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 (P _R = 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, S1O ₂ , 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, S1O ₂ , 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 AI ₂ O ₃ .

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 AI ₂ O ₃ , 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 (P _R = 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 (P _R = 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 AI ₂ O ₃ , 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 (P _R = 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.