DE102008017762A1

DE102008017762A1 - Magnetspule zur Generierung magnetischer Wechselfelder mit geringem Blindwiderstand in Planardesign, herstellbar durch Anwendung von Verfahren der Schichttechnologie sowie als Magnetfeldquelle, Strom- und Spannungswandler, Übertrager oder Transformator

Info

Publication number: DE102008017762A1
Application number: DE200810017762
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Schönecker; Detlef H. Schenk
Original assignee: HYDROTECH INTERNAT Ltd; HYDROTECH INTERNATIONAL Ltd
Current assignee: HYDROTECH INTERNATIONAL LTD., HK; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-29
Also published as: EP2274755A1; WO2009124783A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, Betriebsweise und Verfahrenstechnik für Magnetspulen erhöhter Effektivität. Nach der Erfindung werden die Leiterschleifen als Doppelleiter ausgeführt, die voneinander galvanisch getrennt sind, jedoch entsprechend ihrer Anordnung kapazitiv gekoppelt sind. Der Strom wird in die Leitbahn 1 ein- und aus Leitbahn 2 ausgekoppelt. Diese Anordnung besitzt eine natürliche Resonanzfrequenz, bei der der Blindwiderstand weitestgehend verschwindet und der Gesamtwiderstand ein Minimum erreicht, der durch den ohmschen Widerstand der Leitbahnen bestimmt ist. Bei vorgegebener Spannung erreicht die Stromstärke einen Maximalwert. Dementsprechend wird auch die generierte Magnetfeldstärke maximal ... Die technische Umsetzung kann in vorteilhafter Weise durch Anwendung von Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik, der Polymerelektronik sowie in keramischer Mehrlagentechnik erfolgen. Erfindungsgemäß wird die Magnetspule in Planardesign auf einer Ebene in konzentrischer Anordnung der Doppelleitbahn 1 und 2 oder aus einer Mehrzahl übereinander liegender Ebenen jeweils in konzentrischer Anordnung der Doppelleitbahn 1 und 2 ausgeführt. Die Leiterschleifen jeder Doppelleitbahn L1 und L2 sind durch ein Dielektrikum voneinander getrennt. Jede Doppelleitbahn L1 und L2 ist durch das Substratmaterial sowohl in der Einebenenanordnung als auch in der Stapelanordnung der Ebenen elektrisch isoliert ausgeführt. Der Stromzufluss erfolgt an die Leitbahnen gem. ...

Description

Stand der Technik
Stromdurchflossene Leiter sind durch ein Magnetfeld begleitet. Bekannt ist die Anordnung als Spule, die durch wiederholte Windung einzelner Leiterschleifen entsteht. Die generierte magnetische Flussdichte B ist vom geometrischen Aufbau der Spule, d. h. deren windungszahldichte n = N/l (N – Windungszahl, l – Länge bzw. Höhe der Spule), den magnetischen Eigenschaften des Füllstoffs (Permeabilität μ₀μ_r), und der Stromstärke I gegeben, B = μ0μr·I·n
Bekannt sind konstruktive Ausführungen von Magnetspulen in Drahtwickeltechnik als auch in Planartechnik [Handbuch der Leiterkartentechnik Band 4, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, Herausgeber W. Jillek, G. Keller, 2003, ISBN 3-87480-184-5].
Aus der Fachliteratur sind die Dimensionierungsgleichungen bekannt [Handbuch der Leiterkartentechnik Band 4, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, Herausgeber W. Jillek, G. Keller 2003, ISBN 3-87480-184-5].
Z. B. ist die Induktivität L für die in 8 gezeigten Planarspulen proportional dem Quadrat Windungszahl, L = c·n2 wobei c eine Konstante darstellt, die die Geometrie und die magnetischen Eigenschaften des Füllstoffes beschreibt.
Der Anschluss der Spulen an eine externe Spannungsquelle geschieht an beiden Enden der Windungen. Mögliche Auslegungen für Planarspulen sind in den 2 und 3 gezeigt. Die Herausführung des Innenleiters ist bei planarem Design aufwendig und störungsanfällig. Anschluss über einen Bonddraht (9) erfordert technologischen Mehraufwand. Brückendruck (10) erfordert eine zusätzliche Isolierschicht.
Spulen werden in bekannter Weise mit Gleich- und Wechselstrom betrieben. Bei Anwendung eines elektrischen Wechselfeldes resultiert aus der Spuleninduktivität L der bekannten Konstruktionen ein induktiver Blindwiderstand X_L, dessen Größe linear mit der Frequenz ansteigt. XL = j·ω·Lmit ω – Kreisfrequenz, L – Induktivität der Spule, j – imaginäre Einheit
Bei vorgegebener Ansteuerspannung wird die Stromstärke daher gemindert. Als Folge nimmt die generierte magnetische Induktion B ab.
Die Abnahme der magnetischen Induktion mit wachsender Frequenz bei gegebener Spannung ist ein genereller Nachteil bekannter Magnetspulen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetspulenanordnung anzugeben, die bei der Einsatzfrequenz eine hohe magnetische Induktion aufweist. Es sind des Weiteren Auslegungen anzugeben, die in einfacher Weise in Planartechnik realisiert werden können.
Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Magnetspulen erhöhter Effektivität. Nach der Erfindung werden die Leiterschleifen als Doppelleiter ausgeführt, die voneinander galvanisch getrennt sind, jedoch entsprechend ihrer Anordnung kapazitiv gekoppelt sind. Der Strom wird in die Leitbahn 1 ein- und aus Leitbahn 2 ausgekoppelt. Diese Anordnung besitzt eine natürliche Resonanzfrequenz, bei der der Blindwiderstand weitestgehend verschwindet und der Gesamtwiderstand ein Minimum erreicht, der durch den ohmschen Widerstand der Leitbahnen bestimmt ist. Bei vorgegebener Spannung erreicht die Stromstärke einen Maximalwert. Dementsprechend wird auch die generierte Magnetfeldstärke maximal.
Die technische Umsetzung kann in vorteilhafter Weise durch Anwendung von Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik, der Polymerelektronik sowie in kera mischer Mehrlagentechnik erfolgen.
Erfindungsgemäß wird die Magnetspule in Planardesign auf einer Ebene in konzentrischer Anordnung der Doppelleitbahn 1 und 2 oder aus einer Mehrzahl übereinander liegender Ebenen jeweils in konzentrischer Anordnung der Doppelleitbahn 1 und 2 ausgeführt. Die Leiterschleifen jeder Doppelleitbahn L1 und L2 sind durch ein Dielektrikum voneinander getrennt. Jede Doppelleitbahn L1 und L2 ist durch das Substratmaterial sowohl in der Einebenenanordnung als auch in der Stapelanordnung der Ebenen elektrisch isoliert ausgeführt. Der Stromzufluss erfolgt an die Leitbahnen gemäß 1 bis 6.
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine Magnetspule auf einer Ebene in einer Seitenansicht,
2 eine Magnetspule auf einer Ebene in einer Draufsicht,
3 eine Magnetspule auf einer Ebene mit mehrfachen bzw. vielfachen Leitbahnen in einer Seitenansicht,
4 eine Magnetspule auf einer Ebene mit mehrfachen bzw. vielfachen Leitbahnen in einer Draufsicht,
5 eine Magnetspule mit mehreren Ebenen, wo ei auf einer Ebene sich nur die Leitbahnen 1 und 2 befinden und diese von Ebene zu Ebene durchkontaktiert werden, in einer Seitenan sicht,
6 eine Magnetspule mit mehreren Ebenen, wo ei auf einer Ebene sich nur die Leitbahnen 1 und 2 befinden und diese von Ebene zu Ebene durchkontaktiert werden, in einer Draufsicht,
7 einen Strom- und Spannungswandler mit einer Magnetspule bzw. zwei Magnetspulen, in einer Seiten-Draufsicht,
8 Planarspulen in Rechteck- (a) und Kreisspiralenform (b),
9 Kontaktierung des Innenleiters einer Spule durch Bonden, und
10 Kontaktierung des Innenleiters einer Spule mit Brückenisolierschicht.
1 zeigt eine Magnetspule im Planardesign in der Draufsicht. Die Magnetspule besteht aus zwei Leiterschleifen 1 und 2 und je einem Anschlusspad Lp1 und Lp2 zur Ein- bzw. Auskopplung des elektrischen Stromes. Die Leiterschleifen 1 und 2 bilden eine Doppelleitbahn. Diese ist auf ein isolierendes Substrat 5 appliziert. Die Doppelleitbahn ist vollständig mit einer kapazitiven Schicht 6 (Dielektrikum) bedeckt.
Mittig befindet sich ein Ferritkern 7. Der Kern 7 kann auch aus anderen geeigneten Materialien bestehen, die in der Lage sind, ein magnetisches Feld und in jedem Frequenzbereich arbeitend, aufzubauen.
3 zeigt in sich die 1, wobei die Magnetspu le im konzentrischen Aufbau ausgeführt ist, d. h. die Doppelleitbahn bestehend aus den Leiterschleifen 1 und 2 die parallel zu den Leiterschleifen 1' und 2' der Doppelleitbahn zueinander geschaltet sind. Die Anordnung ist beispielhaft. Je nach definierter Magnetleistung werden weitere Doppelleitbahnen mit den Leiterschleifen, wie vor beschrieben, auf ein und die selbe Ebene gelegt, wobei die Anschlüsse parallel zueinander angeschlossen werden. Jeweils zwischen den Leitbahnen befindet sich eine kapazitive Schicht 6 (Dielektrikum)
6 zeigt in sich die 1 und die Schichten, auf denen sich die Doppelleitbahn mit den Leiterschleifen 1, 2, die durch eine kapazitive Schicht 6 getrennt sind, befindet, wobei die Ebenen übereinander gelegt werden. Die Anschlüsse der Leiterschleifen über die Anschlusspads Lp1, Lp2 erfolgen ebenfalls parallel zueinander, über welchen der Stromkreis geschlossen wird. Die Anzahl der Ebenen richtet sich jeweils nach der definierten Magnetfeldstärke, die für den jeweiligen Anwendungsfall erzeugt werden muss.
Die Magnetspule 9 besteht aus einer Doppelleitbahn mit den Leiterschleifen 1 und 2 (1) oder mehreren Doppelleitbahnen, wobei jeweils die Leiterschleifen mit gleicher Anschlusspolarität verbunden sind. Die Leiterschleifen sind jeweils durch eine kapazitive Schicht 6 voneinander getrennt. Zwischen den Leiterschleifen mit unterschiedlicher Polung fließt der Strom mit Niedrigfrequenz bis zur Hochfrequenz, je nach präzisiertem Anwendungsfall. Die Anzahl der Doppelleitbahnen ist abhängig von dem Anwendungsfall und vom Zielwert der magnetischen Induktion. Die Anordnung der Leitbahnen gemäß 2 erfolgt flächenpa rallel, hintereinander auf einer Ebene und zwar so, dass eine Doppelleitbahn von der nächsten Doppelleitbahn durch ein Isoliersubstrat und/oder eine Dielektrikumsschicht elektrisch voneinander getrennt ist. Der Anschluss der Leiterschleifen erfolgt parallel zueinander. Bei der Anwendung handelt es sich nur um eine Ebene. Die Anordnung der Doppelleitbahnen gemäß 6 erfolgt ebenenweise übereinander, wobei die Leitschleifen phasengleich parallel, aber die Stromausgänge und -eingänge an den unterschiedlichen Leiterschleifen, übereinander an den Anschlusspad angeschlossen werden.
Für die 1 bis 6 gilt, dass die Stromeingangskopplung und Stromausgangskopplung Lp1 und Lp2 jeweils an unterschiedlichen Leiterschleifen angeschlossen sind, aber die gleichen Leitschleifen vom Phasenanschluss her betrachtet, sind bei der konzentrischen Magnetspule und bei mehrlagigen Magnetspulen parallel geschaltet.
7 zeigt einen Strom- und Spannungswandler mit den bereits vorbeschriebenen Magnetspulen und zwar in der gleichen Anordnung wie die 1 bis 6, allerdings mit der Maßgabe, dass zwischen den Ebenen keine Durchkontaktierung erfolgt ist.
Die untere Ebene zeigt den Stromeingang U1 und I1, wobei die Leiterschleifen ebenfalls galvanisch und kapazitiv voneinander getrennt sind. Die Eingangsebene kann entsprechend den technischen, elektrischen Vorgaben mit einer Vielzahl von Doppelleitbahnen versehen werden, die wiederum parallel zueinander geschaltet sind. Gleiches gilt für die zweite Ebene.
Über die zweite Ebene, die nicht durch eine Durchkon taktierung direkt mit der ersten Ebene miteinander verbunden ist, sondern nur über die sich aufbauenden elektrischen Felder erfolgt der Stromausgang U2 und I2 zu den technischen Anschlüssen. An dieser Stelle erfolgt die Strom- und Spannungswandlung, allerdings im kapazitiven Bereich, d. h. die elektrischen Widerstände (Blindwiderstände) sind ebenfalls sehr gering. Es werden keine elektrischen Bauelemente wie Kondensatoren, Widerstände und Drahtspulen im herkömmlichen Sinne benötigt.
Beispiel
Es wird eine Magnetspule nach der Erfindung in Zweiebenenanordnung hergestellt. Die beiden Ebenen sind durch eine Dielektrikumsschicht getrennt (5 und 6). Zunächst wird eine Planarspule in Rechtspiralform aus Cu auf einem Aluminiumträgersubstrat mittels Siebdruck und nachträglichem Einbrand aufgebracht. Die Spirale ist an einem Ende mit einem Anschlusspad für die Weiterkontaktierung versehen. Auf die Cu-Rechteckspirale wird eine Dielektrikumspaste gedruckt und anschließend eingebrannt. Im folgenden Herstellungsschritt wird eine zweite Cu-Rechteckspule mittels Siebdruck und Einbrand auf die Dielektrikumsschicht aufgebracht. Diese besitzt gleichfalls ein Anschlusspad. Diese zweite Rechteckspiralspule ist zur ersten Rechteckspiralspule kongruent, mit Ausnahme der Anschlusspads, die für das Anlöten der Zuleitungen freiliegend zugänglich bleiben.

Die geometrischen Daten sowie die Eigenschaften der Magnetspule sind in Tabelle 1 für eine spule der Geometrie nach 8a zusammengestellt. Zum Vergleich sind die Eigenschaften einer Spule mit identischer Geometrie ohne dielektrische Zwischenschicht und kon taktiert an den beiden Enden der Leiterschleife, in konventioneller Betriebsart, mit angegeben. Geometriedaten

Windungszahl	Leitbahnbreite w	Leitbahnabstand s	Leitbahndicke	Spezifischer elektrischer Widerstand	Dicke des Dielektri kums	Relative Dielektrizitätszahl
20	300 μm	300 μm	10 μm	1,78E-08 Ohm m	10 μm	200

Elektrische Kenndaten der Spule

Arbeitsfrequenz	Strom bei I V		Impedanz		Phasenwinkel
	Nach der Erfindung	konventionell	Nach der Erfindung	konventionell	Nach der Erfindung	konventionell
177 kH	0,3 A	0,036 A	3,3 Ohm	27 Ohm	0°	82°

Tabelle 1
Bei der erfindungsgemäßen Spule fließt bei der Arbeitsfrequenz von 177 kHz und einer Ansteuerspannung von 1 V eine Stromstärke von 0,3 A. Dieser Wert ist im Vergleich zu einer Spule gleicher Geometrie nach dem Stand der Technik um den Faktor 10 größer. Damit kann nach der Erfindung gleichzeitig eine um den Faktor 10 höhere magnetische Induktion erzielt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Handbuch der Leiterkartentechnik Band 4, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, Herausgeber W. Jillek, G. Keller, 2003, ISBN 3-87480-184-5 [0002]
- Handbuch der Leiterkartentechnik Band 4, Eugen G. Leuze Verlag, Bad Saulgau, Herausgeber W. Jillek, G. Keller 2003, ISBN 3-87480-184-5 [0003]

Claims

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