DE10062091C1 - Induktives Bauelement - Google Patents

Abstract

Es wird ein induktives Bauelement beschrieben. Dieses besteht aus einem zweiteiligen komplementären Schalenkern, der eine Wicklungskammer mit wenigstens einer Wicklung umfasst. Die komplementären Teile des Schalenkerns bestehen aus einer Mehrzahl benachbarter, elektrisch unverbundener, teilringförmig um die Achse des Kernquerschnittes verlaufender Drahtabschnitte aus ferromagnetischem Material.

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement nach dem O­ berbegriff des Anspruchs 1.

Induktive Bauelemente, wie Drosseln oder Übertrager werden sowohl in der Energietechnik als auch der Nachrichtentechnik verwendet. Um die Induktivität zu erhöhen und das magnetische Streufeld und damit auch die Baugröße des induktiven Bauele­ mentes zu reduzieren, werden Kerne mit Permeabilitätszahlen << 1 eingesetzt. Für Netzfrequenzen können dies Kerne mit Blechen als M-, EI- oder U-Schnitt sein, sowie Schnittband­ kerne oder Ringkerne. Im Mittel- und Hochfrequenzbereich wer­ den Ringkerne aus Ferrit oder Schalenkerne aus Ferrit verwen­ det. Ringkerne, insbesondere in Form von Ringkerntransforma­ toren haben zwar sehr gute elektrische und magnetische Eigen­ schaften, allerdings liegen die Wicklungen außen und unter­ liegen daher der Gefahr einer mechanischen Beschädigung. Zu­ dem müssen die einzelnen Lagen zur Vermeidung von Spannungs­ überschlägen isoliert werden.

Darüber hinaus können Ringkerndrosseln oder -transformatoren nur mit Spezialmaschinen bewickelt und bandagiert werden. Sie sind daher sehr aufwendig in der Herstellung, insbesondere wegen der häufigen Maschinenumrüstung, und bei kleinen Stück­ zahlen kaum wirtschaftlich herzustellen.

Aus der gattungsbildenden DE 37 33 376 A1 ist ein koaxial feldgekoppelter Übertrager aus komplementären weichmagneti­ schen Rückschlussteilen bekannt, wobei in einer Wicklungskam­ mer des einen Rückschlussteils eine Primärspule auf einem Trägerkörper und in einer Wicklungskammer des anderen Rück­ schlussteils eine Sekundärspule auf einem Trägerkörper ange­ ordnet sind. Dabei werden zuerst die Spulen auf den Träger­ körpern gefertigt, anschließend die Spulenanordnungen mit ei­ nem Band oder Draht aus weichmagnetischem Material in einer Ringkern-Wickelvorrichtung umwickelt und schließlich die Um­ wickelung an beiden Stirnseiten zur Bildung der Rückschlusskörper zirkular durchtrennt.

Aus der DE 37 44 122 C2 ist ferner ein Verfahren zur Herstel­ lung eines trennbaren Transformators mit einem ähnlichen Auf­ bau bekannt.

Außerdem ist aus der EP 0 005 836 B1 ein induktives Bauele­ ment mit zwei elektrischen Wickeln und einem toroidförmig um die elektrischen Wickel gewickelten weichmagnetischen Hand aus einer amorphen Legierung bekannt.

Schließlich zeigt auch die US 2 962 679 ein induktives Bau­ element mit einem koaxialen Kern, der neben anderen Varianten auch aus Stäben oder Drähten bestehen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein induktives Bau­ element für niedrige Frequenzen zu schaffen, welches in den elektrischen und magnetischen Eigenschaften etwa der Ring­ kernbauform entspricht, aber gegen mechanische Beschädigung der Wicklung geschützt ist und sich wesentlich einfacher be­ wickeln läßt.

Diese Aufgabe wird bei einem induktiven Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im kennzeichnenden Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung nutzt zwar die an sich bekannte Bauform der Schalenkerne, es wird aber kein Ferrit in Form eines gesin­ terten Ferritmaterials oder in Kunststoff eingebundenen Ei­ senpulvers eingesetzt. Vielmehr sind komplementäre Teile des Schalenkerns aus einer Mehrzahl benachbarter, elektrisch un­ verbundener Drahtabschnitte gebildet, die aus ferromagneti­ schem Material bestehen.

Dabei beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, die vom Ring­ kern her übliche Anordnung des Kerns und der Wicklung zu ver­ tauschen, also anstelle der Wicklung einen Kern zu bilden und anstelle des Kerns eine Wicklung. Allerdings besteht der mo­ difizierte Kern aus ferromagnetischem Material bei der Erfin­ dung aus Draht bzw. Drahtabschnitten, wodurch ausgezeichnete elektrische Eigenschaften wegen geringer Wirbelstromverluste und Streuverluste erzielt werden. Während die Herstellung des Kerns aus ferromagnetischem Material, die ähnlich dem Bewi­ ckeln von Ringkernen sehr aufwendig ist, in großer Stückzahl und damit wirtschaftlich durch die Industrie vorgenommen wer­ den kann, gestaltet sich die Herstellung der Wicklung bei den erfindungsgemäßen induktiven Bauelementen ebenso einfach wie die Herstellung einer Wicklung bei Schalenkernen. Diese können ohne weiteres in geringer Stückzahl wirtschaftlich herge­ stellt werden.

Durch zweckmäßige Abstufungen der Kernquerschnitte lassen sich Standardgrößen für alle Leistungsbereiche anbieten, so dass vom Endhersteller nur noch das Bewickeln vorgenommen werden muss.

Die erfindungsgemäße Lösung bietet folgende Vorteile.

Durch die Verwendung von Draht als Ausgangsmaterial entstehen im Vergleich zu Blechkernen keine Stanzverluste. Das einge­ setzte Ausgangsmaterial wird daher nahezu vollständig ge­ nutzt. Die Ausgestaltung des Kernquerschnittes führt zu einem extrem geringen Überschuss an nicht magnetisch nutzbarem fer­ romagnetischem Material. Bezogen auf seine maximale Leistung besitzt der Kern daher ein geringes Gewicht.

Beim Wickeln des ursprünglichen Ringkerns wird zunächst ein durchgehender Draht verwendet, um über der gesamten, die spä­ tere Wickelkammer umschließenden Querschnittsfläche des Kerns einen konstanten Querschnitt zu erzielen.

Durch die laterale Trennung entstehen zwei komplementäre Tei­ le, die sich an ihren gegenüberstehenden Flächen axial anei­ nanderfügen lassen und so unabhängig von der Schnittbreite bei Trennen des ursprünglich einteiligen Ringkerns einen mi­ nimalen Luftspalt zulassen.

Durch Zusammenfügen und Fixieren der Teile an den einander zugewandten Flächen in ihrer ursprünglichen Lage stehen sich dieselben durchtrennten Drahtenden anschließend wieder gegen­ über. Auf diese Weise wird eine optimale magnetische Koppe­ lung der Teile des Ringkerns erzielt.

Der Wicklungsträgerkörper mit der Wicklung lässt sich axial in die Wicklungskammer einsetzen oder entfernen.

Durch die innen liegende Wicklung ist diese gegen mechanische Beschädigung sowie gegenüber Spannungsüberschlägen auf umge­ bende Bauteile geschützt. Der Kern ist außerdem extrem streu­ arm, da sein magnetisch wirksamer Querschnitt rings um die Wickelkammer konstant ist.

Durch die Verwendung von Drähten werden Wirbelstromverluste gegenüber einer möglichen Verwendung von segmentierten Blechen weiter reduziert. Der Kern ermöglicht so eine höhere Grenzfrequenz als bei üblichen Blechkernen. Ferner ist eine Kühlung des Kerns möglich.

Vorzugsweise bestehen die Drahtabschnitte aus in Richtung der Drahtachsen kernorientiertem Material. Hierbei kann es sich um Drahtabschnitte handeln, die Teile eines kaltgezogenen Drahtes sind. Da die Feldlinien in Wickelrichtung der Draht­ abschnitte verlaufen, trägt diese Maßnahme zu einer weiteren Verringerung des magnetischen Streufeldes bei.

Die Drahtabschnitte können an ihrer Oberfläche phosphatiert sein. Hierdurch lässt sich eine elektrische Isolierung bei sehr geringer Schichtdicke erreichen und damit eine besonders kompakte Anordnung der Drahtabschnitte im inneren Bereich des Schalenkerns.

Der schwierige Vorgang des Wickelns mittels Spezialmaschinen kann industriell erfolgen. Heim anschließenden transversalen Auseinanderschneiden des Kerns werden zwangsläufig zwei kom­ plementäre Teile gebildet.

Die einander zugewandten Flächen der komplementären Teile des Schalenkerns werden zweckmäßig plangeschliffen und durch eine isolierende Klebschicht elektrisch getrennt. Es wird hier­ durch erreicht, dass bei einem extrem kleinen Luftspalt eine große magnetische Leitfähigkeit vorhanden ist, während Wir­ belstromverluste reduziert werden.

Der Schalenkern weist vorzugsweise abgerundete Übergänge an der Außen- und Innenfläche auf. Im Gegensatz zu üblichen Schalenkernen aus gesintertem Ferrit oder gepressten Eisen­ spänen folgt der Querschnitt des Kerns daher dem Feldlinien­ verlauf, wodurch Streuverluste vermieden, der magnetische Widerstand reduziert und im übrigen das eingesetzte ferromagne­ tische Material besser genutzt wird.

Die Drahtabschnitte können durch eine Vergussmasse fixiert sein. Diese Vergussmasse sorgt dafür, dass die Drähte aus ferromagnetischem Material nach dem Wickeln auf einer Spezi­ almaschine mechanisch fixiert bleiben und ihre gegenseitigen Abstände einhalten. Dadurch wird eine bleibende Einhaltung der Lage der Drahtabschnitte beim Schneiden des ursprünglich einteiligen Kerns in zwei komplementäre Teile und auch beim künftigen Einsatz gewährleistet.

Vorzugsweise ist in der Wickelkammer ein zweiteiliger Wick­ lungsträgerkörper angeordnet, dessen komplementäre Teile je­ weils einen durch Rillen oder Nuten segmentierten Seiten­ flansch und eine mit einer teilumlaufenden Ausnehmung verse­ hene Mantelfläche bilden, wobei die Teilausnehmungen der Man­ telfläche der komplementären Teile des Wicklungsträgerkörpers ineinander steckbar sind und in diesem Zustand eine geschlos­ sene Mantelfläche mit zwei Seitenscheiben bilden. Ferner ist im Bereich der einander zugewandten Fläche der Schalenkerne wenigstens eine Nut ausgebildet, durch die Anschlussdrähte nach außen führbar sind.

Der Wicklungsträgerkörper dient dazu, die Wicklung in einer Wickelmaschine aufzunehmen und mechanisch zu fixieren. Dabei können auch Zwischenlagen aus Isoliermaterial in einfacher Weise eingebracht werden. Durch die Rillen oder Nuten der segmentierten Seitenflansche kann der Anschlussdraht der Wicklung dann je nach Windungsverhältnis nach außen geführt werden. Entsprechend der Größe der induktiven Bauelemente und dem Verhältnis der Windungszahlen der Wicklung können statt einer Nut auch mehrere Nuten angeordnet sein. Gleiches gilt, wenn Anschlussleitungen unterschiedliche Spannungen führen und ein ausreichender Abstand zur Vermeidung von Überschlägen eingehalten werden muss.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläu­ tert. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Dar­ stellung der Herstellung eines Schalen­ kerns aus Draht,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Mittelachse durch einen Kern eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements,

Fig. 3 eine Darstellung ähnlich Fig. 2 mit zwei Wicklungen,

Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung eines Schnittes entlang der Längsachse durch einen Kern nach der Erfindung,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Wick­ lungsträgerkörpers für Kerne nach Fig. 2 oder 3 und

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Wicklungsträ­ gerkörper für einen Kern nach Fig. 4.

Die Darstellung nach Fig. 1 veranschaulicht zunächst die Fer­ tigung eines Schalenkerns nach der Erfindung. Dort ist ge­ zeigt, wie um einen Torus 12 ähnlich der Bewicklung eines Ringkerns eine Wicklung aufgebracht wird, die später den Kern 14 bildet. Hier ist zwischen zwei identische Kreisringe als Wickelform des Torus 12 mit annähernd rechteckförmigem Quer­ schnitt eine Distanzscheibe 16 gelegt.

Nach dem Bewickeln wird ein Markierungsstreifen am Außenrand unverrückbar angebracht. Danach wird der Schalenkern in Vaku­ um getränkt und mit einem hochtemperaturbeständigem Epoxyd­ harz vergossen, so dass die gesamte Drahtwicklung aus ferro­ magnetischem Material mechanisch fixiert ist. Nach Aushärtung des Epoxydharzes wird der Schalenkern 14 in der Ebene der Distanzscheibe 16 lateral vollständig durchtrennt, so dass zwei identische Hälften entstehen und die formgebenden Kreis­ ringe des Torus 12 für den nächsten Einsatz gelöst und ent­ nommen werden können.

Danach werden die Schnittflächen geschliffen. Dies ist zweck­ mäßig, um eine absolut plane Passfläche und einen minimalen Spalt beim Zusammensetzen der komplementären Teile des Scha­ lenkerns zu gewährleisten. Die fertiggestellten Schalenkern­ teile können anhand der Markierungsstreifen jederzeit wieder genau in ihre Ursprungsposition gebracht werden, so dass die Schnittstellen eines jeden Drahtabschnittes wieder übereinan­ der liegen und Streuverluste minimal sind.

Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen fertig gewickelten und vergossenen Schalenkern 14 aus zwei komplementären Tei­ len, die zusammengesetzt sind und an ihren zugewandten Flä­ chen durch eine Isolierschicht 18 elektrisch getrennt sind. In einer Wicklungskammer 34 befindet sich ein Wicklungsträ­ gerkörper 22. Ferner sind im Außenmantel des Schalenkerns 14 Nuten 20 dargestellt, durch die Anschlussleitungen nach außen geführt werden können.

Bei der Darstellung nach Fig. 3 ist der Wicklungskörper 22 mit zwei Wicklungen 26 und 28 bewickelt. Die Wicklungen kön­ nen hier in üblicher Weise wie von induktiven Bauelementen in Schalenkernausführung bekannt, getrennt auf den Wicklungskör­ per aufgebracht werden, wobei zur Isolierung der einzelnen Lagen der Wicklung Bandagen zwischengelegt werden können.

Während der Schalenkern 14 bei den Darstellungen nach Fig. 2 und Fig. 3 eine im Querschnitt rechteckige Wicklungskammer 34 darbietet und die Außenkontur auf der Oberseite und Untersei­ te in der dargestellten Ansicht konisch sich von innen nach außen verjüngt, ist bei der Darstellung nach Fig. 4 die Ober- und Unterseite parallel ausgerichtet, und stattdessen ist die Wicklungskammer 34 konisch geformt, wobei der Querschnitt sich von innen nach außen erweitert.

In beiden Fällen ist der für die magnetischen Feldlinien wirksame Querschnitt gleich, denn zwangsläufig befinden sich im Inneren genauso viele Drahtabschnitte wie außen. Da die­ selbe Anzahl Drahtabschnitte aber im inneren Bereich auf ei­ ner größeren Fläche als außen verteilt werden muss, erscheint in der Schnittdarstellung der innere Querschnitt größer als der äußere. Dies ist aber lediglich auf die zweidimensionale Darstellung zurückzuführen, während für den wirksamen Kern­ querschnitt Ringsegmente betrachtet werden müssen, bei denen der Teilumfang im Außenbereich größer als im Innenbereich ist. Dadurch ergibt der Flächenquerschnitt multipliziert mit dem Radius und dem entsprechenden Winkelabschnitt wieder ei­ nen konstanten wirksamen Querschnitt.

Die Fig. 5 und 6 zeigen Spulenträgerkörper, und zwar ist der Spulenträgerkörper nach Fig. 5 für die Wicklungskammer 34 nach Fig. 2 und 3 geeignet und der Wicklungsträgerkörper 22 nach Fig. 6 für die Wicklungskammer 34 nach Fig. 4.

Die Wicklungsträgerkörper sind zweiteilig ausgebildet und be­ sitzen jeweils eine Mantelfläche 30 mit Ausnehmungen, die komplementär ineinander passen. Seitlich der Mantelflächen 30 befinden sich durch Rillen oder Nuten segmentierte Flansche 32. Die Zwischenräume zwischen den Segmenten dienen zum Hin­ durchführen der Drähte einer Wicklung 26 oder 28, um die An­ schlussleitungen der einzelnen Wicklungen seitlich durch die Schlitze herausführen zu können.

Claims (9)

1. Induktives Bauelement, bestehend aus einem zweiteiligen komplementären Schalenkern (14), der eine Wicklungskammer (34) mit einem Wicklungsträgerkörper (22) und wenigstens ei­ ner Wicklung (26) umfasst, wobei die komplementären Teile des Schalenkerns (14) aus einer Mehrzahl benachbarter, elektrisch unverbundener, teilringförmig um die Achse des Kernquer­ schnittes verlaufender Drahtabschnitte aus ferromagnetischem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweitei­ lige komplementäre Schalenkern (14) aus einem ursprünglich einteilig gefertigten und lateral durchtrennten Schalenkern gebildet ist, dessen Teile an den einander zugewandten Flä­ chen in ihrer ursprünglichen Lage zusammengefügt und fixiert sind.

2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Drahtabschnitte aus in Richtung der Draht­ achsen kernorientiertem Material bestehen.

3. Induktives Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Drahtabschnitte Teile eines kaltgezogenen Drahtes sind.

4. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtabschnitte an ihrer O­ berfläche phosphatiert sind.

5. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Flächen der komplementären Teile des Schalenkerns (14) plangeschlif­ fen und durch eine isolierende Klebschicht (18) elektrisch getrennt sind.

6. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalenkern (14) abgerundete Übergänge an der Außen- und Innenfläche aufweist.

7. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtabschnitte durch eine Vergussmasse fixiert sind.

8. Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträgerkörper (22) zweiteilig ausgebildet ist, dessen komplementäre Teile je­ weils einen segmentierten Seitenflansch (32) und eine mit ei­ ner teilumlaufenden Ausnehmung versehene Mantelfläche (30) bildet, wobei die Teilausnehmungen der Mantelflächen (30) der komplementären Teile des Wicklungsträgerkörpers (22) ineinan­ der steckbar sind und in diesem Zustand eine geschlossene Mantelfläche mit zwei Seitenflanschen bilden.

9. Induktives Bauelement nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass wenigstens ein Seitenflansch durch Rillen oder Nuten segmentiert ist.