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Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, insbesondere eine Spule mit einem Stromleiter, der einen einheitlichen Werkstoff aufweist und sowie Wicklungen zur Bildung eines Induktionsfeldes umfasst.
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Aus der
DE 10 2001 005 165 A1 ist eine Spule mit einem elektrisch leitendem Draht bekannt, der in einer Vielzahl von Windungen zu einer Wicklung ausgewickelt ist. Die Wicklung umfasst eine in eine Richtung (x, xhafa) verlaufende Wickelachse. Die Wicklung weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf.
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Zur Herstellung der Wicklungen werden im Stand der Technik überwiegend Kupfer (Cu)-oder Aluminiumleiter (Al) verwendet. Wicklungen aus Kupfer machen das elektrische Bauelement im Verhältnis zu Wicklungen aus Aluminium schwerer, teurer und kleiner im Volumen. Die Verlustleistung eines mit Kupfer umwickelten magnetischen Kernes ist jedoch bei gleichem Bauvolumen geringer als im Fall von Aluminium-Wicklungen.
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Umfassen die Wicklungen des elektronischen Bauelements überwiegend Aluminium, so ist das elektronische Bauelement im Verhältnis zu Kupferwicklungen leichter und preiswerter, wenn man die allgemeinen Preisentwicklungen bei Kupfer und Aluminium zu Grunde legt. Weiter zeichnet es sich durch ein vergleichsweise größeres Volumen aus. Die Verlustleistung von Aluminiumwicklungen ist größer als bei Wicklungen aus Kupfer.
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Im Folgenden wird das elektronische Bauelement als Drossel bezeichnet.
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Die Konzeption bekannter Drosseln gestaltet sich schwierig, da eine verlustarme Drossel vielfach ein zu großes Volumen aufweist und darüber hinaus vergleichsweise schwer ist. Die verlustleistungsarme Drossel kann daher vielfach nicht in den zur Verfügung stehenden Bauraum eingepasst werden.
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Eine vom Volumen und vom Gewicht her kleinere Drossel ist jedoch durch eine höhere Verlustleistung gekennzeichnet und erfordert daher eine zusätzliche Lüftung zur Kühlung. Im Stand der Technik bekannte Drosseln verwenden in der Regel Wicklungen aus Kupfer oder solche aus Aluminium.
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In der vorliegenden Beschreibung werden Wicklungen mit Windungen und/oder Adern gleichgesetzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein elektronisches Bauelement bereitzustellen, das optimaler an die jeweiligen Anforderungen und Gegebenheiten des Einsatzortes und des Einsatzzweckes angepasst ist.
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Die Erfindung sieht ein elektrisches Bauelement, insbesondere eine Drossel mit einer Spule vor. Die Spule umfasst dabei einen in der Regel mechanischen Kern, der von einem Stromleiter umwickelt ist. Bei einer Luftdrossel besteht der Kern aus Luft.
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Die Erfindung versteht unter dem Begriff Spule Wicklungen und/oder Wickelgüter, die ein Magnetfeld erzeugen können. Die Spulen dienen dabei als Teil eines elektrischen Bauelements wie z. B. einer Drossel, eines Transformators oder eines Überträgers.
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In der Regel umfasst die Spule eine Wicklung eines Stromleiters aus Draht, Folie, Litze, Kabel, versilbertem Kupferdraht oder einer Hochfrequenzlitze. Lack ist eine Isolation.
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Die Wicklung ist auf einen Spulenkörper gewickelt.
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Der Spulenkörper ist in der Regel ein magnetischer Kern. Es sind Spulen bekannt, bei denen der Wickelkörper fehlt oder ein nicht magnetisches Material umfasst. Beispielhaft und im Weiteren wird hier jedoch davon ausgegangen, dass die Spule einen magnetischen Kern aufweist.
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Ein wesentliches Merkmal der Spule ist die definierte Induktivität. Die Erfindung versteht darunter eine elektrische Eigenschaft eines stromdurchflossenen Bauteils, bei der auf Grund einer Änderung des elektrischen Stromes ein Magnetfeld erzeugt wird. Die Induktivität ergibt sich aus der Anzahl der Windungen der Spule sowie aus dem von der Spule umschlossenen Material und dessen Abmessungen. Wird der Stromleiter von einem sich kontinuierlich ändernden Strom durchflossen, so entsteht um den Stromleiter ein sich kontinuierlich ändernder magnetischer Fluss.
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Beispielhaft und in keiner Weise ausschließlich wird als Werkstoff zur Herstellung der Wicklung des Stromleiters Kupfer oder Aluminium verwendet.
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Kupfer (Cu) ist als Werkstoff vergleichsweise weich und dadurch gut formbar und zäh. Kupfer ist ein hervorragender Wärme- und elektrischer Leiter.
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Aluminium (Al) hat einen höheren spezifischen Widerstand als Kupfer und hat damit einen geringeren elektrischen Wirkungsgrad. Im Vergleich zu Kupfer ist Aluminium jedoch voluminöser. Im direkten Vergleich ist Kupfer in der Reaktion träger als Aluminium. Kupfer ist – abhängig vom Härtegrad – zudem leichter zu verarbeiten.
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Stromleiter aus Aluminium werden vorzugsweise dann eingesetzt, wenn der Stromleiter besonders leicht sein muss oder spezielle mechanische Eigenschaften wie z. B. eine erhöhte Festigkeit aufweisen soll, was vom Härtegrad abhängig ist. Die Wahl des Werkstoffs des Stromleiters hat somit maßgeblichen Einfluss auf den Aufbau, die Funktion und die Herstellungskosten des elektrischen Bauelements.
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Neben Aluminium und Kupfer können die gewickelten Stromleiter auch aus anderen leitfähigen Elementen wie z. B. Gold, Silber oder einer Legierung aus Metallen bestehen. Rein beispielhaft wird im Folgenden von Aluminium und Kupfer ausgegangen.
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Die Erfindung sieht dazu vor, dass der Stromleiter zumindest zwei Wicklungen aufweist, von denen die eine aus Kupfer und die andere aus Aluminium gefertigt ist.
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Werden Wicklungen aus Kupfer und Wicklungen aus Aluminium verwendet, so hat dies den Vorteil, dass ein Stromleiter entsteht, der die Vorteile beider Elemente Kupfer und Aluminium in sich vereint. Je nachdem, welche der jeweiligen Vorteile für die Gestaltung der Spule im Einzelfall erforderlich ist, kann ein Verhältnis einer Wicklung aus Kupfer zu einer Wicklung aus Aluminium festgelegt werden.
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Die Wicklungen des elektrischen Bauteils können zwei oder mehr Adern umfassen. Die eine Ader kann aus Aluminium gefertigt sein, wogegen der Werkstoff der zweiten Ader im Wesentlichen Kupfer ist.
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Es ist jedoch auch möglich, dass der um den Kern gewickelte Stromleiter eine Vielzahl von Wicklungen umfasst und in Abhängigkeit von Aufbau und Funktion der elektrischen Einrichtung, die die Spule mit ihren Wicklungen aufnimmt, können z. B. drei Adern aus Kupfer und zwei Adern aus Aluminium miteinander kombiniert werden. Es ist jedoch auch denkbar, alternativ zwei Kupfer-Adern mit drei Aluminium-Adern oder eine Kupfer-Ader mit vier Aluminium-Adern zu kombinieren. Die genannten Kombinationen sind in keiner Weise ausschließlich, sondern rein exemplarisch gemeint.
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Die Erfindung stellt ein elektrisches Bauelement bereit, das einen Stromleiter aufweist, dessen magnetischer Kern mit wenigstens zwei Wicklungen umwickelt ist. Indem jede Wicklung aus einem gesonderten Werkstoff gefertigt ist, kann das Bauelement gezielt auf die jeweils erforderliche Induktivität abgestimmt werden. Das Verhältnis der Wicklung aus einem ersten Werkstoff zur Wicklung aus einem zweiten Werkstoff bestimmt den ohm'schen Widerstand, somit die Induktivität des elektronischen Bauelements. Je nach dem Maß der gewünschten Induktivität kann das Verhältnis der Wicklung der jeweiligen Werkstoffe kombiniert werden. Durch das Verhältnis der Anzahl der jeweiligen Wicklungen zueinander kann gezielt der Vorteil des einen oder des anderen Werkstoffs betont werden. Wodurch bei der Auslegung z. B. einer Spule weniger Kompromisse eingegangen werden müssen. In Abhängigkeit der Anforderungen, die an das elektrische Bauelement gestellt werden, kann eine Spule bereitgestellt werden, die den Anforderungen in Bezug auf ihr Gewicht und/oder ihre Herstellungskosten und/oder ihre Verlustleistung exakt entspricht.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wicklung als Werkstoff Kupfer oder Aluminium oder Gold oder Silber oder ein anderes elektrisch leitendes Material umfasst, wobei auch hier zumindest zwei getrennte Wicklungen aus zumindest je einem anderen Material bestehen. Der gezielte Einsatz von Wicklungen bietet den Vorteil, dass Wicklungen von besonderer Bruchfestigkeit, gesteigerter Härte und Dehnungsfähigkeit eingesetzt werden können.
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In einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Breite und/oder die Höhe der Wicklungen jeweils gleich ist. Hierdurch lässt sich eine besondere Festigkeit der Wicklungen zueinander herstellen und gleichzeitig kann bei der Konzeption des elektrischen Bauelements Rücksicht auf die erforderliche Breite oder Höhe der Spule genommen werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass sich Wicklungen mit voneinander abweichenden Werkstoffen im Verhältnis der Fläche aus Breite und Höhe unterscheiden. Die Ausführungsform erleichtert die Wicklung der einzelnen Adern um den Kern. Zusätzlich wird die Induktivität der Spule erhöht.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wicklungen über ihre gesamte Länge stofflich, mechanisch und elektrisch gegeneinander isoliert sind. Die einzelnen Wicklungen sind lediglich an ihren beiden Enden mit den elektrischen Anschlüssen des elektrischen Bauteils verbunden. Die Isolierung der einzelnen Adern gegeneinander macht eine weitere Isolierung überfüllig, die die aus einem Werkstoff gefertigten Adern gegen die aus dem anderen Werkstoff gefertigten Adern isoliert.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Adern der Wicklung parallel zueinander verlaufen. Darüber hinaus ist vorstellbar, dass die Adern der Spule in flacher Spiralform und/oder mit rechteckigem oder beliebig anders geformten Spulenquerschnitt verlaufen. Alternativ können die Adern direkt auf einer Leiterplatte angeordnet sein.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass eine Ader des Stromleiters als Folie, als Band, als Litze oder als Kabel ausgebildet ist. Die Aufzählung ist nur beispielhaft und in keiner Weise ausschließlich gemeint. Es ist auch möglich, mehrere gegeneinander isolierte Adern zusammenzufassen, so dass ein Stromleiter in Form eines Kabels vorliegt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kern ein Magnet ist. Der Kern kann seinerseits einen elektrischen Leiter wie z. B. Kupfer oder Aluminium umfassen. Ebenso ist vorstellbar, dass ein Eisenkern Verwendung findet, dessen ferromagnetische Eigenschaften die magnetische Flussdichte in der Spule erhöht. Der Kern kann auch Luft umfassen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.
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Hierbei zeigt:
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1 beabstandet drei Ausführungsformen eines Stromleiters mit Adern unterschiedlichen Werkstoffes.
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In 1 sind drei Ausführungsformen a; b; c eines Stromleiters 1 dargestellt, bei denen die Adern zwei jeweils durch eine Isolation 4 gegeneinander isoliert sind.
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Es ist ein weiterer Isolator 5 dargestellt, der die gesamte Wicklung 6 (nicht gezeigt) gegen einen Kern 7 isoliert.
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Die Stromleiter 1 der Ausführungsformen a; b; c weisen jeweils Wicklungen 2 auf, die jeweils unterschiedliche Werkstoffe 8 umfassen. Beispielhaft sind Wicklungen 2 dargestellt, die aus Kupfer 8; 9 gefertigt sind und weitere Wicklungen 2, die aus Aluminium 8; 10 hergestellt sind.
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Die Anordnung der Kupfer-Wicklungen 2; 9 zu den Aluminium-Wicklungen 2; 10 ist in den Ausführungsformen a bis c beispielhaft dargestellt.
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In der Ausführungsform a sind jeweils Kabel 11 vorgesehen, die in ihrem Querschnitt runde Wicklungen 12 gleichen Werkstoffes 8 zusammenfassen. Die Wicklungen 12 sind in der Ausführungsform b des Stromleiters 1 nach Werkstoff 8; 9; 10 getrennt in Reihen, versetzt zueinander angeordnet.
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In der Ausführungsform b ist ein Stromleiter 1 dargestellt, der zwei im Querschnitt rechtwinklige Wicklungen 2; 13 aufweist. Innerhalb der Außenisolation 3 ist zunächst benachbart zum Kern 7 die Aluminium-Wicklung 13; 10 dargestellt. Auf der vom Kern 7 abgewandten Seite der Aluminium-Wicklung 13; 10 ist eine rechteckige Kupfer-Wicklung 13; 9 dargestellt. Beide rechteckigen Wicklungen 13; 9 und 13; 10 weisen in Bezug auf den Kern 7 die gleiche Breite auf. Die rechteckige Aluminiumwicklung 13; 10 überragt die rechteckige Kupfer-Wicklung 13; 9 in der Höhe 15.
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Ausführungsform c des Stromleiters 1 zeigt drei rechteckige Wicklungen 13, von denen zwei einen Aluminiumwerkstoff 10; 8 aufweisen und eine dem Kern 7 nahe rechteckige Wicklung 13 aus einem Kupfer-Werkstoff 9; 8 gefertigt ist. Die rechteckigen Aluminium-Wicklungen 13; 10 sind auf der vom Kern 7 abgewandten Seite der rechteckigen Kupfer-Wicklung 13; 9 angeordnet. In ihrer Breite 14 sowie ihrer Höhe 15 stimmen die rechteckigen Aluminium-Wicklungen 13; 14 mit der rechteckigen Kupfer-Wicklung 13; 9 in etwa überein.
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Bezugszeichenliste
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- a; b; c
- Ausführungsform des Stromleiters
- 1
- beabstandet Stromleiter
- 2
- Wicklung
- 3
- Außenisolation
- 4
- Isolation der Wicklung
- 5
- Isolator gesamt
- 6
- Wicklung
- 7
- Kern
- 8
- Werkstoff
- 9
- Kupfer
- 10
- Aluminium
- 11
- Kabel
- 12
- Wicklung mit rundem Querschnitt
- 13
- Wicklung mit rechteckigem Querschnitt
- 14
- Breite der Wicklung
- 15
- Höhe der Wicklung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102001005165 A1 [0002]
