WO2009124783A1 - Spulenanordnung - Google Patents

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WO2009124783A1
WO2009124783A1 PCT/EP2009/002775 EP2009002775W WO2009124783A1 WO 2009124783 A1 WO2009124783 A1 WO 2009124783A1 EP 2009002775 W EP2009002775 W EP 2009002775W WO 2009124783 A1 WO2009124783 A1 WO 2009124783A1
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WO
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conductor loops
coil arrangement
arrangement according
conductor
dielectric
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/002775
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas SCHÖNECKER
Detlef H. Schenk
Original Assignee
Hydrotech International Ltd.
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
Application filed by Hydrotech International Ltd., Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Hydrotech International Ltd.
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14—Inductive couplings
    • H01F2038/146—Inductive couplings in combination with capacitive coupling

Definitions

  • connection of the coils to an external voltage source happens at both ends of the windings.
  • Possible layouts for planar coils are shown in Figures 9 and 10.
  • the lead out of the inner conductor is complex and prone to failure in a planar design.
  • Connection via a bonding wire (FIG. 9) requires additional technological effort.
  • Bridge pressure ( Figure 10) requires an additional insulating layer.
  • Coils are operated in a known manner with DC and AC.
  • an electrical see alternating field results from the coil inductance L of the known constructions an inductive reactance X L , whose size increases linearly with the frequency.
  • the current is therefore reduced.
  • the generated magnetic induction B decreases.
  • the decrease in magnetic induction with increasing frequency at a given voltage is a general disadvantage of known magnetic coils.
  • the invention has for its object to provide a coil assembly which has a high efficiency and high magnetic induction at the desired frequency use and generates a sufficiently large magnetic field even at high frequencies (> 1 kHZ). Furthermore, it is necessary to specify designs which can be realized in planar technology in a simple manner.
  • the invention relates to an arrangement of magnetic coils of increased effectiveness.
  • at least two mutually associated conductor loops are designed as double conductors, which are galvanically separated from one another, but are capacitively coupled according to their arrangement, ie between the first and second conductor loops of the associated conductor loops, which are arranged alternately to one another or nested generates an electric field.
  • the current is coupled in a conductor loop and coupled out of the other associated conductor loop, wherein the ends of the conductor loops, which have no connections for the coupling or decoupling, are open or formed as a free end. Under “open” is understood that the ends are not connected to electrical components, terminals or electronic lines, but the turns or conductor loops open ends.
  • This arrangement has a natural resonant frequency at which the reactance largely disappears and the total resistance reaches a minimum, which is determined by the ohmic resistance of the conductor loops. At a given voltage, the current reaches a maximum value. Accordingly, the generated magnetic field strength also becomes maximum.
  • the technical implementation can be carried out in an advantageous manner by applying technologies of construction and connection technology, polymer electronics and ceramic multilayer technology.
  • the magnet coil arrangement is designed in planar design on a plane in concentric arrangement of the associated conductor loops or double conductors and / or of a plurality of superimposed planes in each case in superposition of the conductor loops or double conductors.
  • several associated conductor loops can be provided concentrically and alternately to each other in the respective levels.
  • the conductor loops are separated by a dielectric.
  • the respectively assigned conductor loops are embodied in an electrically insulated manner by the substrate material and / or the dielectric both in the single-plane arrangement and in the stack arrangement of the planes, wherein the associated conductor loops, which of course can also have several turns, can be formed as separate magnetic coils being stacked. Due to the concentric and / or superimposed, preferably congruent superimposed arrangement of the associated conductor loops takes place a superposition and thus an amplification of the individual magnetic fields.
  • the conductor loops are arranged around a core of magnetic material, wherein the material ferrite but also polymer-bound magnetic Materials can be.
  • a high permeability should be selected and the dielectric should have a high dielectric constant. This facilitates, among other things, miniaturization.
  • transformer or transformer for use as a current and voltage converter, transformer or transformer two arrangements of at least two associated conductor loops, each with a connection for the power supply or for
  • the associated conductor loops of the two arrangements have different turns corresponding to the desired transmission ratio.
  • FIG. 1 shows a magnetic coil arrangement according to a first embodiment on a plane in a plan view
  • FIG. 2 shows the magnet coil arrangement on a plane corresponding to FIG. 1 in a side view
  • FIG. 3 shows a magnetic coil arrangement according to a second exemplary embodiment on a plane with multiple or multiple printed conductors in a plan view
  • FIG. 4 shows the magnetic coil arrangement according to FIG. 3 a plane with multiple or multiple tracks in a side view
  • FIG. 5 shows a side view of a magnet coil arrangement according to a third exemplary embodiment with several levels, where on one level only the conductor tracks 1 and 2 are located and they are through-contacted from plane to plane.
  • FIG. 6 shows the magnetic coil arrangement according to FIG. 5 with several levels in a perspective and schematic top view
  • FIG. 7 shows a coil arrangement current and voltage transformers, each with two associated conductor loops in a perspective plan view
  • a solenoid assembly in planar design is shown in plan view.
  • the magnetic coil arrangement consists in the embodiment of two associated conductor loops 1 and 2, which are each connected to a terminal pad 3 and 4 for coupling or decoupling an electric current.
  • the conductor loops 1 and 2 form a double conductor or double conductor tracks. They are applied to an insulating substrate 5 by known planar techniques.
  • the conductor loops 1, 2 are completely covered with a capacitive layer or a dielectric 6.
  • the ends of the conductor loops which are not connected to the connection pads 3, 4 are open, ie they end without any further connection possibility.
  • the core may also be made of other suitable materials capable of establishing a magnetic field and operating in each frequency range.
  • FIG. 2 the coil assembly of FIG. 1 is shown in section.
  • FIG. 3 shows in FIG. 1, wherein the magnetic coil arrangement is designed in a concentric configuration, ie the double conductors consisting of the mutually associated conductor loops 1 and 2 are connected in parallel to conductor loops 1 'and 2' and executed radially alternately.
  • the arrangement is exemplary.
  • the defined magnetic power further double conductors with the conductor loops 1, 2, I 1 , 2 ', as described above, placed on one and the same plane, wherein the terminal ends are connected in parallel with the connection pads 3, 4.
  • the capacitive layer ie the dielectric 6, preferably the interconnects 1, 2, I 1 , 2 1 , as can be seen in the section of FIG. 4, completely embedded in the dielectric.
  • FIG. 5 and 6 is an embodiment of this in which the coil assembly of FIG. 1 is used.
  • Several coil arrangements or units 9 according to FIGS. 1 and 2 are stacked or stacked in different planes, on which the double conductors with the conductor loops 1, 2, which are separated by the dielectric and optionally a capacitive layer 8, are located.
  • the various coil units 9 can also be provided at a distance (instead of the layer 8) from one another, but they can also lie directly above one another.
  • connection pads 3, 4 are also in each case parallel to each other, via which the circuit is closed.
  • the number of levels depends on the defined magnetic field strength, which must be generated for each application.
  • FIG. 6 shows a greater distance between the coil arrangements 9, this being provided only for clarity of drawing, the coil units can be stacked one above the other with and without spacings.
  • the magnetic coil arrangement consists, as already stated, of a double conductor with the arranged conductor loop 1 and 2 (FIG. 1, 2) or a plurality of double conductors, the conductor loops each being connected to the same terminal polarity (FIGS. 3, 4).
  • the conductor loops 1, 2 are separated from each other by the capacitive layer or the dielectric. Between the conductor loops 1, 2 with different polarity of the current flows at low frequency to high frequency, depending on the specified application.
  • the number of associated conductor loops 1, 2, which can also be implemented in several turns, depends on the application case and the target value of the magnetic induction.
  • the Arrangement of the conductor tracks according to FIG. 4 takes place parallel to the surface in succession on a plane, specifically in such a way that a conductor loop is electrically separated from one another by an insulating substrate and / or a dielectric layer.
  • the current input coupling and current output coupling are respectively connected to the first and the second of the associated conductor leads 1 and 2, but all the first conductor loops and all the second conductor loops are viewed from the phase terminal in the concentric magnet coil arrangement and in FIG the multilayer magnet coil assembly connected in parallel.
  • a current and voltage converter 10 is shown with the previously described magnetic coil assemblies in the same arrangement as Figs. 1 to 6, but with the proviso that there is no via between the levels.
  • the solenoid assembly 1 of the lower level shows the current input Ul and II, wherein the associated conductor loops 1, 2 are also separated from each other galvanically and capacitively.
  • the output with voltage U 2 and current 12 is connected to the technical connections.
  • the current and voltage conversion is realized in the capacitive range, ie the electrical resistances (reactances) are also very low.
  • the input level can be provided in accordance with the technical and / or electrical specifications with a plurality of double conductors, which in turn are connected in parallel with each other.
  • the transmission ratio is 1: 1 because the first and second level arrangements are identical.
  • the number of associated conductor loops and / or the turns of the associated conductor loops of the magnet coil assemblies 11 and 12 are selected differently.
  • the magnet coil arrangement according to the invention can be used in a wide variety of fields, for example for mini-motors, miniature electromagnets, drive systems and acoustic converters and their use in nanoelectronics and microelectronics. Furthermore, it can be used as a magnetic field source, as a filter and sensors and used in ceramic multilayer technology and polymer electronics.
  • a magnet coil according to the invention is produced in a two-level arrangement.
  • the two levels are separated by a dielectric layer.
  • a planar coil of right-handed Cu shape is deposited on an aluminum support substrate by screen printing and subsequent burn-in.
  • the spiral is provided at one end with a connection pad for further contacting.
  • a dielectric paste is printed on the Cu rectangular spiral and then baked.
  • a second Cu rectangular coil is applied to the dielectric layer by screen printing and firing. This also has a connection pad.
  • This second rectangular spiral coil is congruent with the first rectangular spiral coil, with the exception of the connection pads, which remain exposed for soldering the leads exposed.
  • the coil according to the invention flows at the operating frequency 177 kHz and a drive voltage of 1 V, a current of 0.3 A. This value is greater by a factor of 10 compared to a coil of the same geometry according to the prior art. Thus, according to the invention, at the same time a higher by a factor of 10 magnetic induction can be achieved.

Landscapes

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

Abstract

Es wird eine Spulenanordnung (9) zur Erzeugung magnetischer Wechselfelder mit mindestens zwei einander zugeordneten Leiterschleifen (1, 2), die galvanisch getrennt, aber kapazitiv gekoppelt sind, vorgeschlagen. Die erste Leiterschleife (1) weist einen Anschluss (3) für die Stromzufuhr und die zweite Leiterschleife (2) einen Anschluss (4) für die Stromabfuhr auf. Die jeweils den Anschlüssen entgegengesetzten Enden der zugeordneten Leiterschleifen (1, 2) sind offen. Vorzugsweise ist die Spulenanordnung (9) im Planardesign ausgebildet.

Description

Spulenanordnung
Stromdurchflossene Leiter sind durch ein Magnetfeld begleitet. Bekannt ist die Anordnung als Spule, die durch wiederholte Windung einzelner Leiterschleifen entsteht. Die generierte magnetische Flussdichte B ist vom geometrischen Aufbau der Spule, d.h. deren windungszahldichte n=N/l(N- Windungszahl, 1 - Länge bzw. Höhe der Spule) , den magnetischen Eigenschaften des Füllstoffs (Permeabilität μ0 μr) / und der Stromstärke I gegeben,
B=μoμr- I-n
Bekannt sind konstruktive Ausführungen von Magnetspulen in Drahtwickeltechnik als auch in Planartechnik. Aus der Fachliteratur sind die Dimensionierungsglei- chungen bekannt, beispielsweise ist die Induktivität L für die in Fig. 8 gezeigten Planarspulen proportional dem Quadrat der Windungszahl, L=C n"
wobei c eine Konstante darstellt, die die Geometrie und die magnetischen Eigenschaften des Füllstoffes beschreibt .
Der Anschluss der Spulen an eine externe Spannungs- quelle geschieht an beiden Enden der Windungen. Mög- liehe Auslegungen für Planarspulen sind in den Abbildungen 9 und 10 gezeigt. Die Herausführung des Innenleiters ist bei planarem Design aufwendig und störungsanfällig. Anschluss über einen Bonddraht (Fig. 9) erfordert technologischen Mehraufwand. Brücken- druck (Fig. 10) erfordert eine zusätzliche Isolierschicht .
Spulen werden in bekannter Weise mit Gleich- und Wechselstrom betrieben. Bei Anwendung eines elektri- sehen Wechselfeldes resultiert aus der Spuleninduktivität L der bekannten Konstruktionen ein induktiver Blindwiderstand XL, dessen Größe linear mit der Frequenz ansteigt.
XL=j-U)-L
mit U) - Kreisfrequenz, L - Induktivität der Spule, j - imaginäre Einheit
Bei vorgegebener AnsteuerSpannung wird die Stromstärke daher gemindert. Als Folge nimmt die generierte magnetische Induktion B ab.
Die Abnahme der magnetischen Induktion mit wachsender Frequenz bei gegebener Spannung ist ein genereller Nachteil bekannter Magnetspulen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung anzugeben, die bei der gewünschten Einsatzfrequenz einen großen Wirkungsgrad und eine hohe magnetische Induktion aufweist und auch bei hohen Frequenzen (>1 kHZ) ein genügend großes Magnetfeld erzeugt. Es sind des Weiteren Auslegungen anzugeben, die in einfacher Weise in Planartechnik realisiert werden können.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Magnetspulen erhöhter Effektivität. Nach der Erfindung sind mindestens zwei einander zugeordnete Leiterschleifen als Doppelleiter ausgeführt, die voneinander galva- nisch getrennt sind, jedoch entsprechend ihrer Anordnung kapazitiv gekoppelt sind, d.h. zwischen der ersten und zweiten Leiterschleife der zugeordneten Leiterschleifen, die abwechselnd zueinander bzw. verschachtelt angeordnet sind, wird ein elektrisches Feld generiert. Der Strom wird in eine Leiterschleife ein- und aus der anderen zugeordneten Leiterschleife ausgekoppelt, wobei die Enden der Leiterschleifen, die keine Anschlüsse für die Ein- bzw. Auskopplung aufweisen, offen bzw. als freies Ende ausgebildet sind. Unter "offen" wird dabei verstanden, dass die Enden nicht mit elektrischen Bauelementen, Anschlüssen oder elektronischen Leitungen verbunden sind, sondern die Windungen oder Leiterschleifen offen enden. Diese Anordnung besitzt eine natürliche Reso- nanzfrequenz, bei der der Blindwiderstand weitestgehend verschwindet und der Gesamtwiderstand ein Minimum erreicht, der durch den ohmschen Widerstand der Leiterschleifen bestimmt ist. Bei vorgegebener Spannung erreicht die Stromstärke einen Maximalwert. Dem- entsprechend wird auch die generierte Magnetfeldstärke maximal. Vorzugsweise ist somit ein Arbeitspunkt bei etwa einem Phasenwinkel von etwa φ=O°anzustreben, allerdings ist auch eine Arbeitsfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz, beispielsweise bis zur doppelten Resonanzfrequenz und etwa φ=30° sinnvoll.
Die technische Umsetzung kann in vorteilhafter Weise durch Anwendung von Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik, der Polymerelektronik sowie in keramischer Mehrlagentechnik erfolgen.
Erfindungsgemäß wird die Magnetspulenanordnung im Planardesign auf einer Ebene in konzentrischer Anordnung der zugeordneten Leiterschleifen oder Doppelleiter und/oder aus einer Mehrzahl übereinander liegen- der Ebenen jeweils in Übereinanderanordnung der Leiterschleifen oder Doppelleiter ausgeführt. Dabei können in den jeweiligen Ebenen auch mehrere zugeordnete Leiterschleifen konzentrisch und abwechselnd zueinander vorgesehen sein. Die Leiterschleifen sind durch ein Dielektrikum voneinander getrennt. Die jeweils zugeordneten Leiterschleifen sind durch das Substratmaterial und/oder das Dielektrikum sowohl in der Einebenenanordnung als auch in der Stapelanordnung der Ebenen elektrisch isoliert ausgeführt, wobei die zu- geordneten Leiterschleifen, die selbstverständlich auch mehrere Windungen haben können, als voneinander getrennte Magnetspulen ausgebildet sein können, die gestapelt werden. Durch die konzentrische und/oder übereinander liegende, vorzugsweise kongruent über- einander liegende Anordnung der zugeordneten Leiterschleifen findet eine Überlagerung und somit eine Verstärkung der einzelnen Magnetfelder statt.
Vorzugsweise sind die Leiterschleifen um einen Kern aus magnetischem Material herum angeordnet, wobei das Material Ferrit aber auch polymergebundene Magnet- Werkstoffe sein kann. Dabei soll eine hohe Permeabilität gewählt werden und das Dielektrikum soll eine hohe Dielektrizitätszahl aufweisen. Dadurch wird unter anderem die Miniaturisierung erleichtert .
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind für die Verwendung als Strom- und Spannungswandler, Übertrager oder Transformator zwei Anordnungen aus mindestens zwei zugeordneten Leiterschleifen mit jeweils einem Anschluss für die Stromzufuhr oder für die
Stromabfuhr und zwei offenen Enden einander zugeordnet aber nicht miteinander verbunden, wobei zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Anordnungen eine erste Spannung anlegbar und eine zweite Spannung abnehmbar ist. Dabei weisen die zugeordneten Leiterschleifen der zwei Anordnungen entsprechend dem gewünschten Übertragungsverhältnis unterschiedliche Windungen auf .
Ausführungsbeispiele der vorstehend beschriebenen Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Magnetspulenanordnung nach einem ers- ten Ausführungsbeispiel auf einer Ebene in einer Draufsicht,
Fig. 2 die Magnetspulenanordnung auf einer Ebene entsprechend Fig. 1 in einer Seitenansicht,
Fig. 3 eine Magnetspulenanordnung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel auf einer Ebene mit mehrfachen bzw. vielfachen Leiterbahnen in einer Draufsicht,
Fig. 4 die Magnetspulenanordnung gemäß Fig. 3 auf einer Ebene mit mehrfachen bzw. vielfachen Leiterbahnen in einer Seitenansicht,
Fig. 5 eine Magnetspulenanordnung nach einem drit- ten Ausführungsbeispiel mit mehreren Ebenen, wo ei auf einer Ebene sich nur die Leiterbahnen 1 und 2 befinden und diese von Ebene zu Ebene durchkontaktiert werden, in einer Seitenansicht,
Fig. 6 die Magnetspulenanordnung gemäß Fig. 5 mit mehreren Ebenen in einer perspektivischen und schematischen Draufsicht,
Fig. 7 eine Spulenanordnung Strom- und Spannungswandler mit jeweils zwei zugeordneten Leiterschleifen in einer perspektivischen Draufsicht,
Fig. 8 Planarspulen in Rechteck- (a) und Kreisspiralenform (b) nach dem Stand der Technik,
Fig. 9 Kontaktierung des Innenleiters einer Spule durch Bonden nach dem Stand der Technik, und
Fig. 10 Kontaktierung des Innenleiters einer Spule mit Brückenisolierschicht nach dem Stand der Technik.
In den Fign. 1 und 2 ist eine Magnetspulenanordnung im Planardesign in der Draufsicht dargestellt. Die Magnetspulenanordnung besteht im Ausführungsbeispiel aus zwei zugeordneten Leiterschleifen 1 und 2, die mit je einem Anschlusspad 3 und 4 zur Ein- bzw. Auskopplung eines elektrischen Stroms verbunden sind. Die Leiterschleifen 1 und 2 bilden einen Doppelleiter bzw. Doppelleiterbahnen. Sie sind auf ein isolierendes Substrat 5 durch bekannte Planartechniken appliziert. Die Leiterschleifen 1, 2 sind vollständig mit einer kapazitiven Schicht bzw. einem Dielektrikum 6 bedeckt. Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, sind die Enden der Leiterschleifen die nicht mit den Anschluss- pads 3, 4 verbunden sind, offen, d.h. sie enden ohne jede weitere Verbindungsmöglichkeit.
Mittig befindet sich ein Ferritkern 7. Der Kern kann auch aus anderen geeigneten Materialien bestehen, die in der Lage sind, ein magnetisches Feld und in jedem Frequenzbereich arbeitend, aufzubauen.
In Fig. 2 ist die Spulenanordnung nach Fig. 1 im Schnitt dargestellt.
Fig. 3 zeigt in sich die Fig. 1, wobei die Magnetspu- lenanordnung im konzentrischen Aufbau ausgeführt ist, d.h. die Doppelleiter bestehend aus den einander zugeordneten Leiterschleifen 1 und 2 sind parallel zu Leiterschleifen 1 ' und 2 ' geschaltet und radial abwechselnd ausgeführt. Die Anordnung ist beispielhaft. Je nach definierter Magnetleistung werden weitere Doppelleiter mit den Leiterschleifen 1, 2, I1, 2', wie vor beschrieben, auf ein und dieselbe Ebene gelegt, wobei die Anschlussenden parallel zueinander mit den Anschlusspads 3, 4 verbunden sind. Jeweils zwischen den Leiterbahnen befindet sich die kapazitive Schicht, d.h. das Dielektrikum 6, vorzugsweise sind die Leiterbahnen 1, 2, I1, 21, wie im Schnitt nach Fig. 4 zu erkennen ist, vollständig in das Dielektrikum eingebettet.
In den Fign. 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel dar- gestellt, in dem die Spulenanordnung nach Fig. 1 verwendet wird. Mehrere Spulenanordnungen bzw. -einhei- ten 9 nach Fign. 1 und 2 sind in unterschiedlichen Ebenen übereinander angeordnet bzw. gestapelt, auf denen sich die Doppelleiter mit den Leiterschleifen 1, 2, die durch das Dielektrikum und gegebenenfalls eine kapazitive Schicht 8 getrennt sind, befinden. Die verschiedenen Spuleneinheiten 9 können auch mit Abstand (anstelle der Schicht 8) zueinander vorgese- hen sein, aber auch direkt übereinander liegen. Die
Anschlüsse der zugeordneten Leiterschleifen 1, 2 über die Anschlusspads 3, 4 erfolgen ebenfalls jeweils parallel zueinander, über welchen der Stromkreis geschlossen wird. Die Anzahl der Ebenen richtet sich jeweils nach der definierten Magnetfeldstärke, die für den jeweiligen Anwendungsfall erzeugt werden muss. In Fig. 6 ist ein größerer Abstand zwischen den Spulenanordnungen 9 dargestellt, dies ist nur zur zeichnerischen Klarheit vorgesehen, die Spuleneinhei- ten können mit und ohne Abstände übereinander gestapelt werden.
Die Magnetspulenanordnung besteht, wie schon ausgeführt, aus einer Doppelleiter mit der angeordneten Leiterschleife 1 und 2 (Fig. 1, 2) oder mehreren Doppelleitern, wobei jeweils die Leiterschleifen mit gleicher Anschlusspolarität verbunden sind (Fig. 3, 4) . Die Leiterschleifen 1, 2 sind jeweils durch die kapazitive Schicht bzw. das Dielektrikum voneinander getrennt. Zwischen den Leiterschleifen 1, 2 mit unterschiedlicher Polung fließt der Strom mit Niedrigfrequenz bis zur Hochfrequenz, je nach präzisiertem Anwendungsfall . Die Anzahl der zugeordneten Leiterschleifen 1, 2, die auch in mehreren Windungen ausge- führt sein können, ist abhängig von dem Anwendungs- fall und vom Zielwert der magnetischen Induktion. Die Anordnung der Leiterbahnen gemäß Fig. 4 erfolgt flächenparallel hintereinander auf einer Ebene und zwar so, dass eine Leiterschleife durch ein Isoliersubstrat und/oder eine Dielektrikumsschicht elektrisch voneinander getrennt.
Für die Fign. 1 bis 6 gilt, dass die Stromeingangs - kopplung und Stromausgangskopplung jeweils an der ersten und der zweiten der zugeordneten Leiterschlei - fen 1 und 2 angeschlossen sind, aber alle ersten Leiterschleifen und alle zweiten Leiterschleifen sind vom Phasenanschluss her betrachtet, bei der konzentrischen Magnetspulenanordnung und bei der mehrlagigen Magnetspulenanordnung parallel geschaltet.
In Fig. 7 ist einen Strom- und Spannungswandler 10 mit den bereits vorbeschriebenen Magnetspulenanordnungen dargestellt und zwar in der gleichen Anordnung wie die Fign. 1 bis 6, allerdings mit der Maßgabe, dass zwischen den Ebenen keine Durchkontaktierung erfolgt ist .
Die Magnetspulenanordnung 1 der unteren Ebene zeigt den Stromeingang Ul und II, wobei die zugeordneten Leiterschleifen 1, 2 ebenfalls galvanisch und kapazitiv voneinander getrennt sind.
Über die Magnetspulenanordnung 12 der zweiten, d.h. der Ausgangsebene, die nicht durch eine Durchkontak- tierung direkt mit der der ersten Ebene verbunden ist, sondern nur über die sich aufbauenden elektrischen Felder, liegt der Ausgang mit Spannung U2 und Strom 12 zu den technischen Anschlüssen. Die Strom- und Spannungswandlung wird im kapazitiven Bereich re- alisiert, d.h. die elektrischen Widerstände (Blindwiderstände) sind ebenfalls sehr gering. Es werden kei- ne elektrischen Bauelemente wie Kondensatoren, Widerstände und Drahtspulen im herkömmlichen Sinne benötigt. Die Eingangsebene kann entsprechend den technischen und/oder elektrischen Vorgaben mit einer Viel- zahl von Doppelleitern versehen werden, die wiederum parallel zueinander geschaltet sind. Gleiches gilt für die Magnetspulenanordnung 12 der zweiten Ebene . Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Übertragungsverhältnis 1:1, da die Anordnungen der ersten und zweiten Ebene identisch sind. Je nach gewünschtem Übertragungsverhältnis wird die Anzahl der zugeordneten Leiterschleifen und/oder der Windungen der zugeordneten Leiterschleifen der Magnetspulenanordnungen 11 und 12 unterschiedlich gewählt.
Die Magnetspulenanordnung nach der Erfindung ist in den unterschiedlichsten Gebieten anwendbar, beispielsweise für Minimotoren, Miniaturelektromagnete, Antriebssysteme und Akustikwandler und deren Einsatz in der Nano- und Mikroelektronik. Weiterhin kann sie als Magnetfeldquelle, als Filter und Sensoren verwendet werden und in der keramischen Mehrlagentechnik und Polymerelektronik eingesetzt werden.
Beispiel
Es wird eine Magnetspule nach der Erfindung in Zwei- ebenenanordnung hergestellt. Die beiden Ebenen sind durch eine Dielektrikumsschicht getrennt. Zunächst wird eine Planarspule in Rechtspiralform aus Cu auf einem Aluminiumträgersubstrat mittels Siebdruck und nachträglichem Einbrand aufgebracht. Die Spirale ist an einem Ende mit einem Anschlusspad für die Weiter- kontaktierung versehen. Auf die Cu-Rechteckspirale wird eine Dielektrikumspaste gedruckt und anschließend eingebrannt. Im folgenden Herstellungsschritt wird eine zweite Cu-Rechteckspule mittels Siebdruck und Einbrand auf die Dielektrikumsschicht aufgebracht. Diese besitzt gleichfalls ein Anschlusspad. Diese zweite Rechteckspiralspule ist zur ersten Rechteckspiralspule kongruent, mit Ausnahme der Anschlusspads, die für das Anlöten der Zuleitungen freiliegend zugänglich bleiben.
Die geometrischen Daten sowie die Eigenschaften der Magnetspule sind in Tabelle 1 für eine Spule der Geometrie nach Fig. 8a zusammengestellt. Zum Vergleich sind die Eigenschaften einer Spule mit identischer Geometrie ohne dielektrische Zwischenschicht und kontaktiert an den beiden Enden der Leiterschleife, in konventioneller Betriebsart, mit angegeben.
Geometriedaten
Figure imgf000013_0001
Elektrische Kenndaten der Spule
Figure imgf000013_0002
Tabelle 1
Bei der erfindungsgemäßen Spule fließt bei der Arbeitsfrequenz 177 kHz und einer Ansteuerspannung von 1 V eine Stromstärke von 0,3 A. Dieser Wert ist im Vergleich zu einer Spule gleicher Geometrie nach dem Stand der Technik um den Faktor 10 größer. Damit kann nach der Erfindung gleichzeitig eine um den Faktor 10 höhere magnetische Induktion erzielt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Spulenanordnung zur Erzeugung magnetischer Wechselfelder mit mindestens zwei einander zugeordneten Leiterschleifen, die galvanisch getrennt, aber kapazitiv gekoppelt sind, wobei die erste
Leiterschleife einen Anschluss für die Stromzufuhr und die zweite Leiterschleife einen Anschluss für die Stromabfuhr aufweist und die jeweils den Anschlüssen entgegengesetzten Enden offen sind.
2. Spulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Leiterschleifen um einen Kern aus magnetischem Werkstoff herum angeordnet sind.
3. Spulenanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Leiterschleifen nebeneinander oder übereinander auf einem Substratträger als Leiterbahnen aufgebracht sind.
4. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Paare von zugeordneten ersten und zweiten Leiterschleifen vorgesehen sind, wobei die jeweils ersten Leiterschleifen mit dem Anschluss für die Stromzufuhr und die jeweils zweiten Leiterschleifen mit dem Anschluss für die Stromabfuhr verbunden sind.
5. Spulenanordnung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Leiterschleifen der Paare abwechselnd zueinander liegen.
6. Spulenanordnung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleifen übereinander angeordnet sind und die ersten und zweiten Leiterschleifen der Paare abwechselnd zueinander liegen.
7. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen und/oder auf den Leiterschleifen ein Dielektrikum vorgesehen ist.
8. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
7, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeordneten Leiterschleifen mehrere Windungen aufweisen, die vorzugsweise von einem Dielektrikum bedeckt sind und/oder durch ein Dielektrikum getrennt sind.
9. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis
8, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratträger als keramischer Träger ausgebildet ist.
10. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis
9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter- schleifen aus Kupfer, Silber und/oder Aluminium in reiner Metallform oder als Legierung hergestellt sind.
11. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
10, hergestellt in Mehrlagentechnik.
12. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, hergestellt in Leiterplattentechnologie
13. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis
12, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum als dielektrische keramische Schicht und/oder als dielektrische Schicht aus polymer- gebundenen Kondensatorwerkstoffen ausgebildet ist.
14. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Anordnungen aus zugeordneten Leiterschleifen mit jeweils einem Anschluss für die Stromzufuhr und einen Anschluss für die Stromabfuhr und zwei offenen Enden einander zugeordnet sind und zwischen den jeweiligen Anschlüssen der Anordnungen eine erste Spannung anlegbar und eine zweite Spannung abnehmbar ist.
15. Spulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis
14, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Leiterschleifen, der Kern und das Dielektrikum so entworfen und gewählt sind, dass bei einer vorgegebenen Frequenz der Blindwiderstand weitgehend kompensiert ist.
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