Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Induktives Bauelement und ein Verfahren zu seiner Herstel- lung.

Bei der Herstellung von Ringkemen und Dickdrahtwicklungen aufweisenden indukti ven Bauelementen ist die mechanische Belastung der Ringkerne durch den beim Bewi- ckeln auftretenden Wickelzug hoch. Um ein enges Anliegen der Drähte zu erreichen, muss der Draht beim Durchziehen durch den Ringkem straff gezogen werden. Die dabei auftretenden Kräfte werden im Wesentlichen von den Kanten des Ringkems aufge- nommen. Der Ringkern selbst oder ein diesen umhüllendes Gehäuse muss somit eine entsprechende Festigkeit haben, um Beschädigungen des Ringkerns oder sonstige Be- einträchtigungen zu vermeiden. Da bei zahlreichen Einsatzgebieten Ringkerne ein klei- nes Volumen aufweisen und hochpermeabel sein sollen, ist das Kernmaterial im Hin blick auf die Magnetostriktion vor darauf einwirkenden Kräften zu schützen. Demnach sollte das Gehäuse oder eine sonstige Umhüllung selbsttragend sein, und die bei der Bewicklung auftretenden Kräfte aufhehmen ohne sich zu verformen und ohne die Kräf te an den Ringkern weiterzugeben.

Problematisch ist es allerdings, Ringkeme in einem üblichen Gehäuse mit dickeren Drähten zu bewickeln beispielsweise für den Einsatz mit höheren Strömen. Bei üblichen Kunststoffgehäusen für Ringkerne mit Wandstärken von 1-2 mm enden die Möglichkei ten zum Bewickeln mit üblichen Wickeltechniken bei Drahtdurchmessern von 2-3 mm Kupferdraht. Um die Verwendung dickerer Drähte zu gestatten, können beispielsweise deutlich festere Kunststoffgehäuse zum Einsatz kommen oder mehradrige Litzen, wie etwa Hochffequenzlitzen, zum Bewickeln verwendet werden. Stärkere Gehäuse vertra gen höhere Zugkräfte, erhöhen meist aber die Kosten und das Bauvolumen. Mehradrige Litzen verbessern die Zugkraftverteilung, haben aber andere Nachteile wie zum Beispiel ein schlechteres Hochfrequenz verhalten durch erhöhte Kapazitäten zwischen den Win dungen, höhere Drahtkosten und höhere Kosten für die Anschlusstechnik.

Es ist daher wünschenswert, induktive Bauelemente mit empfindlichem Magnetmateri- al, die mit den vorhandenen Kunststoffgehäusen und deren Festigkeit verträglich ist, sowie ein Herstellverfahren für solche Ringkerne bereitzustellen.

Es wird ein induktives Bauelement bereit gestellt, das einen einen Kemquerschnitt auf- weisenden Kern aus weichmagnetischem Material in Ringform und eine den Kern um- gebenden Wicklung, die aus zwei elektrisch leitenden Teilstücken zusammengesetzt ist, aufweist. Die Teilstücke haben jeweils eine U-Grundform mit zwei Schenkeln, von de- nen der erste Schenkel länger ist als der zweite Schenkel und der erste Schenkel gebo- gen ist und zu seinem Ende hin von einer durch die U-Grundform aufgespannten Ebene weg steht. Die Teilstücke sind nebeneinander auf den Kern aufgesteckt, so dass die U- Grundform jedes Teilstücks den Kernquerschnitt an drei Seiten umgibt. Der erste Schenkel eines Teilstücks ist mechanisch und elektrisch mit dem zweiten Schenkel des anderen Teilstücks verbunden.

Zudem wird Verfahren zum Herstellen eines induktives Bauelementes bereit gestellt, bei dem auf einen einen Kemquerschnitt aufweisenden Kem aus weichmagnetischem Material in Ringform zwei elektrisch leitende Teilstücke eine Wicklung bildend neben einander auf den Kem aufgesteckt werden, so dass die U-Grundform jedes Teilstücks den Kernquerschnitt an drei Seiten umgibt Die Teilstücke haben jeweils eine U- Gmndform mit zwei Schenkeln, von denen der erste Schenkel länger ist als der zweite Schenkel und der erste Schenkel gebogen ist und zu seinem Ende hin von einer durch die U-Grundform aufgespannten Ebene weg steht. Der erste Schenkel eines Teilstücks wird mechanisch und elektrisch mit dem zweiten Schenkel des anderen Teilstücks ver bunden. Der Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei ähnliche oder identische Elemente mit den selben Bezugszeichen versehen sind.

Figur 1 zeigt in dreidimensionaler Ansicht ein beispielhaftes Teilstück zur Verwendung bei einer aus zwei oder mehreren solcher Teilstücke zusammengesetzten Wicklung.

Figur 2 zeigt in Draufsicht das in Figur 1 gezeigte Teilstück.

Figur 3 zeigt in Draufsicht das in Figur 1 gezeigte Teilstück, wenn es auf einen Ring- kem aufgesteckt ist.

Figur 4 zeigt in dreidimensionaler Ansicht das in Figur 1 gezeigte Teilstück und ein weiteres Teilstück, wenn sie auf einen Ringkem aufgesteckt und miteinander verbunden sind.

Figur 5 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine beispielhafte Gleichtakt-Entstördrossel mit zwei aus Teilstücken zusammengesetzten Wicklungen auf einem Ringkern.

Figur 6 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine alternative Ausgestaltung des in Figur 3 gezeigten Teilstücks auf einem Ringkern zur Erzielung eines verringerten Windungsab standes.

Figur 7 zeigt in dreidimensionaler Ansicht die beispielhafte Ausgestaltung der Enden von Teilstücken vor dem Verbinden.

Figur 8 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine alternative Ausgestaltung der Enden von Teilstücken vor dem Verbinden.

Figur 9 zeigt in dreidimensionaler Ansicht die in Figur 7 dargestellten Enden von Teil- stücken nach dem Verbinden. Figur 10 zeigt in dreidimensionaler Ansicht eine weitere alternative Ausgestaltung der Enden von Teilstücken vor dem Verbinden.

Figur 11 zeigt in einem Impedanz-Frequenz-Diagramm den Vergleich von Messungen einer aus Starkdraht aufgebauten Gleichtakt-Entstördrossel und einer mit den hierin beschriebenen Teilstücken aufgebauten Gleichtakt-Entstördrossel.

Es ist vorgesehen, eine oder mehrere Wicklungen aus vorgebogenen Leiterstücken zu sammenzusetzen, die auf oder über einen ringförmigen, weichmagnetischen Kern, im Folgenden allgemein kurz als Ringkern oder nur Kern bezeichnet, gesteckt werden und dann mit einer geeigneten Verbindungstechnik miteinander zu einer Wicklung elektrisch und mechanisch verbunden werden. Diese Leiterstücke können zum Beispiel durch im Grunde U-förmige oder Ul-förmige Bügel gebildet werden, wobei die Art der Leiterstücke sowie die Art und Weise der Verwendung im Einzelnen vom räumlichen Aufbau und der Anzahl der Verbindungsstellen abhängt. So ist zum Beispiel die Ver bindungstechnik einfach umsetzbar und kostengünstig, wenn nur eine möglichst kleine Anzahl an Verbindungsstellen vorgesehen wird und die Verbindungsstellen am Außen umfang des Ringkems liegen. Wenn man von der kleinstmöglichen Anzahl an Verbin dungsstellen pro Windung, also genau einer Verbindungsstelle pro Windung, ausgeht, kann dies beispielsweise durch eine U-Bügelform und eine Biegung nach dem Aufste cken erreicht werden. Dieser Biegeschritt erfolgt aber üblicher Weise über die Kante des Ringkerns, womit wiederum eine unzulässige Krafteinwirkung auf den Ringkern verbunden ist. Um dies zu verhindern kommt ein speziell geformter Leiterbügel zum Einsatz, der ein Aufstecken auf den Ringkern und gegebenenfalls durch eine für den Ringkern weitestgehend kräfteffeie Drehung in die Position für eine Windung gebracht wird. Der Ringkem weist beispielsweise amorphes oder nanokristallines Material und beispielsweise die Form eines Bandes auf oder ist vollständig aus diesem hergestellt. Das Band kann dabei beispielsweise eine Permeabilität zwischen einschließlich 200 und einschließlich 150000 aufweisen. Wirtschaftlich bedeutsam ist die Möglichkeit der Verwendung von möglichst wenigen verschieden geformten Drahtbügeln, das heißt, die Anzahl verschiedener Bügelformen kann gering gehalten werden. Darüber hinaus ist aber auch die Verbindungstechnik von Bedeutung. Eine Wicklung ist alleine schon bei einer einzigen nicht ausreichenden Ver bindungsstelle nicht mehr zuverlässig bis hin zu einem Ausfall des gesamten Bauele- ments. Dabei ist jede Verbindungsstelle eine Kombination aus mechanischer Funktion, das heißt, stabiler Positionierung der Leiter, sowie elektrischer Funktion, das heißt, Her stellen und Aufrechterhaltung eines dauerhaft niederohmigen elektrischen Kontaktes. Es wird dabei eine elektrische Verbindungsstelle angestrebt, bei der die mechanischen und elektrischen Funktionen weitgehend unabhängig oder getrennt voneinander eingestellt werden können. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, indem entsprechend ausge bildete Enden benachbarter Bügel ineinander gesteckt werden, so das eine gewisse me chanische Verbindung bereits vorhanden ist, ohne dass eine abschließende elektrische Kontaktierung beispielsweise durch Löten oder Schweißen erfolgt. Zum Beispiel kön nen N in einander steckbare Bügel, von denen jeder jeweils eine Windung bildet, zu sammengesteckt eine durchgehende Wicklung mit N Windungen ergeben.

Figur 1 zeigt in dreidimensionaler Ansicht ein Beispiel eines derartigen einzelnen Bü gels 100 in annähernder U-Form, der zwei Abschlüsse 101 und 102 an den Enden zwei er Schenkel 103 und 104 der U-Form aufweist. Der Einfachheit halber sind keine spezi ellen Ausbildungen eines oder beider Abschlüsse 101 und 102 dargestellt. Die U-Form des Bügels kann dabei eckig oder rund oder irgendeine andere Ausgestaltung haben. Gezeigt ist eine mehr eckige Form mit abgerundeten Ecken. Der Schenkel 104 des u- formigen Bügels ist länger als der andere Schenkel 103 und ist in etwa in der Höhe des Abschlusses 101, also in etwa in einem mittleren Bereich des Schenkels 104, von die sem weg gebogen derart, dass sich zwei bestimmte Winkel a, ß gegenüber einer durch die U-Form aufgespannten Fläche bilden. Beispielsweise können einer oder beide Win kel a, ß genau oder um die 90 Grad (± 45 Grad) sein, wie zum Beispiel zwischen ein schließlich 80 Grad und einschließlich 100 Grad. Figur 2 zeigt den Bügel 100 in der Draufsicht. Wie daraus zu erkennen ist, haben die beiden Schenkel 103 und 104 einen Abstand a voneinander. Der Abstand a und damit die Öffnung der U-Form ist so bemessen, dass der Bügel 100 mit seiner Öffnung über einen Ringkern mit einer Breite b gesteckt werden kann.

In Figur 3 ist der Bügel 100 gezeigt, wenn er über einen Ringkern 300 mit der Breite b gesteckt worden ist. Die Länge der Schenkel 103 und 104 richtet sich, gegebenenfalls zusammen mit anderen Aspekten, nach der Höhe (in Figur 3 nicht gezeigt, aber in Figur 4 als Höhe h dargestellt) des Ringkems 300.

Figur 4 zeigt in einer dreidimensionalen Darstellung den Fall, bei dem der Bügel 100 und ein weiterer identischer Bügel 100' auf den Ringkern 300 aufgesteckt und mitei- nander verbunden sind. Jeweils ein Abschluss 101 der Bügel 100 und 100' ist beim ge zeigten Ausführungsbeispiel in Form eines Rundstabes ausgeführt, während das jeweils andere Ende 102 der Bügel 100 und 100' flächig gepresst und in der so entstandenen Fläche mit einer (Durchgangs-) Öffnung 400 versehen ist, welche hinsichtlich Formge- bung und Maßen zu dem Rundstab des Abschlusses 101 komplementär ist, das heißt damit korrespondiert beziehungsweise ineinander passt. Ein Abschluss 101 des Bügels 100 wird dabei nach dem Aufstecken auf den Ringkem 300 durch Drehung (mit rotato- rischer elastischer oder nichtelastischer Verformung) des endseitigen Abschnitts des Schenkels 104 um den anderen Abschnitt des Schenkels 104 im Bereich seiner mittleren Biegung sowie durch Einstecken des Abschlusses 101 des Bügels 100 in die Öffnung 400 des ebenfalls auf den Ringkern 300 aufgesteckten Bügels 101' mit diesem verbun den.

Das Aufstecken kann so erfolgen, dass zunächst der endseitige Abschnitt des Schenkels 104 in die Innenöffhung des Ringkems 300 in Richtung der Höhe h des Ringkems 300 ganz eingeführt wird, wobei der die Schenkel verbindende Abschnitt des Bügels 100 in radialer Richtung des Ringkerns 300 verläuft. Der Bügel wird dann um die Längsachse dieses Abschnittes gekippt und schräg zur Breite b des Ringkerns 300 ausgerichtet. Durch Hinzufugen weiterer Bügel und Verbinden der Bügel - wie oben im Zusammen hang mit Figur 4 erläutert - ergibt sich eine gleichgeformte Kette einer Vielzahl von miteinander verbundener Bügel, die eine oder mehrere Wicklungen bilden. Figur 5 zeigt als Beispiel eine stromkompensierte Drossel, das heißt eine Gleichtakt-Entstördrossel

500 (oder ein sonstiges induktives Bauelement wie etwa ein Transformator, Drossel etc.), mit zwei in der oben beschriebenen Weise aufgebauten (identischen) Wicklungen

501 und 502 auf einem Ringkem 503. Optional können spezielle Endbügel 504 und 505, die jeweils als erste beziehungsweise letzte Bügel einer Wicklung Verwendung finden und die jeweils einen verlängertem (und eventuell besonders ausgebildeten) Ab schluss 506 aufweisen, wodurch eine einfachere elektrische Kontaktierung ermöglicht wird. Beispielsweise können die verlängerten, rundstab förmigen Abschlüsse 506 leicht in Bohrungen einer Leiterplatte eingesetzt und dort mit Leiterbahnen der Leiterplatte verlötetet, verschweißt oder geklemmt werden. Sämtliche Verbindungen der einzelnen Bügel untereinander sind an der Außenseite des Ringkerns und damit leicht zugänglich bei Herstellung, Überprüfung und Reparatur des Bauelementes. Die Gleichtakt- Entstördrossel 500 kann auch mehr als zwei Wicklungen aufweisen, die dann statt in zwei in vier Sektoren des Ringkerns angeordnet sind. Der Ringkern umschließt einen Innenumfang und die Teilstücke in dem Innenumfang können eine Lorm haben, die Kreissegmenten entspricht, um beispielsweise eine engere Bewicklung zu ermöglichen.

Gemäß einem in Ligur 6 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel kann in Abänderung des in Ligur 3 gezeigten Ausführungsbeispiels die Öffnung der U-Lorm des Bügels, also der lichte Abstand a deren beider Schenkel 103 und 104, auch größer gewählt werden als der spätere Abstand zwischen den Windungen. Dazu kann nach dem Aufstecken des Bügels 100 auf den Ringkem 300 beispielsweise der Endabschnitt des längeren Schen kels 104 rotatorisch von einer Position X in eine Position Y verbogen werden, so dass ein gegenüber dem Abstand a kleinerer Abstand c zwischen den Windungen geschaffen wird, wodurch der Sektor einer Windung (beziehungsweise die Steigung der Wicklung) kleiner wird. Nun ist zwar eine (nichteleastische) Verbiegung des Bügels erforderlich, diese erfolgt jedoch in einer Drehbewegung des Drahtes seitlich des Ringkerns (zum Beispiel in der Innenöff ung des Ringkems), ohne dass wesentliche Kräfte auf den Ringkern einwirken.

Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie bei allen anderen denkbaren Ausführungsformen kann die elektrische Verbindung der Bügelabschlüsse, beispielsweise der in Figur 4 gezeigten Bügelabschlüsse 101 und 101' durch ein geeig- netes Verfahren wie zum Beispiel Widerstandschweißen, Laserschweißen, Löten, Hart löten, Verpressen, Einpressen, elektrisch leitendem Verkleben oder verschiedensten Kombinationen hergestellt oder ein bestehender Kontakt (wie zum Beispiel durch vor heriges Einpressen) verbessert werden. Die Verbindungsstellen zwischen den Bügeln sind durch die exponierte, gut zugängliche Lage am Außenumfang des Kerns leicht her zustellen, aber auch mittels Sichtprüfung und Messung elektrischer Eigenschaften leicht einzeln zu überwachen.

Figur 7 zeigt im Detail die Verbindungstechnik, die beispielsweise bei der in Figur 4 dargestellten Anordnung zum Einsatz kommen kann, vor dem Verbinden, das heißt, vor dem Ineinanderstecken. Der Abschluss 101 des Bügels 100 (nicht vollständig gezeigt in Figur 7) ist wiederum in Form eines Rundstabes ausgeführt, während das jeweils andere Ende 102 des Bügels 100' (nicht vollständig gezeigt in Figur 7) flächig gepresst wurde. In der so entstandenen Fläche ist wiederum die (Durchgangs-) Öffnung 400 eingebracht worden, welche hinsichtlich Formgebung und Maßen zu dem Rundstab des Abschlusses 101 komplementär ist. Der Abschluss 101 des Bügels 100 soll dann senkrecht zur Ab flachung des Abschlusses 101' in dessen Öffnung 400 ein- und durchgeführt (gegebe nenfalls eingepresst) werden. Im zusammengesetzten Zustand (wie in Figur 4 gezeigt) steht ein Endabschnitt des rundstabformigen Abschlusses 101 durch die Öffnung 400 des flachen Abschlusses 102 hindurch diesem über und bildet dabei eine thermische Senke, da dieser Abschnitt nicht stromdurchflossen ist und somit vom Strom selbst nicht erwärmt wird, wodurch es Wärme von benachbarten stromdurchflossenen Ab schnitten ab führen kann. Damit wird die Verbindungsstelle (indirekt) gekühlt und wird immer eine geringere Temperatur aufweisen als andere Abschnitte der jeweiligen Bügel beziehungsweise der Wicklung. Figur 8 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der rundstabförmige Abschluss 101 eine Vertiefung oder Verjüngung 800 aufweist, welche dann in der Öffnung 400 durch Zusammenpressen eine formschlüssige Verbindung ergibt, so dass die Bügel unterei- nander mechanisch fixiert werden können, und somit eventuell für einen nachfolgenden (weiteren) Verbindungsprozess wie etwa Schweißen oder Löten nicht mehr gehalten werden müssen. Figur 9 zeigt die beiden in Figur 8 getrennt dargestellten Abschlüsse 101 und 102 nach dem Zusammenstecken. Durch Ausüben von Druck F auf die Seiten des Abschlusses 102 erfolgt dann das Zusammenpressen und in Folge ein nichteleasti- sches Verbiegen. Eine derartige Vorgehensweise ermöglicht auch eine alternative Ver bindungstechnik durch Löten. Sind alle Bügel in der gezeigten Weise mechanisch, aber durch das Zusammenpressen auch (ausreichend) elektrisch verbunden, kann man ein geeigneter, hoher elektrischer Strom durch die gesamte Wicklung geschickt werden, der die Bügel mittels Joule'scher Wärme aufheizt. Ist die Löttemperatur erreicht, kann durch das Zuführen von Lot an die Kontaktstellen die Lötung erfolgen. Wurde das Lot als Paste auf alle Kontaktstellen aufgebracht, ist auch eine gleichzeitige Lötung aller Kon takte mit einem Stromimpuls bestimmter zeitlicher Dauer möglich.

Ligur 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der anstelle der in Ligur 8 gezeigten Vertie fung oder Verjüngung 800 eine Erhebung oder Verdickung 1000 an den Abschluss 101 angeformt ist. Ein Verpressen erfolgt dabei bereits beim Zusammenstecken der Ab schlüsse 101 und 102. Die danach einsetzbare Verbindungstechnik entspricht dabei weitgehend der oben Beschriebenen.

Es wurden Vergleichsmessungen an unterschiedlichen Typen von Gleichtakt- Entstördrosseln durchgeführt, deren Ergebnissen aus Ligur 11 ersichtlich sind. Zum Einen wurden zwei Typen von Drosseln mit der oben beschriebenen "Bügeltechnolo gie" und zum Anderen damit vergleichbare, herkömmliche zwei Typen von Drosseln in "Starkdrahttechnologie" mit dreifach parallelen Strands vermessen. Demnach hat bei der Bügeltechnologie die zugehörige Impedanzkurve über der Lrequenz eine Eigenreso nanz (Impedanzeinbruch) bei höheren Frequenzen als die bei der der herkömmlichen Starkdrahttechnologie auftretende Impedanzkurve über der Frequenz. Eine Dämpfung eines Gleichtakt-Störsignales ist mit der "Starkdrahttechnologie" bis beispielsweise 8- lOMHz, mit der "Bügeltechnologie" jedoch beispielsweise bis l5-20MHz möglich.

Durch die zunehmend höheren Lastströme in Filteranwendungen besteht ein Zwang zu Wicklungen mit immer dickeren Drähten, damit das induktive Bauelement nicht über hitzt. Oberhalb von 3mm Drahtdurchmesser kann die Handbewicklung der Kerne bei solchen Anwendungen nicht mehr wie üblich mittels einer Häkelnadel realisiert werden, da die Wickelkräfte zu hoch für die bewickelnde Person sind und mit zunehmender Windungszahl das Kupfer noch zusätzlich verhärtet. Weiterhin kann der Kunststofftrog die mechanischen Kräfte nicht mehr aufhehmen und der Kern läuft Gefahr deformiert zu werden. Die bisherige Lösung sah vor die Wicklungen mit mehreren parallelen Dräh ten (engl. Strands) zu versehen. Dabei erhöhen sich jedoch drastisch die Wicklungska pazitäten (Cw) und die Eigenresonanz verschiebt sich zu niedrigeren Frequenzen. Eine Dämpfung oberhalb weniger MHz ist damit nicht mehr möglich. Zudem sind die paral lelen Strands mit hohen Fertigungskosten (hohe Abisolierzeit) und einem etwas größe ren Bauraum verbunden. Das hierin vorgestellte Technologie sieht eine Aufteilung der Wicklung in Teilstücke wie etwa Bügel vor, die auf den Kern gesteckt (oder geschoben werden) und zum Beispiel mittels automatischem Löten miteinander verbunden werden können.

Es können somit mit der oben beschriebenen Technologie Wicklungen aus Massivdraht mit größerem Durchmesser auf einem Ringkern aufgebracht werden, wobei auf die Be sonderheiten von Ringbandkernen wie beispielsweise solchen aus hochpermeablem Material, welche in der Regel entsprechend empfindlich gegen mechanische Einflüsse sind, Rücksicht genommen werden kann. Ferner gestattet die Technologie die Verwen dung von vorhandenen Kernen mit vorhandenen Kunststoffgehäusen für Drahtstärken, die bisher auf Grunde der Belastung beim Bewickeln durch den Druck auf den Ringkern nicht möglich waren. Für den Kern ist diese spezielle Art der„Bewicklung" praktisch stress- und kräfteffei. Der verwendete Drahtdurchmesser kann dabei beliebig groß aus- fallen und wird theoretisch erst durch den Innendurchmesser des Kerns und die Anzahl der verwendeten Bügelsegmente begrenzt.