-
Die Erfindung betrifft eine Ringspule mit mindestens einem Leiter, der schraubenlinienförmig um einen ringförmigen Kernbereich gewunden verläuft. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Herstellungsverfahren für eine derartige Ringspule.
-
Spulen finden insbesondere als Drosselspulen vielfältige Verwendung in der Leistungselektronik. In Wechselrichtern beispielsweise, die der Umwandlung von Gleichstrom in einen zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz geeigneten Wechselstrom dienen, werden Drosselspulen als Energiezwischenspeicher in Gleichspannungswandlern eingesetzt sowie als Teil von ausgangsseitigen Filtern.
-
Um die zur Energiespeicherung benötigten Induktivitätswerte zu erzielen, wurden bislang bevorzugt Drosseln mit einem Kern aus einem hoch permeablen Material, beispielsweise aus Eisen oder Ferit verwendet. Mit dem Einsatz zunehmend höherer Taktfrequenzen von Leistungshalbleitern in den Wechselrichtern kann bei den Drosselspulen zunehmend auf das hoch permeable Kernmaterial verzichtet werden und die Drosselspulen können als sogenannte Luftspulen ausgebildet werden. Zur Minimierung etwaiger magnetischer Streufelder werden dabei bevorzugt Ringspulen, auch Toroidspulen genannt, eingesetzt. Bei einer Ringspule wird mindestens ein Leiter schraubenlinienförmig um einen ringförmigen Kernbereich gewickelt. Der ringförmige Kernbereich kann beispielsweise die Form eines Torus haben, bei dem der Ring ebenso kreisförmig ist wie der Querschnitt des Kerns bei einem Schnitt des Rings in einer bezüglich des Rings radialen Richtung.
-
Ein Nachteil von Ringspulen gegenüber Spulen mit einem graden Kern, so genannten Stabspulen, ist, dass im inneren Bereich der Ringspule weniger Wickelraum für die Leiter zur Verfügung steht als im äußeren Bereich der Spule, bei dem der Kern einen größeren Umfang hat als im inneren Bereich.
-
Um den zur Verfügung stehenden Wickelraum bestmöglich auszunutzen, ist aus der Druckschrift
US 4,665,952 ein Ringkerntransformator bekannt, bei dem eine der Spulen als Ringspule ausgebildet ist mit einem Leiter, der aus zwei aufeinander gelegten Leitern mit jeweils quadratischen Querschnitt besteht. Im inneren Bereich der Ringspule liegen die beiden Teilleiter in radialer Richtung vom Mittelpunkt der Ringspule nach außen betrachtet hintereinander, wohingegen sie im äußeren Bereich nebeneinander verlaufen. Um eine derartige Spule zu erstellen, wird in der Druckschrift eine Wickelmaschine beschrieben, die in der Lage ist, beim Wickeln der Spule die beiden Teilleiter umeinander zu verdrillen. Die Wickelmaschine ist entsprechend mechanisch komplex und das Herstellungsverfahren ist bedingt durch die Komplexität der Wickelmaschine auf ausreichend große Leiterquerschnitte und Radien des Kerns beschränkt.
-
Mit steigender Frequenz verringert sich zudem die Eindringtiefe elektrischer Ströme in einem verwendeten Leitermaterial. Effektiv trägt damit nur noch ein Teil des verwendeten Leitermaterials zur Stromleitung bei. Die Verwendung von massiven Leitern (Vollleitern) führt in diesem Fall zu einem unnötig hohen Materialeinsatz, der mit erhöhtem Gewicht und mit zusätzlichen Kosten verbunden ist. Zudem erhöhen sich Verluste durch Wirbelströme bei der Verwendung von Vollleitern. Alternativ ist es bekannt, anstelle eines Vollleiters ein Bündel von gegeneinander isolierten Leiterlitzen zu verwenden, wodurch die Verluste durch Wirbelströme reduziert werden können. Allerdings ergeben sich bei Verwendung von einem Leiterlitzenbündel zusätzliche Schwierigkeiten in der Verarbeitung der Leiter, insbesondere aufgrund der die einzelnen Litzen gegeneinander isolierenden Isolationsschichten, die zu Problemen bei der Kontaktierung der Leiterlitzen auf Leiterplatten führen. Zudem sind die Leiterlitzen nicht formstabil, was die Erstellung einer Luftspule erschwert.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Ringspule zu schaffen, die für hohe Frequenzen geeignet ist, geringe Wirbelströme und geringe elektromagnetische Streufelder und einen im Hinblick auf das eingesetzte Leitermaterial geringen ohmschen Widerstand bei hohen Frequenzen aufweist. Zudem soll ein geringer Raumverbrauch, also eine hohe volumenspezifische Induktivität erzielt werden. Es ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von Luftspulen mit komplexen Geometrien zu schaffen, mit dem die zuvor genannten Luftspulen erstellt werden können.
-
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Ringspule und ein Verfahren zur Herstellung einer Ringspule mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Eine erfindungsgemäße Ringspule der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass der Leiter ein Hohlleiter ist, der an einer Außenseite des Kernbereichs eine erste Querschnittsfläche und an einer Innenseite des Kernbereichs eine zweite Querschnittsfläche aufweist, wobei sich die erste und die zweite Querschnittsfläche im Hinblick auf ihre Form, ihren Flächeninhalt und/oder ihre zum Kernbereich tangentiale Ausrichtung unterscheiden.
-
Durch die Ausbildung des Leiters als Hohlleiter wird der geringen Eindringtiefe des Stroms bei hohen Frequenzen Rechnung getragen. Das für die Spule verwendete Leitermaterial wird effektiv für die Stromleitung bei hohen Frequenzen genutzt, wodurch Material und Gewicht eingespart werden. Durch die unterschiedlichen Eigenschaften der Querschnittsfläche des Hohlleiters im Innen- und Außenbereich der Spule lässt sich der Hohlleiter optimal an die Form des Kernbereichs anpassen, wodurch der zur Verfügung stehende Wickelraum besonders gut ausgenutzt werden kann. Die Querschnittsflächen können sich dabei in verschiedener Hinsicht voneinander unterscheiden: bezüglich ihrer Form, ihrem Flächeninhalt oder, falls die Form grundsätzlich gleich ist, in ihrer Ausrichtung im Raum relativ zum Kernbereich.
-
Der ringförmige Kernbereich kann sich dabei entlang eines Kreises, einer Ellipse oder eines Ovals erstrecken. Auch in einer Richtung senkrecht zu seiner Erstreckung kann der Kern beispielsweise einen runden, ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweisen.
-
Die Ringspule kann als Luftspule ausgebildet sein, also keinen eigentlichen Kern aus einem magnetisch wirksamen Material aufweisen. Alternativ kann ein ringförmiger Kern vorgesehen sein, der den Kernbereich ganz oder teilweise ausfüllt. Bevorzugt wird ein Kernmaterial mit einer hohen magnetischen Permeabilität eingesetzt.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Ringspule hat die erste und die zweite Querschnittsfläche des zumindest einen Hohleiters eine rechteckige äußere Form mit Längsseitenflächen und relativ zu diesen schmaleren Querseitenflächen. Dabei ist der Hohlleiter derart tordiert, dass an der Innenseite des Kernbereichs die schmaleren Querseitenflächen und an der Außenseite des Kernbereichs die Längsseitenflächen des Hohlleiters an dem Kernbereich anliegen. Sowohl im inneren, als auch im äußeren Bereich der Ringspule können die einzelnen Windungen des Hohlleiters damit eng benachbart zueinander liegen, was Streufelder minimiert.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Ringspule ist das Verhältnis der Breiten der Längsseitenflächen zu den Querseitenflächen dem Verhältnis von einem äußeren zu einem inneren Durchmesser des Kernbereichs angepasst. Auf diese Weise kann der Wickelraum bestmöglich ausgefüllt werden.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Ringspule ist die erste Querschnittsfläche des Hohlleiters außen rechteckförmig und die zweite Querschnittsfläche des Hohlleiters außen trapezförmig. Bei dieser Ausgestaltung ändert sich Querschnittsform des Hohlleiters zwischen dem äußeren und dem inneren Bereich der Ringspule, um eine optimale Ausnutzung des Wickelraums zu erzielen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Ringspule sind die erste und die zweite Querschnittsfläche kreisringförmig, wobei die erste Querschnittsfläche einen größeren äußeren Durchmesser aufweist als die zweite Querschnittsfläche. Bei dieser Ausgestaltung wird nicht die Grundform oder Ausrichtung der Querschnittsfläche variiert, sondern die Dimensionierung. Auch auf diesem Weg kann der Wickelraum gut ausgefüllt werden.
-
In jedem Fall kann die Variation der Form oder der Dimensionierung des Hohlleiters so erfolgen, dass er entlang seiner Länge eine konstante Materialquerschnittsfläche aufweist, beispielsweise indem im Falle der kreisringförmigen Querschnittsfläche die Wandstärke des Hohlleiters umgekehrt proportional zum Durchmesser der Querschnittsfläche variiert. Es wird dadurch erreicht, dass der Hohlleiter entlang seiner Längserstreckung eine konstante Stromtragfähigkeit und einen konstanten Widerstand pro Längeneinheit aufweist.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Ringspule wechselt der Hohlleiter entlang seiner Längserstreckung periodisch in seiner Materialquerschnittsfläche zwischen der ersten und der zweite Querschnittsfläche. Bevorzugt erfolgt der Wechsel dabei in Form eines kontinuierlichen Übergangs. Die zuvor beschriebenen Vorteile der Querschnittsvariation gelten so für jede der Windungen. Die erfindungsgemäße Idee wird auf diese Weise mit größtmöglicher Effektivität für die gesamte Ringspule umgesetzt.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Ringspule verläuft in dem zumindest einen Hohlleiter ein weiterer Leiter. Bevorzugt ist der weitere Leiter ebenfalls ein Hohlleiter. Das Prinzip eines Leiters in einem Hohlleiter kann rekursiv weiter fortgesetzt werden, indem mehrere Hohlleiter z.B. konzentrisch ineinandergeschachtelt werden. Der Wickelraum kann so noch besser ausgenutzt werden. Es versteht sich, dass auch mehrere Leiter in dem zumindest einen Hohlleiter verlaufen können. Je nach Verschaltung des oder der Leiter bzw. Hohlleiter untereinander und mit dem mindestens einen umfassenden Hohlleiter sind damit verschiedenste elektrische Eigenschaften der Ringspule erzielbar, beispielsweise eine weiter erhöhte Induktivität durch Parallel- oder Reihenschaltung der Leiter, eine transformatorische Wirkung durch separaten Betrieb der Leiter oder auch eine dynamische Einstellbarkeit der Induktivität durch gezieltes Einspeisen von Kompensationsströmen in mindestens einen der Leiter bei Verwendung eines anderen der Leiter als Arbeitswicklung.
-
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Ringspule mit mindestens einem schraubenlinienförmig um einen torusförmigen Kernbereich gewunden Leiter, zeichnet sich dadurch aus, dass der mindestens eine Leiter in einem generativen Fertigungsverfahren, insbesondere additiv aufgebaut wird.
-
Ein geeignetes generatives Fertigungsverfahren ist beispielsweise ein Laser-Sinter- oder Laser-Aufschmelzverfahren, bei dem der Leiter aus einem Pulver, insbesondere einem Metallpulver, aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt dabei bevorzugt schichtweise, jedoch besonders bevorzugt nicht in Richtung der Längserstreckung des Leiters, sondern schichtweise im Hinblick auf die Ringspule.
-
Das generative Fertigungsverfahren ermöglicht die Herstellung von Ringspulen mit Leitergeometrien, die in konventionellen Verfahren nicht oder nur sehr aufwändig herstellbar sind. Dazu gehören insbesondere Ringspulen, bei denen der Leiter ein Hohlleiter ist und/oder entlang seiner Längserstreckung variierende Querschnitte aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit besonders zur Herstellung einer der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Ringspulen geeignet, aber nicht auf solche Ringspulen beschränkt.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden zudem Abstandselemente aus einem bevorzugt elektrisch isolierenden Material zwischen verschiedene Abschnitte des Leiters eingebracht. Bevorzugt werden die Abstandselemente additiv aufgebaut. Dabei können beispielweise keramische Materialien mit demselben Fertigungsverfahren wie der Leiter aufgebaut werden. Alternativ können insbesondere Kunststoffe für die Abstandselemente verwendet werden, die in einem 3-dimensionalen Druckverfahren aufgebaut werden können. Auf diese Weise können zwischen einzelnen Windungen des Hohlleiters elektrisch isolierende Abstandselemente eingebracht werden, durch die der Abstand der einzelnen Windungen zueinander weiter reduziert werden kann. Auch können Abstandselemente in einen Hohlleiter eingearbeitet werden, die der Fixierung und elektrischen Isolierung von weiteren Leitern, die in den Hohlleiter eingebracht sind, dienen. Grundsätzlich können die Abstandselemente auch aus demselben elektrisch leitenden Material wie der Leiter aufgebaut werden, sofern die Abstandselemente derart klein gegenüber den Dimensionen des Leiters dimensioniert werden, dass ihr Einfluss auf die elektromagnetischen Eigenschaften der Ringspule insgesamt vernachlässigbar ist.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
-
1 eine isometrische Ansicht einer Ringspule in einem ersten Ausführungsbeispiel;
-
2 eine isometrische Schnittansicht der Spule aus 1;
-
3 eine isometrische Ansicht einer isoliert dargestellten Windung der Spule aus 1 und
-
4 eine isometrische Ansicht auf eine Querschnittsfläche eines Hohlleiters einer Ringspule in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
-
1 zeigt eine Ringspule in einer isometrischen Darstellung in einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Spule weist einen Hohlleiter 1 auf, der schraubenlinienförmig um einen ringförmigen Kernbereich 2 gewunden verläuft. Der ringförmige Kernbereich 2 ist im darstellten Ausführungsbeispiel ein Torus, also ein Körper, der durch die Rotation einer kreisförmigen Querschnittsfläche des Kernbereichs um eine Achse entsteht, die außerhalb der Querschnittsfläche des Kernbereichs liegt. Im Resultat hat damit der ringförmige Kernbereich die Form eines zu einem kreisförmigen Rings gebogenen Stabs mit einer kreisförmigen Grundfläche.
-
Im Rahmen der Anmeldung kann anstelle eines kreisförmigen Kernbereichs auch ein Kernbereich ausgebildet sein, der die Form einer Ellipse oder eines Ovals oder eines beliebig anders geformten, ein zentrale Öffnung umlaufend umgebenen Körpers haben. In einer radialen Richtung, also einer Richtung die von der Mitte der zentralen Öffnung radial nach außen verläuft, kann der ringförmige Kernbereich ebenfalls eine andere Querschnittsfläche haben als die eines Kreises wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Neben einem kreisförmigen Querschnitt ist auch hier ein ovaler oder elliptischer Querschnitt bevorzugt. Grundsätzlich sind auch andere Querschnitte, beispielsweise in Form eines Vielecks möglich. Da der Hohlleiter jedoch der Form des Kernbereichs folgt, ist ein in seinem Querschnitt sich stetig verändernder runder Kernbereich günstiger als ein eckiger.
-
Bei der in 1 dargestellten Ringspule verläuft der Hohlleiter 1 in 18 Windungen um den Kernbereich 2 herum. Ein Anfang und ein Ende des Hohlleiters 1 treffen in einer der Windungen unmittelbar aufeinander. Am Anfang bzw. am Ende des Hohlleiters 1 geht dieser jeweils in einen senkrecht nach außen wegstehenden Anschluss 3 über, der jeweils mit Montage- und/oder Kontaktmitteln 4 versehen ist. Im gezeigten Beispiel sind die Montage- und/oder Kontaktmittel 4 durch eine Aussparung im Anschluss 3 gebildet. Die Ringspule ist somit für eine Schraubmontage und Schraubkontaktierung geeignet. Alternativ und/oder zusätzlich können Lötstifte, Lötflächen oder auch Steckkontakte für eine Leiterplattenmontage vorgesehen sein.
-
Der verwendete Hohlleiter 1 hat einen äußeren rechteckigen Querschnitt und ist derart tordiert, dass er im äußeren Bereich mit seiner Längsseitenfläche tangential am ringförmigen Kernbereich 2 anliegt und im inneren Bereich, zur zentralen Öffnung der Ringspule hin mit einer gegenüber der Längsseitenfläche schmaleren Querseitenfläche tangential am Kernbereich 2 anliegt.
-
Die Torsion des Hohlleiters 1 ist anhand von 2 deutlicher zu erkennen. 2 zeigt die Ringspule der 1 in einer isometrischen Schnittdarstellung, wobei der Schnitt in der lateralen Symmetrieebene des ringförmigen Kernbereichs ausgeführt ist. Der Kernbereich 2 ist in der 2 durch seine umlaufende kreisförmige Mittellinie dargestellt. Die dargestellte Mittellinie des Kernbereichs 2 gibt die Trajektorie des Mittelpunkts des Kreises an, der bei seiner Drehung um die zentrale Achse den ringförmigen Kernbereich 2 bildet.
-
In dem Schnittbild der 2 ist im äußeren Bereich eine erste Querschnittsfläche 10 und in inneren Bereich eine zweite Querschnittfläche 11 des Hohlleiters 1 zu erkennen. Beide Querschnittflächen 10, 11 sind rahmenförmig, gebildet von Längsseitenfläche 12 und 14 des Hohlleiters 1 und gegenüber den schmaleren Querseitenfläche 13 und 15. Längs- und Querseitenfläche 12 bis 15 weisen eine gleiche Wandstärke 16 auf.
-
Im Verlaufe eines jeden der in der 2 dargestellten halben Windungsabschnitte ist der Hohlleiter 1 um etwa 90° in sich g ewunden (tordiert). Als Folge verläuft im Außenbereich der Ringspule die breitere Längsseitenfläche 12, 14 tangential zum Kernbereich, wohingegen die Querseitenfläche 13, 15 im Wesentlichen radial nach außen verlaufen. Im inneren Bereich der Ringspule verlaufen dagegen die Längsseitenflächen 12, 14 im Wesentlichen radial, wohingegen die Querseitenflächen 13, 15 tangential zum Kernbereich verlaufen. Sowohl im inneren, als auch im äußeren Bereich der Ringspule liegen die einzelnen Windungen des Hohlleiters 1 damit eng benachbart zueinander, was Streufelder minimiert.
-
3 zeigt ebenfalls in einer isometrischen Ansicht nochmals eine Windung des Hohlleiters 1 der Ringspule der 1 und 2 isoliert von den anderen Windungen dargestellt. Auch hier ist deutlich die Torsion um insgesamt 180° bei einer Windung des Hohlleiters 1 erkennbar. Alternativ kann die Torsion des jeweils oberen und unteren halben Windungsabschnitts um 90° auch gegensinnig ausgeführt werden, so dass für einen Windungsabschnitt insgesamt eine Drehung um 0° pro Windungsabschnitt resultiert.
-
In einer Weiterbildung der dargestellten Ringspule kann vorgesehen sein, ein Kühlmittel durch den Hohlleiter zu führen. Dazu können im Bereich der Anschlüsse 3 der Ringspule entsprechende Kühlmittelanschlüsse vorgesehen sein. Als Kühlmittel kann Luft oder ein anderes Gas oder auch eine Kühlflüssigkeit, beispielsweise entionisiertes Wasser, verwendet werden.
-
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Ringspule. In 4 ist wiederum in ähnlicher Art wie in 3 nur eine Windung der Ringspule dargestellt. Im Gesamtaufbau ist die Ringspule der 4 ähnlich zu der in den 1 und 2 wiedergegebenen ausgebildet.
-
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Hohlleiter 1 bezüglich seines äußeren wie auch seines inneren Querschnitts rechteckförmig, so dass sich eine im Wesentlichen rahmenförmige Querschnittsfläche ergibt. Durch das Innere des Hohlleiters 1 sind weitere Leiter 5, hier drei weitere Leiter 5, geführt. Diese weiteren Leiter 5 können wie in der 4 dargestellt, Vollleiter (massive Leiter) sein. Es ist aber auch denkbar, dass die weiteren Leiter 5 ebenfalls als Hohlleiter ausgebildet sind, beispielsweise ausgebildet als Rohr mit einem äußeren und einem inneren kreisförmigen Querschnitt. In den weiteren Leitern können dann wiederum noch weitere Leiter angeordnet sein, beispielsweise ebenfalls Hohlleiter, die konzentrisch in den weiteren Leitern verlaufen.
-
Die weiteren Leiter 5 können parallel geschaltet sein und durch ein hier nicht sichtbares Isolationsmittel voneinander elektrisch isoliert innerhalb des Hohlleiters 1 positioniert und fixiert sein. Die weiteren Leiter 5 können einzeln aus der Ringspule herausgeführt und extern verschaltet werden. Es ist auch denkbar, dass die weiteren Leiter 5 untereinander und/oder mit dem Hohlleiter 1 bereits innerhalb der Ringspule verschaltet sind, beispielsweise parallel geschaltet oder in Serie geschaltet oder teils parallel und teils in Serie geschaltet. Dabei sind auch Verschaltungsoptionen denkbar, bei denen der Hohlleiter 1 als Abschirmung für die weiteren Leiter 5 dient.
-
Bei den in den 1 bis 4 dargestellten Ringspulen hat der Hohlleiter 1 einen äußeren rechteckigen und einen inneren rechteckigen Querschnitt. Alternativ kann eine Ringspule auch einen Hohlleiter aufweisen, der innen und außen einen kreisförmigen Durchmesser hat.
-
Bei den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen ändert sich entlang des Hohlleiters die Ausrichtung der Querschnittsfläche, ohne dass sich jedoch die Grundform der Querschnittsfläche verändert. Auch die Wandstärke ändert sich entlang des Hohlleiters nicht. Bei einer erfindungsgemäßen Ringspule kann jedoch auch vorgesehen sein, dass sich entlang des Hohlleiters 1 dessen äußere und/oder innere Form der Querschnittsfläche verändert, beispielsweise derart, dass die erste, außen liegende Querschnittsfläche des Hohlleiters rechteckig ist und die zweite, im inneren Bereich der Ringspule liegende Querschnittsfläche des Hohlleiters trapezförmig ist. Die beiden Grundformen rechteckig und trapezförmig gehen dann im Verlauf des Hohlleiters vom Außenbereich zum Innenbereich kontinuierlich ineinander über. Der Wechsel zwischen diesen Grundformen erfolgt dabei periodisch, so wie sich die Ausrichtung der rechteckigen Querschnittsfläche beim Ausführungsbeispiel der 1 bis 4 periodisch und kontinuierlich durch die Torsion des Hohlleiters 1 verändert.
-
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, dass sowohl die erste als auch die zweite Querschnittsfläche kreisringförmig sind, wobei die erste, im äußeren Bereich der Ringspule liegende Querschnittsfläche einen größeren äußeren Durchmesser aufweist als die zweite Querschnittsfläche, die im Innenbereich der Spule liegt. Dabei ändert sich jedoch die Wandstärke des Hohlleiters periodisch derart, dass der Hohlleiter bei einem kleineren äußeren Durchmesser eine größere Wandstärke hat als bei größerem äußerem Durchmesser. Das Zusammenspiel von äußerem Durchmesser und Wandstärke kann dabei derart erfolgen, dass der Hohlleiter an jeder Stelle entlang seiner Länge die gleiche Materialquerschnittsfläche aufweist. Die für die Stromleitung zur Verfügung stehende Fläche ist also entlang des gesamten Hohlleiters gleich groß.
-
Grundsätzlich kann die Herstellung einer der zuvor beschriebenen Ringspulen in einer konventionellen Wickeltechnik erfolgen. Der Hohlleiter kann dabei mit einem flüssigen oder gasförmigen Medium druckbeaufschlagt werden, um ein Kollabieren des Hohlleiters beim Wickelvorgang zu verhindern. Alternativ ist es auch denkbar, ein granulares oder festes Medium, beispielsweise einen aushärtenden Kunststoff, zu diesem Zweck in den Hohlleiter einzubringen. Ein eingebrachter Feststoff oder nach dem Einbringen ausgehärteter Stoff kann durch Temperaturänderung und/oder ein chemisches Lösungsmittel nach dem Wickelvorgang wieder entfernt werden.
-
Mit steigender Komplexität der Wickelgeometrie, insbesondere wenn sich der Querschnitt des Hohlleiters periodisch ändert und unter Umständen grundsätzlich unterschiedliche Formen annimmt, ist eine konventionelle Fertigung, bei der der Leiter zuvor erstellt und dann in einem Wickelvorgang zur Spule gewickelt wird, nicht mehr möglich.
-
Erfindungsgemäß sieht ein Herstellungsverfahren für eine Ringspule mit einer gegebenenfalls komplexen Geometrie vor, die Spule in einem generativen Fertigungsverfahren, insbesondere in einem additiven Fertigungsverfahren herzustellen. Als ein generatives Fertigungsverfahren wird ein Verfahren angesehen, bei dem ein Objekt nicht durch mechanische Umformung erzeugt wird, sondern in der gewünschten Form meist Schicht für Schicht aufgebaut wird. Generative Fertigungsverfahren finden beispielsweise im Bereich des „rapid prototyping” Anwendung.
-
Zur Erstellung einer Ringspule in einem derartigen generativen Herstellungsverfahren wird die Spule Schicht für Schicht aufgebaut und zwar bevorzugt nicht entlang der Längserstreckung des Leiters, sondern Schicht für Schicht in einer Ebene, die parallel zur lateralen Ersteckungsebene des kernförmigen Bereichs der Ringspule liegt.
-
Als geeignetes additives Verfahren kann beispielsweise ein Lasersinter-Verfahren (z.B. Direct Metal Sintering – DMLS oder Selective Laser Sintering – SLS) oder ein Laser-Aufschmelzverfahren (Selective Laser Melting – SLM) verwendet werden. Bei diesen Verfahren werden der Leiter und gegebenenfalls Anschlüsse der Ringspule, ein Kern oder weitere Leiter aus einem Metallpulver Schicht für Schicht aufgebaut. Das Pulver wird dazu großflächig aufgetragen, beispielsweise in einem Rakelverfahren, und dann lokal an den Stellen, an denen nachher der Leiter, ein Anschluss oder ein weiterer Leiter ausgebildet sein sollen, durch lokale Hitzeanwendung mithilfe eines Laserstrahls mit der unterliegenden, bereits aufgebauten Schicht verbunden. Leiter, auch Hohlleiter mit beliebigen Querschnitten, auch sich kontinuierlich verändernden Querschnitten, können auf diese Weise aufgebaut werden. Auch Ringspulen mit ineinander verlaufenden Hohlleitern lassen sich fertigen.
-
Weitere geeignete generative Fertigungsverfahren sind ein selektives Aufschmelzen durch einen Elektronenstrahl (Selective Electron Beam Melting – SEBM) oder das Laserauftragsschweißen.
-
Das Verfahren zum Aufbau des Hohlleiters, also beispielsweise das Lasersinter- oder Laser-Aufschmelzverfahren, kann mit einem Verfahren zum schichtweisen abscheiden von nicht leitenden Elementen, insbesondere Kunststoffen, beispielsweise einem drei-dimensionalen Druckverfahren kombiniert werden, um in die Ringspule zwischen den einzelnen Windungen des Hohlleiters elektrisch isolierende Abstandselemente einzubringen. Auf gleiche Weise können Abstandselemente in den Hohlleiter eingearbeitet werden, die der Fixierung und elektrischen Isolierung von weiteren Leitern, die in den Hohlleiter eingebracht sind, dienen.
-
In dem Hohlleiter und/oder den Anschlüssen sowie gegebenenfalls weiteren, im Hohlleiter verlaufenden Leitern kann auch ein den Kernbereich ganz oder teilweise ausfüllender Kern in einem generativen Herstellungsverfahren gefertigt werden. Beim Herstellen der Ringspule „wächst“ dann der Kern mit dem ihn später umgebenden Hohlleiter.
-
Bei Herstellung in einem generativen Verfahren können gezielt Durchbrüche in dem Hohlleiter 1 eingearbeitet werden, um bei dem Herstellungsverfahren nicht gesintertes oder aufgeschmolzenes Metallpulver, aus dem der Hohlleiter 1 gebildet ist, leichter aus dem Hohlleiter entfernen zu können. Die Durchbrüche in den Wandungen des Hohlleiters können zudem einer besseren Kühlung durch einen Luftstrom dienen.
-
Es versteht sich, dass die anmeldungsgemäßen Ringspulen auch in Form eines Transformators aufgebaut werden können, bei dem mehrere Leiter um einen gemeinsamen Kernbereich gewunden sind.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Hohlleiter
- 2
- Kernbereich
- 3
- Anschluss
- 4
- Montage- und/oder Kontaktmittel
- 5
- weiterer Leiter
- 10
- erster Querschnitt
- 11
- zweiter Querschnitt
- 12, 14
- Längsseitenflächen
- 13, 15
- Querseitenflächen
- 16
- Wandung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
