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Die Erfindung betrifft eine Spulenanordnung mit einem Schaltungsträger und mindestens einer elektrischen Spule, deren Wicklung mit mindestens zwei Windungen um einen mindestens eine Innenöffnung umschließenden Magnetkern gewickelt ist und die mindestens eine Innenöffnung durchgreift.
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Aus der
DE 10 2016 210 746 A1 ist ein induktives Bauelement bekannt, das einen eine Innenöffnung ringförmig umschließenden Ringkern aus weichmagnetischem Material und mindestens zwei durch die Innenöffnung hindurch den Ringkern weniger als vollständig umschließenden, elektrisch leitenden Leiterstücken mit jeweils zwei Leiterendabschnitten aufweist. Die Leiterendabschnitte sind parallel zueinander und senkrecht zum Ringkern von diesem weggeführt und mindestens eine Wicklung bildend miteinander elektrisch verbunden. Die Leiterendabschnitte sind außerhalb der Innenöffnung und außerhalb einer gedachten Verlängerung der Innenöffnung in axialer Richtung angeordnet. Das induktive Bauelement ist auf einer elektrisch isolierende Trägerplatte mit Bohrungen angeordnet, welche elektrisch leitende Strukturen zumindest im Umfeld der Bohrungen aufweist. Die Leiterendabschnitte der Leiterstücke sind durch die Bohrungen geführt und über die elektrisch leitenden Strukturen mindestens eine Wicklung bildend miteinander elektrisch verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Spulenanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Kühlung der mindestens einen elektrischen Spule über den Schaltungsträger erfolgt. Hierbei können Kühlpfade jeweils für die einzelnen Windungen der mindestens einen elektrischen Spule durch thermische Verbindungen durch den Schaltungsträger zu mindestens einem auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordneten Kühlelement erfolgen. Das mindestens eine Kühlelement kann auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers vorzugsweise innerhalb eines von der mindestens einen elektrischen Spule überdeckten Bereichs angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann mindestens ein Kühlelement auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers außerhalb des von der mindestens einen elektrischen Spule überdeckten Bereichs angeordnet sein. Zudem ermöglichen Ausführungsformen der Erfindung eine zusätzliche Kühlung der mindestens einen Spule an einer von dem Schaltungsträger abgewandten Seite der mindestens einen Spule, auf welche ein weiteres Kühlelement auf die Wicklung der mindestens einen Spule aufgesetzt werden kann.
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Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Windungen der mindestens einen Spule auf dem Schaltungsträger ermöglicht in vorteilhafter Weise eine verbesserte Wärmeabfuhr über die einzelnen Kühlpfade, so dass eine höhere Verlustleistung der mindestens einen Spule ermöglicht werden kann. Dadurch kann eine höhere Leistungsdichte bzw. Packungsdichte ermöglicht und somit ein reduzierter Bauraumbedarf erzielt werden. Des Weiteren kann eine Skalierbarkeit des Designs der mindestens einen Spule und der thermischen Leitungsstrukturen des Schaltungsträgers und damit der Kühlpfade für jede einzelne Windung bei gleichem Platzbedarf erreicht werden.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Spulenanordnung mit einem Schaltungsträger, mindestens einer elektrischen Spule, deren Wicklung mit mindestens zwei Windungen um einen mindestens eine Innenöffnung umschließenden Magnetkern gewickelt ist und die mindestens eine Innenöffnung durchgreift, und mindestens einer Kühlungsanordnung zur Verfügung. Die mindestens zwei Windungen weisen jeweils ein elektrisch leitendes Leiterstück mit zwei Endstücken auf, welche jeweils in eine in den Schaltungsträger eingebrachte elektrische Durchkontaktierung eingeführt und kontaktiert sind. Hierbei weist die Kühlungsanordnung auf einer spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers im Bereich des Magnetkerns mindestens zwei erste thermische Leitungsstrukturen auf, welche über mindestens eine thermische Durchkontaktierung mit mindestens zwei zugeordneten zweiten thermischen Leitungsstrukturen auf einer spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers thermisch gekoppelt sind. Die mindestens zwei ersten thermischen Leitungsstrukturen sind zueinander beabstandet angeordnet und jeweils mit mindestens einer der elektrischen Durchkontaktierungen verbunden, und die mindestens zwei zweiten thermischen Leitungsstrukturen sind zueinander beabstandet angeordnet und mit mindestens einem auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordneten Kühlelement thermisch gekoppelt, so dass jeweils ein Kühlpfad zwischen den mit korrespondierenden elektrischen Durchkontaktierungen kontaktierten Endstücken der mindestens zwei Windungen und dem mindestens einen Kühlelement ausgebildet ist.
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Unter einem Magnetkern kann vorliegend ein kreisförmiger oder ovaler oder rechteckiger Ringkern mit oder ohne Mittelsteg verstanden werden, welcher vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist.
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Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung können beispielsweise als Drosselspulen zur Entstörung von elektrischen und elektronischen Schaltungen in Hochspannungs- bzw. Hochstromanwendungen eingesetzt werden. Vorzugsweise können solche Entstördrosselspulen zur Unterdrückung von gleichsinnig in Hin- und Rückleitungen auftretenden Störströmen eingesetzt werden. Solche stromkompensierten Drosselspulen können auch als Gleichtaktdrosselspulen (Common Mode Chokes) bezeichnet werden und weisen eine Anzahl gleicher und gegensinnig vom Arbeitsstrom durchflossener Wicklungen auf. Dadurch heben sich bei idealen, zueinander völlig symmetrischen Wicklungen mit gleicher Windungszahl und gleicher Drahtführung die magnetischen Felder der einzelnen Wicklungen im Magnetkern der Drosselspulen auf, so dass die Drosselspule für den Arbeitsstrom eine geringe Induktivität aufweist, während die Induktivität der Drosselspule für die gleichsinnig auftretenden Störströme wesentlich höher ist.
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Unter einer elektrischen Durchkontaktierung kann vorliegend eine durchgehende Öffnung in dem Schaltungsträger verstanden werden, welche eine elektrisch leitende Wandung bzw. Hülse aufweist. In eine solche elektrische Durchkontaktierung können die einzelnen Endstücke der Windungen eingeführt und in einem nachfolgenden Lötprozess mit der Wandung bzw. Hülse der Durchkontaktierung und thermischen Leitungsstrukturen des Schaltungsträgers verlötet werden. Der Querschnitt der elektrisch leitenden Wandung bzw. der Hülse und der Querschnitt der Endstücke der einzelnen Windungen kann dabei vorzugsweise so gewählt werden, dass zwischen dem eingeführten Endstück und der elektrisch leitenden Wandung bzw. Hülse der elektrischen Durchkontaktierung ein umlaufender Spalt entsteht, welcher das Einführen des Endstücks erleichtert und den Durchstieg des Lotes beim Löten ermöglicht. Zudem weist die thermische Leitungsstruktur im Bereich der elektrischen Durchkontaktierung eine gewisse Mindestbreite auf. Die thermischen Leitungsstrukturen auf der spulenzugewandten Oberfläche und auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers können jeweils aus einem thermisch und elektrisch gut leitenden Material, wie beispielsweise Kupfer hergestellt sein.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Spulenanordnung möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass der Schaltungsträger als mehrlagige Leiterplatte mit mindestens einer elektrisch und thermisch leitenden Innenlage ausgeführt sein kann, welche mit der mindestens einen thermischen Durchkontaktierung und der mindesten einen elektrischen Durchkontaktierung verbunden ist. Hierbei können Anzahl und Dicke der einzelnen thermisch und elektrisch leitenden Innenlagen, welche vorzugsweise aus Kupfer gefertigt sind, und der korrespondierenden Isolationsschichten unter Berücksichtigung der gesetzlichen Normen so ausgewählt und vorgegeben werden, dass die Kühlpfade der einzelnen Windungen der mindestens einen Spule aktiviert und optimiert sind.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung kann das elektrisch leitende Leiterstück der mindestens zwei Windungen jeweils U-förmig ausgeführt sein. Hierbei kann eines der beiden Endstücke der mindestens zwei Windungen als gerades elektrisch leitendes Leiterstück und das andere der beiden Endstücke als S-förmiges elektrisch leitendes Leiterstück ausgeführt sein, wobei in die elektrischen Durchkontaktierungen eingeführte Abschnitte der beiden Endstücke der mindestens zwei Windungen außerhalb der mindestens einen Innenöffnung und außerhalb einer gedachten Verlängerung der mindestens einen Innenöffnung in axialer Richtung parallel zueinander verlaufen. Dadurch kann eine besonders kompakte Bauform der Spulenanordnung erreicht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung kann mindestens eine der mindestens zwei ersten thermischen Leitungsstrukturen auf der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers zwei elektrische Durchkontaktierungen, in welche jeweils ein Endstück von zwei benachbarten Windungen der Wicklung der mindestens einen Spule eingeführt sind, elektrisch so miteinander verbinden, dass die beiden benachbarten Windungen der Wicklung der mindestens einen elektrischen Spule elektrisch in Reihe geschaltet sind. So kann beispielsweise ein erstes Endstück einen Eingangskontakt einer korrespondierenden Windung ausbilden. Ein zweites Endstück kann einen Ausgangskontakt der korrespondierenden Windung ausbilden. Das bedeutet, dass ein zweites Endstück, welches den Ausgangskontakt einer ersten Windung ausbildet und in eine erste Durchkontaktierung eingeführt und elektrisch kontaktiert ist, über die korrespondierende erste thermische Leiterstruktur thermisch und elektrisch mit einer zweiten Durchkontaktierung verbunden ist, in welche ein den Eingangskontakt einer zweiten Windung ausbildenden erstes Endstück eingeführt und elektrisch kontaktiert ist. Hierbei können das zweite Endstück der ersten Windung und das erste Endstück der zweiten Windung jeweils mit der korrespondierenden Durchkontaktierung verlötet sein.
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Alternativ kann mindestens eine der mindestens zwei ersten thermischen Leitungsstrukturen auf der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers eine als Langloch ausgeführte elektrische Durchkontaktierung aufweisen, in welche zwei Endstücke von zwei benachbarten Windungen der Wicklung der mindestens einen Spule so eingeführt und elektrisch miteinander verbunden sein können, dass die beiden benachbarten Windungen der Wicklung der mindestens einen Spule elektrisch in Reihe geschaltet sind. Das bedeutet, dass das zweite Endstück, welches den Ausgangskontakt der ersten Windung ausbildet, und das erste Endstück, welches den Eingangskontakt der zweiten Windung ausbildet, in dieselbe Durchkontaktierung eingeführt und elektrisch kontaktiert sein können. Hierbei können das zweite Endstück der ersten Windung und das erste Endstück der zweiten Windung mit derselben Durchkontaktierung verlötet sein. Durch eine solche als Langloch ausgeführte elektrische Durchkontaktierung können die beiden Endstücke der beiden benachbarten Windungen einfach elektrisch und thermisch miteinander verbunden werden. Zudem kann ein Gesamtdurchmesser der Spulenanordnung durch den kleineren Abstand zwischen den beiden Endstücke reduziert werden. Dies erhöht die elektrische Konnektivität durch den direkten Kontakt eines Lots einer stoffschlüssigen Verbindung mit den beiden Endstücken und der Wandung der als Langloch ausgeführten Durchkontaktierung.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung kann die mindestens eine der mindestens zwei ersten thermischen Leitungsstrukturen eine Anbindung für ein elektrisches Bauelement aufweisen. So kann beispielsweise ein Glättungskondensator oder ein ohmscher Widerstand oder ein Kontaktanschluss einfach zwischen zwei Windungen der mindestens einen Spule angeordnet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung kann ein erstes Endstück einer ersten Windung der Wicklung einen ersten Kontakt bzw. Eingangskontakt und ein zweites Endstück einer letzten Windung der Wicklung kann einen zweiten Kontakt bzw. Ausgangskontakt der mindestens einen Spule ausbilden und jeweils in einer als Bohrungsloch ausgeführten elektrischen Durchkontaktierung eingeführt und kontaktiert sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung können die mindestens zwei ersten thermischen Leitungsstrukturen auf freien Flächen der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers in Richtung der mindestens einen Innenöffnung unter dem Magnetkern und/oder in Richtung weg vom Magnetkern außerhalb des Magnetkerns ausgebildet sein. Insbesondere bei der Ausbildung in Richtung Magnetkern können ungenutzte Flächen unter dem Magnetkern bauraumsparend für die ersten thermischen Leitungsstrukturen genutzt werden. In Abhängigkeit von der Größe des Schaltungsträgers können die ersten thermischen Leitungsstrukturen aber auch außerhalb im Umfeld des Magnetkerns ausgebildet sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung können Form und Abmessungen der mindestens zwei ersten thermischen Leitungsstrukturen auf der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers und der mindestens zwei zweiten thermischen Leitungsstrukturen auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers und der mindestens einen Innenlage des Schaltungsträgers und eine Anzahl der thermischen Durchkontaktierungen an die thermischen Belastungsbedingungen anpassbar sein. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise einfach möglich, die einzelnen Kühlpfade zur Entwärmung der einzelnen Windungen der mindestens einen Spule optimal an die thermischen Bedingungen der Spulenanordnung auszubilden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung kann zwischen dem mindestens einem Kühlelement und den mindestens zwei zweiten thermischen Leitungsstrukturen auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers zumindest eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht eingebracht sein. Hierbei kann eine Fläche der elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Schicht größer als eine Fläche der mindestens zwei zweiten thermischen Leitungsstrukturen sein, welche größer als eine Fläche des mindestens einen Kühlelements sein können. Um Unebenheiten auszugleichen und zur Verbesserung des thermischen Übergangs kann zwischen der elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht und dem mindestens einen Kühlelement eine thermisch gut leitende Schicht eingebracht werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung kann zur Vermeidung von Kriechstrecken zwischen der mindestens einen elektrischen Durchkontaktierung und dem auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers angeordneten mindestens einen Kühlelement ein Rand des mindestens einen Kühlelements einen ersten Mindestabstand und ein Rand der mindestens einen thermischen Durchkontaktierung einen zweiten Mindestabstand, welcher kleiner als der erste Mindestabstand ist, und ein Rand der mindestens zwei zweiten thermischen Leitungsstrukturen einen dritten Mindestabstand, welcher kleiner als der zweite Mindestabstand ist, und ein Rand der elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Schicht einen vierten Mindestabstand zu der mindestens einen elektrischen Durchkontaktierung aufweisen, welcher kleiner als der dritte Mindestabstand ist. Hierbei werden diese Mindestabstände unter Berücksichtigung der gesetzlichen Normen gewählt und vorgegeben.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Spulenanordnung kann die Kühlanordnung mindestens ein weiteres Kühlelement umfassen, welches auf einer von dem Schaltungsträger abgewandten Seite der mindestens einen Spule auf die Wicklung der mindestens einen Spule aufgesetzt sein kann. Hierbei kann das mindestens eine weitere Kühlelement über zumindest eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Struktur mit der Wicklung der mindestens einen Spule thermisch gekoppelt sein. Das mindestens eine weitere Kühlelement ermöglicht in vorteilhafter Weise zusätzlich zur Entwärmung der einzelnen Windungen der mindestens einen elektrischen Spule der Spulenanordnung durch den Schaltungsträger nach „unten“ eine Entwärmung der mindestens einen Spule der Spulenanordnung nach „oben“.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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- 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung.
- 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Spulenanordnung aus 1 ohne Magnetkern.
- 3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung von zwei benachbarten Windungen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung aus 1 und 2.
- 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines Schaltungsträgers der erfindungsgemäßen Spulenanordnung aus 1 und 2.
- 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Ausschnitt des Schaltungsträgers der erfindungsgemäßen Spulenanordnung aus 1 und 2.
- 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Schaltungsträger der erfindungsgemäßen Spulenanordnung aus 1 und 2 ohne elektrische Spulen.
- 7 zeigt eine schematische Darstellung des Schaltungsträgers der erfindungsgemäßen Spulenanordnung aus 1 und 2 von unten ohne Kühlelemente und ohne elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht.
- 8 zeigt eine schematische Darstellung des Schaltungsträgers der erfindungsgemäßen Spulenanordnung aus 1 und 2 von unten.
- 9 zeigt eine schematische perspektivische Teilschnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung ohne Magnetkern.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 bis 9 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 1, 1A, 1B jeweils einen Schaltungsträger 2, mindestens eine elektrische Spule 5, deren Wicklung 7 mit mindestens zwei Windungen 8 um einen mindestens eine Innenöffnung 6.1 umschließenden Magnetkern 6 gewickelt ist und die mindestens eine Innenöffnung 6.1 durchgreift, und mindestens eine Kühlungsanordnung 10, 10A, 10B. Die mindestens zwei Windungen 8 weisen jeweils ein elektrisch leitendes Leiterstück 8.1 mit zwei Endstücken 8.2, 8.3 auf, welche jeweils in eine in den Schaltungsträger 2 eingebrachte elektrische Durchkontaktierung 4 eingeführt und kontaktiert sind. Hierbei weist die Kühlungsanordnung 10, 10A, 10B auf einer spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 im Bereich des Magnetkerns 6 mindestens zwei erste thermische Leitungsstrukturen 3, 11 auf, welche über mindestens eine thermische Durchkontaktierung 12 mit mindestens zwei zugeordneten zweiten thermischen Leitungsstrukturen 13, 14 auf einer spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 thermisch gekoppelt sind. Die mindestens zwei ersten thermischen Leitungsstrukturen 3, 11 sind zueinander beabstandet angeordnet und jeweils mit mindestens einer der elektrischen Durchkontaktierungen 4 verbunden, und die mindestens zwei zweiten thermischen Leitungsstrukturen 13, 14 sind zueinander beabstandet angeordnet und mit mindestens einem auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 angeordneten Kühlelement 18 thermisch gekoppelt, so dass jeweils ein Kühlpfad zwischen den mit korrespondierenden elektrischen Durchkontaktierungen 4 kontaktierten Endstücken 8.2, 8.3 der mindestens zwei Windungen 8 und dem mindestens einen Kühlelement 18 ausgebildet ist.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, ist die Spulenanordnung 1 als Gleichtaktdrossel für Hochspannungs- bzw. Hochstromanwendungen ausgeführt. Hierzu ist der Magnetkern 6 im dargestellten Ausführungsbeispiel als kreisförmiger Ringkern 6A mit einer Innenöffnung 6.1 ausgeführt und parallel zur Oberfläche des Schaltungsträgers 2 ausgerichtet. Auf diesen Ringkern 6A sind im dargestellten Ausführungsbeispiel die Wicklungen 7 von zwei elektrischen Spulen 5 gewickelt. Hierbei umfasst eine erste Spule 5A eine erste Wicklung 7A mit fünf Windungen 8A, 8B, 8C, 8D, 8E. Eine zweite Spule 5B ist symmetrisch zur ersten Spule 5A ausbildet und umfasst eine zweite Wicklung 7B mit ebenfalls fünf Windungen 8A, 8B, 8C, 8D, 8E. Es können Prinzip gleich auch nur eine Spule oder mehr als zwei Spulen angeordnet sein.
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Bei alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispielen der Spulenanordnung 1 ist der Magnetkern 6 als ovaler oder rechteckiger Ringkern 6A mit einer Innenöffnung 6.1 ausgeführt. Bei weiteren nicht dargestellten alternativen Ausführungsbeispielen weist der Ringkern 6A einen Mittelsteg auf, so dass der korrespondierende Magnetkern 6 unabhängig von seiner Form zwei Innenöffnungen aufweist.
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Wie insbesondere aus 5 ersichtlich ist, ist der Schaltungsträger 2 in den dargestellten Ausführungsbeispielen als mehrlagige Leiterplatte 2A, beispielsweise mit vier elektrisch und thermisch leitenden Innenlagen 2.1, ausgeführt, welche mit der mindestens einen thermischen Durchkontaktierung 12 und der mindesten einen elektrischen Durchkontaktierung 4 verbunden sind.
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Wie aus 1 bis 3 und 9 weiter ersichtlich ist, ist das elektrisch leitende Leiterstück 8.1 der rein beispielhaft ausgeführten fünf Windungen 8A, 8B, 8C, 8D, 8E der jeweiligen Spule 5A, 5B jeweils U-förmig ausgeführt. Hierbei ist jeweils ein erstes Endstück 8.2 als S-förmiges elektrisch leitendes Leiterstück ausgeführt und bildet einen Eingangskontakt der jeweiligen Windung 8A, 8B, 8C, 8D, 8E aus. Ein zweites Endstücke 8.3 ist als gerades elektrisch leitendes Leiterstück ausgeführt und bildet einen Ausgangskontakt der jeweiligen Windung 8A, 8B, 8C, 8D, 8E aus. In die elektrischen Durchkontaktierungen 4 eingeführten Abschnitte der beiden Endstücke 8.2, 8.3 der jeweiligen Windung 8A, 8B, 8C, 8D, 8E verlaufen außerhalb der mindestens einen Innenöffnung 6.1 und außerhalb einer gedachten Verlängerung der mindestens einen Innenöffnung 6.1 in axialer Richtung parallel zueinander. Wie insbesondere aus 1, 2 und 6 bis 8 weiter ersichtlich ist, liegen die Durchkontaktierungen 4 im dargestellten Ausführungsbeispiel auf einem gemeinsamen Kreis um den Magnetkern 6.
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Wie insbesondere aus 1, 2 und 6 ersichtlich ist, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel für jede Spule 5A, 5B rein beispielhaft sechs erste thermische Leitungsstrukturen 3, 11 auf der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 angeordnet. Hierbei weisen vier erste thermische Leitungsstrukturen 11 jeweils die Form eines Tortenstücks und eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 auf, in welche jeweils zwei Endstücke 8.2, 8.3 von zwei benachbarten Windungen 8A, 8B, 8C, 8D, 8E der Wicklung 7 der jeweiligen Spule 5 so eingeführt und elektrisch miteinander verbunden sind, dass die beiden benachbarten Windungen 8A, 8B, 8C, 8D, 8E der Wicklung 7 der jeweiligen Spule 5 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die tortenstückförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 11 sind auf freien Flächen der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 in Richtung der mindestens einen Innenöffnung 6.1 unter dem Magnetkern 6 angeordnet. Zwei der ersten thermischen Leitungsstrukturen 3 weisen jeweils eine Stegform und eine als Bohrung 4A ausgeführte Durchkontaktierung 4 auf. Die stegförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 3 sind in Richtung weg vom Magnetkern 6 außerhalb des Magnetkerns 6 ausgebildet.
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4 zeigt eine alternative Ausbildung der tortenförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 11. Hierbei ist die tortenstückförmige erste thermische Leitungsstruktur 11 auf freien Flächen der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 in Richtung der mindestens einen Innenöffnung 6.1 unter dem gestrichelt dargestellten Magnetkerns 6 und außerhalb des Magnetkerns 6 ausgebildet.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist das erste Endstück 8.2 einer ersten Windung 8A der ersten Wicklung 7A der ersten Spule 5A in die als Bohrung 4A ausgeführte Durchkontaktierung 4 einer in der Darstellung auf der linken Seite oben angeordneten stegförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 3A eingeführt und bildet einen ersten Kontakt der ersten Spule 5A aus, welcher hier dem Eingangskontakt der ersten Spule 5A entspricht. Das zweite Endstück 8.3 der ersten Windung 8A der ersten Spule 5A ist gemeinsam mit dem ersten Endstück 8.2 einer zweiten Windung 8B der ersten Spule 5A in eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer tortenstückförmigen thermische Leitungsstruktur 11 eingeführt. Das zweite Endstück 8.3 der zweiten Windung 8B der ersten Spule 5A ist gemeinsam mit dem ersten Endstück 8.2 einer dritten Windung 8C der ersten Spule 5A in eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer tortenstückförmigen thermischen Leitungsstruktur 11 eingeführt. Das zweite Endstück 8.3 der dritten Windung 8C der ersten Spule 5A ist gemeinsam mit dem ersten Endstück 8.2 einer vierten Windung 8D der ersten Spule 5A in eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer tortenstückförmigen thermischen Leitungsstruktur 11 eingeführt. Das zweite Endstück 8.3 der vierten Windung 8D der ersten Spule 5A ist gemeinsam mit dem ersten Endstück 8.2 einer fünften und letzten Windung 8E der ersten Spule 5A in eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer tortenstückförmigen thermischen Leitungsstruktur 11 eingeführt. Das zweite Endstück 8.3 der fünften und letzten Windung 8E der ersten Spule 5A ist in eine als Bohrungsloch 4A ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer in der Darstellung rechts oben angeordneten stegförmigen thermischen Leitungsstruktur 3B eingeführt und kontaktiert und bildet einen zweiten Kontakt der ersten Spule 5A aus, welcher hier einem Ausgangskontakt der ersten Spule 5A entspricht. Bei Ausführungen mit mehr oder weniger Windungen wird gleichsam verfahren.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, ist das erste Endstück 8.2 einer ersten Windung 8A der zweiten Wicklung 7B der zweiten Spule 5B in die als Bohrung 4A ausgeführte Durchkontaktierung 4 einer in der Darstellung auf der rechten Seite unten angeordneten stegförmigen ersten thermischen Leitungsstruktur 3A eingeführt und bildet einen ersten Kontakt der zweiten Spule 5B aus, welcher hier dem Eingangskontakt der zweiten Spule 5B entspricht. Das zweite Endstück 8.3 der ersten Windung 8A der zweiten Spule 5B ist gemeinsam mit dem ersten Endstück 8.2 einer zweiten Windung 8B der zweiten Spule 5B in eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer tortenstückförmigen thermischen Leitungsstruktur 11 eingeführt. Das zweite Endstück 8.3 der zweiten Windung 8B der zweiten Spule 5B ist gemeinsam mit dem ersten Endstück 8.2 einer dritten Windung 8C der zweiten Spule 5B in eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer tortenstückförmigen thermischen Leitungsstruktur 11 eingeführt. Das zweite Endstück 8.3 der dritten Windung 8C der zweiten Spule 5B ist gemeinsam mit dem ersten Endstück 8.2 einer vierten Windung 8D der zweiten Spule 5B in eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer tortenstückförmigen thermischen Leitungsstruktur 11 eingeführt. Das zweite Endstück 8.3 der vierten Windung 8D der zweiten Spule 5A ist gemeinsam mit dem ersten Endstück 8.2 einer fünften und letzten Windung 8E der zweiten Spule 5B in eine als Langloch 4B ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer tortenstückförmigen thermischen Leitungsstruktur 11 eingeführt. Das zweite Endstück 8.3 der fünften und letzten Windung 8E der zweiten Spule 5B ist in eine als Bohrungsloch 4A ausgeführte elektrische Durchkontaktierung 4 einer in der Darstellung links unten angeordneten stegförmigen thermischen Leitungsstruktur 3B eingeführt und kontaktiert und bildet einen zweiten Kontakt der zweiten Spule 5B aus, welcher hier einem Ausgangskontakt der zweiten Spule 5B entspricht. Zwischen die in der Darstellung rechts angeordnete obere stegförmige thermischen Leitungsstruktur 3B, welche mit dem Ausgangskontakt der ersten Spule 5A verbunden ist, und die in der Darstellung rechts angeordnete untere stegförmige thermischen Leitungsstruktur 3A, welche mit dem Eingangskontakt der zweiten Spule 5B verbunden ist, kann eine elektrische Last, wie beispielsweise ein Inverter für einen Drehstrommotor angeschlossen werden. An die beiden in der Darstellung links angeordneten stegförmigen thermischen Leitungsstrukturen 3 kann jeweils eine Gleichspannungsversorgung angeschlossen werden. So kann an die in der Darstellung links angeordnete obere stegförmige thermische Leitungsstruktur 3A, welche mit dem Eingangskontakt der ersten Spule 5A verbunden ist, beispielsweise eine positive Gleichspannungsversorgung angelegt werden. An die in der Darstellung links angeordnete untere stegförmige thermische Leitungsstruktur 3B, welche mit dem Ausgangskontakt der zweiten Spule 5B verbunden ist, kann beispielsweise eine negative Gleichspannungsversorgung angeschlossen werden. Ausführungen mit mehr oder weniger Windungen werden gleichsam ausgeführt.
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Die elektrischen Durchkontaktierungen 4 weisen in den dargestellten Ausführungsbeispielen eine elektrisch leitende Wandung 4.1 bzw. Hülse auf, mit welchen die eingeführten einzelnen Endstücke 8.2, 8.3 der Windungen 8A, 8B, 8C, 8D, 8E der beiden Spulen 5A, 5B durch eine stoffschlüssige Verbindung 9, vorzugsweise durch eine Lötverbindung verbunden sind.
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Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Spulenanordnung 1 weisen die jeweils vier tortenförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 11 der beiden Spulen 5A, 5B auf der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 jeweils zwei als Bohrungen 4A ausgeführte elektrische Durchkontaktierungen 4 auf, in welche jeweils ein Endstück 8.2, 8.3 von zwei benachbarten Windungen 8A, 8B, 8C, 8D, 8E der Wicklung 7 der jeweiligen Spule 5A, 5B eingeführt sind. Hierbei verbinden die tortenförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 11 die beiden benachbarten Windungen 8A, 8B, 8C, 8D, 8E der jeweiligen Spule 5A, 5B so, dass diese elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, weist jeweils eine der tortenförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 11 der beiden Spulen 5A, 5B jeweils eine Anbindung 11.1 für ein elektrisches Bauelement C auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel entsprechen die beiden elektrischen Bauelemente C jeweils einem Glättungskondensator.
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Wie aus 7 weiter ersichtlich ist, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel der Spulenanordnung 1A auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 für jede Spule 5A, 5B - jeweils rein beispielhaft - sechs zweite thermische Leitungsstrukturen 13, 14 angeordnet. Hierbei weisen vier zweite thermische Leitungsstrukturen 14 der jeweiligen Spule 5A, 5B jeweils die Form eines Tortenstücks auf und sind über mehrere thermische Durchkontaktierung 12 thermisch mit den tortenstückförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 11 auf der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 verbunden. Die tortenstückförmigen zweiten thermischen Leitungsstrukturen 12 sind auf freien Flächen der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 in Richtung der mindestens einen Innenöffnung 6.1 unter dem Magnetkern 6 angeordnet. Zwei der zweiten thermischen Leitungsstrukturen 13 der jeweiligen Spule 5A, 5B weisen jeweils eine Stegform auf und sind über mehrere thermische Durchkontaktierung 12 thermisch mit den stegförmigen ersten thermischen Leitungsstrukturen 3 auf der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 verbunden. Die stegförmigen zweiten thermischen Leitungsstrukturen 13 sind in Richtung weg vom Magnetkern 6 außerhalb des Magnetkerns 6 ausgebildet.
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Wie aus 5 und 8 weiter ersichtlich ist, ist zwischen dem mindestens einem Kühlelement 18 und den mindestens zwei zweiten thermischen Leitungsstrukturen 13, 14 auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 zumindest eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht 15 eingebracht. Hierbei ist eine Fläche der elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Schicht 15 größer als eine Fläche der mindestens zwei zweiten thermischen Leitungsstrukturen 13, 14, welche größer als eine Fläche des mindestens einen Kühlelements 18 ist. Wie insbesondere aus 8 weiter ersichtlich ist, ist ein unter dem Magnetkern 6 angeordnetes erstes Kühlelement 18 im dargestellten Ausführungsbeispiel als runder Kühldom 18A ausgeführt. Die außerhalb des Magnetkerns 6 angeordneten weiteren Kühlelemente 18 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als quaderförmige Kühlblöcke 18B ausgeführt.
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Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, weist ein Rand des als Kühldom 18A ausgeführten Kühlelements 18 einen ersten Mindestabstand MA1 zu der dargestellten elektrischen Durchkontaktierung 4 auf. Ein Rand der am nächsten zur der elektrischen Durchkontaktierung angeordnete thermischen Durchkontaktierung 12 weist einen zweiten Mindestabstand MA2 zu der elektrischen Durchkontaktierung 4 auf, welcher kleiner als der erste Mindestabstand MA1 ist. Ein Rand der zweiten thermischen Leitungsstrukturen 14 weist einen dritten Mindestabstand MA3 zu der elektrischen Durchkontaktierung 3 auf, welcher kleiner als der zweite Mindestabstand MA2 ist. Ein Rand der elektrisch isolierenden und thermisch leitenden Schicht 15 weist einen vierten Mindestabstand MA4 zu der mindestens einen elektrischen Durchkontaktierung 4 auf, welcher kleiner als der dritte Mindestabstand MA3 ist. Hierbei sind die Mindestabstände MA1, MA2, MA3, MA4 unter Berücksichtigung der gesetzlichen Normen gewählt und vorgegeben, um auch bei Hochspannungs- bzw. Hochstromanwendungen Kriechstrecken zu vermeiden.
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Um Unebenheiten auszugleichen und zur Verbesserung des thermischen Übergangs ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen der elektrisch isolierende und thermisch leitende Schicht 15 und dem mindestens einen Kühlelement 18 eine thermisch gut leitende Schicht 16 eingebracht.
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Form und Abmessungen der ersten thermischen Leitungsstrukturen 3, 11 auf der spulenzugewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 und der zweiten thermischen Leitungsstrukturen 13, 14 auf der spulenabgewandten Oberfläche des Schaltungsträgers 2 und der Innenlagen 2.1 des Schaltungsträgers 2 und eine Anzahl der thermischen Durchkontaktierungen 12 ist an die thermischen Belastungsbedingungen angepasst.
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Wie aus 9 weiter ersichtlich ist, entspricht das dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Spulenanordnung 1B im Wesentlichen dem in 1 bis 8 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Spulenanordnung 1A, so dass auf eine wiederholende Beschreibung der gleichen Komponenten verzichtet wird. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel der Spulenanordnung 1A weist ein zweites Ausführungsbeispiel der Kühlanordnung 10B des dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels der Spulenanordnung 1B mindestens ein weiteres Kühlelement 19 auf, welches auf einer von dem Schaltungsträger 2 abgewandten Seite der mindestens einen Spule 5 auf die Wicklung 7 der mindestens einen Spule 5 aufgesetzt ist. Zur Verbesserung der Wärmeübertragung ist das dargestellte weitere Kühlelement 19 über zumindest eine elektrisch isolierende und thermisch leitende Struktur 20 mit der Wicklung 7 der mindestens einen Spule 5 thermisch gekoppelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016210746 A1 [0002]