem Bereich von 100 bis 150 °C erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, umfassend einen Schritt des Umgebens eines Magnetkerns (4), insbesondere eines Ferritkerns, mit der Kupferdrahtwicklung (3).
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