DE102017204949A1

DE102017204949A1 - Induktives Bauelement und Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements

Info

Publication number: DE102017204949A1
Application number: DE102017204949.9A
Authority: DE
Inventors: Martin Grübl
Original assignee: Sumida Components and Modules GmbH
Current assignee: Sumida Components and Modules GmbH
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2017-03-23
Publication date: 2018-09-27
Also published as: US11955265B2; US20210280350A1; JP2020515075A; WO2018172004A1; CN110603615A; JP6911141B2; EP3602578A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein induktives Bauelement (1a) und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen induktiven Bauelements bereit. Das induktive Bauelement (1a) umfasst dabei eine Stromschiene (4a) und wenigstens einen Magnetkern (6a), der entlang eines Abschnitts der Stromschiene (4a) gebildet ist und die Stromschiene (4a) in dem Abschnitt wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine Magnetkern (6a) als ein kunststoffgebundener Magnetkern oder ein Kern aus magnetischem Zement gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein induktives Bauelement mit einer Stromschiene und ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements mit einer Stromschiene. Besondere Anwendungen der Erfindung betreffen ein Hochstromfilter mit einem solchen induktiven Bauelement.
Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) stellt heute ein unverzichtbares Qualitätsmerkmal von elektronischen Geräten dar. Dies zeigt sich besonders darin, dass EMV in nationalen Mitgliedstaaten der europäischen Union entsprechend einer bereits 1996 vom europäischen Gesetzgeber herausgegebenen EMV-Richtlinie in nationalen EMV-Gesetzen und - Verordnungen ihren Niederschlag gefunden hat, so dass neu in den europäischen Markt eingebrachte elektronische Geräte diese Richtlinien und Gesetze bezüglich EMV verbindlich einzuhalten haben.
Hierbei wird unter einem elektronischen Gerät nicht nur ein für den Endbenutzer bestimmtes gebrauchsfertiges Gerät verstanden, sondern es sollen auch elektronische Baugruppen mit eigener Funktion, die in Serie gefertigt werden und nicht ausschließlich für den Einbau in eine bestimmte ortsfeste Anlage oder ein bestimmtes für den Endbenutzer bestimmtes gebrauchsfertiges Gerät vorgesehen sind, unter den Begriff „Gerät“ fallen. Zwar sind elementare Bauelemente, wie Kondensatoren, Spulen und EMV-Filter von der derzeitigen EMV-Richtlinie ausgeschlossen, jedoch gilt dies nicht für Baugruppen, die sich aus elementaren Bauelementen zusammensetzen.
In einem Ansatz zur Erfüllung von EMV werden Störungen mittels geeigneter Filter gefiltert. In der Elektrotechnik wird hinsichtlich sogenannter leitungsbezogener Störungen zwischen Gegentaktstörungen und Gleichtaktstörungen unterschieden. Unter Gegentaktstörungen werden dabei Störspannungen und -ströme auf den Verbindungsleitungen zwischen elektrischen Baugruppen oder elektrischen Bauelementen verstanden, welche sich auf den Verbindungsleitungen gegensinnig ausbreiten und eigentliche Nutzsignale überlagern, die sich gleichsinnig mit den Nutzsignalen auf den Verbindungsleitungen ausbreiten. Demgegenüber werden unter Gleichtaktstörungen Störspannungen und -ströme auf den Verbindungsleitungen zwischen elektrischen Komponenten oder elektrischen Bauelementen verstanden, die sich mit gleicher Phasenlage und Stromrichtung, sowohl auf der Hinleitung, als auch auf der Rückleitung zwischen diesen Komponenten ausbreiten. Im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit erfolgt die Analyse und Vermeidung dieser Störungen.
Im Allgemeinen kann die Einkopplung von Gegentaktstörungen in Stromkreise durch induktive Kopplungen (zeitlich veränderliche magnetische Flüsse oder benachbarte Wechselstrom führende Leitungen) verursacht werden. In Fällen, in denen die Störungen andere Frequenzbereiche belegen, als die Nutzsignale, kann eine hinreichende Störunterdrückung durch den Einsatz entsprechender Filter, insbesondere Gegentaktfilter oder D-Mode-Drosseln, erzielt werden. Netzfilter umfassen beispielsweise Filterelemente gegen hochfrequente Gegentaktstörungen. Speziell in Hochstromanwendungen werden sogenannte Hochstromfilter eingesetzt, die speziell für die Entstörung in Hochstromanwendungen ausgelegt sind. Beispiele stellen Hochstromfilter zur Entstörung von Frequenzumrichtern, Leistungselektroniken und Sammelentstörungen bei hohen Leistungen in Windkraftanlagen und Industrieanlagen dar.
Bekannte Lösungen für D-Mode-Filter sind auf große Bauräume beschränkt und lassen lediglich einfache Stromschienengeometrien zu, wobei eine Fixierung der Stromschiene durch zusätzliche Bauteile zu erfolgen hat. Da in bekannten Herstellungsprozessen sehr viel von Hand durchzuführen ist, ist die industrielle Fertigung relativ kostenintensiv. Weiterhin richtet sich das Design der Stromschienen stark nach der Verbaubarkeit von D-Mode-Filtern, so dass konkrete Anwendungen im Design von Stromschienen berücksichtigt werden müssen und häufig zu Designkonflikten führen.
Aus der Druckschrift DE 10 2015 110142 A1 ist ein Stromschienenfilter zur Verwendung als ein EMV-Filter gezeigt, in dem mehrere miteinander verschaltete Induktivitäten und Kondensatoren an mehreren Stromschienen zur Filterung von Gegentaktstörungen vorgesehen sind. Hierbei sind einstückige oder aus I-Kernen zusammengesetzte Kerne, jeweils mit Luftspalt, auf Stromschienen aufgesetzt. Die Kerne sind aus einem weichmagnetischen Ferritmaterial gebildet.
Aus der Schrift DE 19721610 A1 ist eine Drosselbaugruppe für ein Stromrichtergerät bekannt, in dem eine Stromschiene und eine von Scheibenspulen umwickelte Kernanordnung in einem Gehäuse in einen Isolierverguss eingebettet ist.
Die Schrift DE 10 2007 007117 A1 offenbart ein induktives Bauelement, bei dem zwei Spulen gebildet aus jeweils einer Wicklung und jeweils einem Kern gebildet wird, die in einem Gehäuse mit einem magnetischen Füllmaterial vergossen sind, beispielsweise einem Plastoferritmaterial.
Angesichts der oben genannten Nachteile besteht ein Bedarf an einer Vereinfachung der industriellen Fertigung und einer größeren Flexibilität im Design bekannter D-Mode-Filter, sowie einer Reduzierung der Herstellungskosten.
Die oben genannten Probleme und Aufgaben werden gelöst durch ein induktives Bauelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements gemäß dem unabhängigen Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen davon sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 7 und 9 bis 10 definiert.
Die Erfindung schlägt z.B. als Lösung vor, die in bekannten D-Mode-Filter eingesetzten diskreten Kernelemente, beispielsweise ausgeführt als Klappkerne (insbesondere Klappferrite) oder Ring-/Rahmenkerne aus Metallpulver, durch kunststoffgebundene Kerne , die in Spritzgußtechnik oder Gußtechnik aus einem Plastoferritmaterial oder einem Kunststoff mit darin eingebetteten magnetischen Partikeln bereitgestellt werden, oder durch Magmentkerne zu ersetzen, die durch sogenannten magnetischen Zement oder „Magment“ gebildet werden, wobei magnetisch leitfähige Partikel in eine Zementmatrix eingebettet sind.
Dies erlaubt eine größere Freiheit im Design von Stromschienen, da hier Beschränkungen hervorgerufen durch eine erzwungene Rücksichtnahme auf die Verbaubarkeit der Kerne von D-Mode-Filter entfällt und eine Befestigung von Stromschienen in kunststoffgebundene Kerne leicht integriert werden können. Dadurch ist es möglich, neben komplexen Stromschienengeometrien bzw. komplexen Geometrien für Stromlinienformen, auch D-Mode-Filter für kompakte Bauräume in automatisierten Prozessen bereitzustellen. Neben der guten industriellen Herstellbarkeit werden daher auch Herstellungskosten gesenkt.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein induktives Bauelement mit einer Stromschiene und wenigstens einem Magnetkern bereitgestellt, der entlang eines Abschnitts der Stromschiene gebildet ist und die Stromschiene in dem Abschnitt wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine Magnetkern als ein kunststoffgebundener Magnetkern oder ein Kern aus magnetischem Zement gebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des induktiven Bauelements gemäß dem ersten Aspekt sind freiliegende Endabschnitte der Stromschiene in dem induktiven Bauelement gemäß einer ersten Ausführungsform hierin als Anschlusskontakte ausgebildet und wenigstens ein zwischen dem Magnetkern und einem Anschluss freiliegender Stromschienenabschnitt ist ferner zur elektrischen Verbindung mit einem Kondensator ausgebildet.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des induktiven Bauelements gemäß dem ersten Aspekt umfasst das induktive Bauelement gemäß einer zweiten Ausführungsform ferner ein Gehäuse, in das die Stromschiene wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei der wenigstens eine Magnetkern im Gehäuse als kunststoffgebundener Magnetkern in Kunststoffspritztechnik oder Kunststoffgusstechnik gebildet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des induktiven Bauelements gemäß dem ersten Aspekt umfasst das induktive Bauelement in einer dritten Ausführungsform ferner wenigstens einen zweiten Magnetkern, , der als ein kunststoffgebundener Magnetkern oder ein Kern aus magnetischem Zement gebildet ist und der die Stromschiene wenigstens teilweise umgibt, wobei die wenigstens zwei Magnetkerne entlang der Stromschiene in Reihe angeordnet sind und ein Stromschienenabschnitt zwischen je zwei Magnetkernen zur elektrischen Verbindung mit einem Kondensator ausgebildet ist.
In einer anschaulicheren Ausgestaltung der dritten Ausführungsform umfasst das induktive Bauelement ferner ein Gehäuse, in das die Stromschiene wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei die wenigstens zwei Magnetkerne im Gehäuse in voneinander getrennten Gehäuseabschnitten gebildet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des induktiven Bauelements gemäß dem ersten Aspekt ist, in dem induktiven Bauelement gemäß einer fünften Ausführungsform, der Magnetkern als ein kunststoffgebundener Magnetkern aus einem Plastoferritmaterial oder aus einem Kunststoffmaterial mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln gebildet.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Hochstromfilter mit wenigstens einem Kondensator und dem induktiven Bauelement gemäß dem ersten Aspekt bereitgestellt, wobei der wenigstens eine Kondensator mit der Stromschiene elektrisch verbunden ist.
In einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements bereitgestellt. Gemäß anschaulichen Ausführungsformen hierin umfasst das Verfahren ein Bereitstellen einer Stromschiene und ein Bilden von wenigstens einem Magnetkern, der entlang eines Abschnitts der Stromschiene gebildet ist und die Stromschiene in dem Abschnitt wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine Magnetkern als ein kunststoffgebundener Magnetkern oder ein Kern aus magnetischem Zement gebildet ist.
In einer ersten Ausführungsform des dritten Aspekts umfasst das Bilden des wenigstens einen Magnetkerns ein Umspritzen der Stromschiene mit einem Plastoferritmaterial oder einem Kunststoffmaterial mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln, wobei wenigstens ein kunststoffgebundener Magnetkern gebildet wird.
In einer Ausführungsform des dritten Aspekts wird die Stromschiene wenigstens teilweise in einem Gehäuse angeordnet und das Bilden des wenigstens einen Magnetkerns umfasst ein wenigstens abschnittweises Vergießen der Stromschiene im Gehäuse mit einem Plastoferritmaterial oder einem Kunststoffmaterial mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln oder einem Zement mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln.
Die oben beschriebenen ersten bis dritten Aspekte der Erfindung stellen ein induktives Bauelement bzw. ein Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements bereit, wobei kunststoffgebundene Magnetkerne oder Magnetkerne aus magnetischem Zement Bauräume weit besser ausnutzen können als bekannte diskrete Kerne.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der beiliegenden Figuren hervor, in denen:

1 schematisch ein Schaltungsbild eines Hochstromfilters gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt;
2a und 2b schematisch in perspektivischen Ansichten induktive Bauelemente gemäß einiger alternativer anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen;
3 schematisch in einer Aufsicht ein induktives Bauelement gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt; und
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines induktiven Bauelements gemäß anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt.

Mit Bezug auf 1 wird nun ein Schaltungsbild eines Hochstromfilters T gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert. Das Hochstromfilter T umfasst einen Eingangsanschluss E und einen Ausgangsanschluss A, sowie Anschlüsse n1 und n2, die mit einem Masseanschluss M elektrisch verbunden sind. Dies stellt keine Beschränkung der Erfindung dar und anstelle des Masseanschlusses M kann ein Anschluss zu einem festen Bezugspotential ungleich Masse vorgesehen sein.
Zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss sind drei Induktivitäten L1, L2 und L3 in Reihe geschaltet. Zwischen dem Eingangsanschluss E und der Induktivität L1 ist eine Kapazität C1 zwischengeschaltet, wobei eine Elektrode der Kapazität C1 zwischen dem Eingangsanschluss E und der Induktivität L1 verbunden ist, während die andere Elektrode der Kapazität C1 mit Masse M verbunden ist. Zwischen der Induktivität L1 und der Induktivität L2 ist eine Kapazität C2 zwischengeschaltet, wobei eine Elektrode der Kapazität C2 zwischen die Induktivitäten L1 und L2 geschaltet ist und die andere Elektrode der Kapazität C2 mit Masse M verbunden ist. Zwischen der Induktivität L2 und der Induktivität L3 ist eine Kapazität C3 zwischengeschaltet, wobei eine Elektrode der Kapazität C3 zwischen die Induktivitäten L2 und L3 geschaltet ist und die andere Elektrode der Kapazität C3 mit Masse M verbunden ist. Zwischen der Induktivität L3 und dem Ausgangsanschluss A ist eine Kapazität C4 zwischengeschaltet, wobei eine Elektrode der Kapazität C4 zwischen der Induktivität L4 und dem Ausgangsanschluss A verbunden ist, während die andere Elektrode der Kapazität C4 mit Masse M verbunden ist.
Gemäß anschaulicher Beispiele hierin kann gelten C1 = C2 = C3 = C4. Alternativ kann wenigstens eine Kapazität der Kapazitäten C1 bis C4 verschieden sein.
Gemäß einem anschaulichen Beispiel kann gelten: C1 ≈ C2 ≈ C3 ≈ C4, wobei „≈“ eine Abweichung von höchstens 30%, beispielsweise höchstens 20%, vorzugsweise höchstens 15%, weiter bevorzugt höchstens 10%, etwa höchstens 5%, bedeutet.
Die in 1 schematisch dargestellte Schaltung T bildet beispielsweise ein LC-Tiefpassfilter höherer Ordnung, wobei mehrere LC-Filter zwischen dem Eingangsanschluss E und dem Ausgangsanschluss A hintereinander geschaltet sind. Beispielsweise gilt für ein LC-Filter zweiter Ordnung, dass bei einer bestimmten Dämpfung/Dekade („Dämpfung pro Dekade“ oder „Dämpfungsflanke“) pro LC-Filter in einer Hintereinanderschaltung zweier LC-Filter eine Potenzierung einer Dämpfung/Dekade mit Potenz „2“ erreicht wird. Bei einer in einem anschaulichen Beispiel angenommenen Dämpfungsflanke von beispielsweise X dB/Dekade pro Ordnung ergibt sich allgemein für ein Filter von n-ter Ordnung (eine Hintereinanderschaltung von n LC-Filtern) für die gesamte Dämpfungsflanke (X dB/Dekade)ⁿ, mit anderen Worten eine Potenzierung mit Potenz „n“.
Die in 1 dargestellte Schaltungsbild stellt zum Beispiel ein LC-Tiefpassfilter 3. Ordnung dar, wobei die Kapazität C1 eine Eingangskapazität darstellt und die erste Ordnung durch die Induktivität L1 mit der Kapazität C2 zwischen der Induktivität L1 und Masse M, die zweite Ordnung durch die Induktivität L2 mit der Kapazität C3 zwischen der Induktivität L2 und Masse M und die dritte Ordnung durch die Induktivität L3 mit der Kapazität C4 zwischen der Induktivität L3 und Masse M gebildet wird. Mittels der Eingangskapazität (hier die Kapazität C1) kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Hintereinanderschaltung der LC-Filter (L1, C2), (L2, C3) und (L3, C4) seitens des Eingangsanschlusses E und des Ausgangsanschlusses A eine niedrige Impedanz zur Masse M bekommt, wodurch die Filterwirkung seitens des Eingangsanschlusses E erhöht wird (da zusätzlich noch die Kapazität C1 zu den weiteren Kapazitäten C2 bis C4 zu Masse M vorhanden ist). Weiterhin kann durch die Kapazität C1 ein Kurzschluss für eventuelle Induktivitäten (nicht dargestellt) bereitgestellten werden, die eingangsseitig mit dem Eingangsanschluss verbunden und diesem vorangeschaltet sein können (damit wird eine unerwünschte Serienimpedanz von Induktivitäten, die mit dem Eingangsanschluss verbunden sind, und der Induktivität L1 vermieden).
Das in 1 dargestellte Schaltungsbild stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar und es kann eine allgemeine Schaltungstopologie bereitgestellt werden, wobei eine Anzahl n1 (n1 ≥ 1) an Induktivitäten L1, L2, ..., Ln1 und eine Anzahl n2 (n2 ≥ 1) an Kapazitäten C1, ..., Cn2 vorgesehen ist. Beispielswiese kann anstelle der Schaltung in 1 ein LC-Filter erster Ordnung durch (n1, n2) = (1, 1) oder (n1, n2) = (1, 2) bereitgestellt sein. Für anschauliche Beispiele allgemeiner Schaltungen kann gelten: (n1, n2) = (n1, n1), wobei n1 = n2, oder (n1, n2) = (n1, n1+1), wobei n2 = n1 + 1.
Mit Bezug auf die 2a, 2b und 3 werden nachfolgend verschiedene anschauliche Ausführungsformen der Erfindung detaillierter beschrieben.
2a stellt ein induktives Bauelement 1a gemäß einiger anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Das induktive Bauelement 1a umfasst eine Stromschiene 4a und einen kunststoffgebundenen Magnetkern 6a, der entlang eines Abschnitts der Stromschiene 4a gebildet ist und die Stromschiene 4a in dem Abschnitt wenigstens teilweise umgibt.
Gemäß anschaulichen Beispielen hierin ist der kunststoffgebundene Magnetkern 6a aus einem Plastoferrit gebildet oder umfasst eine Kunststoffmatrix, in die magnetisch leitfähige Partikel eingebettet sind. Ein Beispiel für eine Kunststoffmatrix stellen thermoplastische Kunststoffe dar. Gemäß speziellen anschaulichen Beispielen der Erfindung können Polyamide, PPS oder Duroplaste, etwa Epoxydharze, als Matrixmaterial für kunststoffgebundene Magnetkerne verwendet werden. Die magnetisch leitfähigen Partikel können aus einem Ferritpulver und/oder einem Pulver aus Seltenerdmagnetmaterialien, z.B. NdFeB, gebildet werden.
Der Ausdruck „Stromschiene“ ist in dieser Beschreibung folgendermaßen zu verstehen: Der Ausdruck „Stromschiene“ bezeichnet einen elektrischen Leiter, der für einen Betrieb mit einer Stromstärke von mindestens 5 A ausgelegt ist (je nach Anwendungsfall können Stromschienen für Anwendungen von mehr als 10 A, vorzugsweise mehr als 15 A, beispielsweise in einem Bereich von 20 A bis 1000 A ausgebildet sein) und/oder der als fester Körper ausgebildet ist, der sich lediglich irreversibel verformen lässt (dies ist im Vergleich zu einem normalen Draht oder Stromkabel zu verstehen, das sich, sofern es nicht geknickt wird, reversibel verformen lässt, beispielsweise beim Aufwickeln). In einem anschaulichen Ausführungsformen kann sich der Querschnitt einer Stromschiene nach der maximal zulässigen Stromdichte richten, die durch die Kühlanbindung und benachbarte Bauteile festgelegt wird und gemäß einigen anschaulichen Beispielen mehr als 1 A/mm² betragen, vorzugsweise mehr als 3 A/mm², beispielsweise in einem Bereich von 4 A/mm² bis 20 A/mm².
Die Stromschiene 4a weist an ihren Enden Kontaktbereiche 8a und 10a auf, wobei der kunststoffgebundene Magnetkern 6a über der Stromschiene 4a und entlang der Stromschiene 4a zwischen den Kontaktbereichen 8a und 10a angeordnet ist.
Gemäß anschaulicher Ausführungsformen, wie in 2a schematisch dargestellt ist, kann die Stromschiene 4a auf einem Träger 2a, beispielsweise einem Kunststoffträger oder direkt auf einer Leiterplatte, angeordnet sein. Hierzu können Halteelemente 12a, 14a vorgesehen sein, um die Stromschiene 4a auf dem Träger 2a zu montieren. Die Halteelemente 12a und 14a sind an Abschnitten der Stromschiene 4a bereitgestellt, die jeweils nicht von dem kunststoffgebundenen Magnetkern 6a bedeckt werden und folglich freiliegende Stromschienenabschnitte darstellen. Vorzugsweise sind die Halteelemente 12a, 14a zwischen dem kunststoffgebundenem Magnetkern 6a und den Kontaktbereichen 8a, 10a entlang der Stromschiene 4a angeordnet.
Gemäß anschaulicher Beispiele können die Halteelemente 12a und 14a ferner als Kontaktelemente fungieren, die dazu ausgebildet sind, eine elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene 4a und einer Leiterplatte (entsprechend dem Träger 2a oder zusätzlich zum Träger 2a) bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ können die Halteelemente 12a und 14a als Kontaktelemente fungieren, die die Stromschiene 4a mit diskreten elektrischen Komponenten elektrisch verbinden, beispielsweise mit Kondensatoren und/oder zusätzlichen Induktivitäten. Beispielsweise kann mittels der als Kontaktelemente fungierenden Halteelemente 12a und 14a eine Parallelschaltung von weiteren Komponenten zu dem kunststoffgebundenen Magnetkern 6a erfolgen.
Die Kontaktbereiche 8a und 10a sind im Allgemein ausgebildet, um einen elektrischen Kontakt zwischen der Stromschiene 4a und elektrisch vorangeschalteten bzw. nachgeschalteten weiteren Stromschienen (nicht dargestellt) und/oder elektrisch vorangeschalteten bzw. nachgeschalteten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (nicht dargestellt) herzustellen. Mit anderen Worten, die Kontaktbereiche 8a und 10a stellen freiliegende Endabschnitte der Stromschiene 4a dar, die als Anschlusskontakte ausgebildet sind und wenigstens einen zwischen dem kunststoffgebundenen Magnetkern 6a und einem Kontaktbereich 8a oder 10a wenigstens teilweise freiliegenden Stromschienenabschnitt (wird später beschrieben) aufweisen, der ferner zur elektrischen Verbindung mit z.B. einem Kondensator (nicht dargestellt) ausgebildet sein kann.
In speziellen anschaulichen Beispielen umfassen die Kontaktbereiche 8a und 10a, wie in 2a dargestellt ist, Durchgangslöcher, die die Stromschiene 4a wenigstens teilweise durchsetzen und zur Aufnahme eines Schraubenelements ausgebildet sind, um mittels des Schraubenelements (nicht dargestellt) eine mechanische und elektrische Ankopplung der Kontaktbereiche 8a und 10a mit weiteren Stromschienen und/oder elektrischen und/oder elektronischen Komponenten zu erlauben. Zusätzlich oder alternativ können die Kontaktbereiche 8a und 10a weitere Elemente (nicht dargestellt) umfassen, die dazu ausgebildet sind, die Stromschiene 4a mit weiteren Stromschienen (nicht dargestellt) und/oder elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (nicht dargestellt) in Verbindung zu bringen, beispielsweise mittels einer Steckverbindung, einer Crimpverbindung und dergleichen.
Das in 2a schematisch dargestellte induktive Bauelement 1a weist eine Breitendimension Ba, eine Längendimension La und eine Höhendimension Ha auf. Gemäß anschaulicher Beispiele kann die Längendimension La ≥ 1 cm betragen, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 6 cm liegen, beispielsweise in einem Bereich zwischen 3,5 und 5 cm, etwa bei 4 cm ± 0,5 cm. Gemäß anschaulicher Beispiele kann die Breitendimension Ba ≥ 1 cm betragen, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 6 cm liegen, beispielsweise in einem Bereich zwischen 3,5 und 5 cm, etwa bei 4 cm ± 0,5 cm. Die Höhendimension Ha ist, gemäß anschaulichen Beispielen, größer oder gleich 1 cm, und kann die Beziehung erfüllen: Ha < La + Ba. Gemäß speziellen Beispielen hierin, kann ferner gelten: Ha < max (La; Ba) („Ha ist kleiner als das größere von La und Ba“).
Das induktive Bauelement 1a, das in 2a schematisch dargestellt ist, kann wie folgt gebildet werden. Anfänglich wird die Stromschiene 4a bereitgestellt. Gemäß anschaulichen Beispielen kann die Stromschiene 4a in Entsprechung zu einem Bauraum ausgewählt werden, in den das induktive Bauelement 1a zu verbauen ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Stromschiene 4a entsprechend den induktiven Eigenschaften ausgewählt werden, die das induktive Bauelement 1a aufzuweisen hat, beispielsweise kann eine Länge der Stromschiene 4a in einem unverformten Zustand (eine Länge parallel zu der Längendimension La) und/oder eine Breitendimension der Stromschiene 4a (eine Breite parallel zur Breitendimension Ba in 2a) entsprechend eines verfügbaren Bauraums und/oder der einzustellenden induktiven Eigenschaften des induktiven Bauelements 1a ausgewählt werden.
Danach wird die ausgewählte Stromschiene 4a einer Umformung unterworfen, um eine Form der Stromschiene 4a festzulegen, die von einem verfügbaren Bauraum und/oder induktiven Eigenschaften abhängen kann, die das induktive Bauelement 1a aufzuweisen hat. Beispielsweise kann die Stromschiene gebogen werden, so dass das induktive Bauelement 1a in einen verfügbaren Bauraum eingepasst werden kann und/oder spezieile Anschlussgeometrien abgebildet werden können. Zum Beispiel kann eine durch eine Einbausituation in einem Endgerät bestimmte Form der Stromschiene bedingen, dass entsprechend der bestimmten Form eine Verformung der nicht verformten anfänglichen Stromschiene zu erfolgen hat und z.B. U-förmig gebogene Abschnitte zu formen sind, Anschlussbedingungen bzw. Anschlussgeometrien zu erfüllen sind und/oder die Stromschiene in einen vorgegebenen Bauraum einzupassen ist. Obgleich parasitäre Kapazitäten in der Regel nicht erwünscht sind und im allgemeinen zu unterdrücken sind, ist es aber auch durchaus denkbar, die Stromschiene zusätzlich oder alternativ zu verformen, um einen gewünschten Kapazitätswert der Stromschiene einzustellen, beispielsweise durch ein abschnittsweises Umformen der Stromschiene, so dass z.B. U-förmig gebogene Abschnitte der Stromschiene zur Einstellung einer parasitären Kapazität angepasst werden.
In einem anschaulichen Beispiel ist, gemäß der Darstellung in Fig. 2a, ein U-förmiger Abschnitt durch Abschnitte Aa, Ab und Ac gebildet. Die Abschnitte Aa und Ab sind im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet („im Wesentlichen“ bedeutet eine Abweichung von einer parallelen Orientierung der Abschnitte Aa und Ab um höchstens 30° relativ zueinander), wobei die im Wesentlichen parallelen Abschnitte Aa und Ab durch einen sich quer zu den Abschnitten Aa und Ab erstreckenden Verbindungsabschnitt Ac elektrisch und mechanisch verbunden sind. Der kunststoffgebundene Magnetkern 6a ist darstellungsgemäß über dem Verbindungsabschnitt Ac abschnittsweise angeordnet. Durch eine geeignete Wahl der Abschnitte Aa, Ab und Ac hinsichtlich ihrer Flächendimensionen und Längendimensionen (unter „Längendimensionen“ sind Abmessungen entlang der Breitendimension Ba und der Längendimension La zu verstehen) wird eine gewünschte Anschlussgeometrie verwirklicht und/oder die Stromschiene 4a in einen vorgegebenen Bauraum eingepasst. Zusätzlich oder alternativ kann eine gewünschte Kapazität der Stromschiene 4a auf Basis der Form der Stromschiene 4a eingestellt werden. Abhängig von einer konkreten Einbausituation bzw. Anschlussgeometrie können in weiteren und nicht dargestellten anschaulichen Beispielen zwischen den Kontaktbereichen 8a und 10a der Stromschiene 4a auch mehrere U-förmige Abschnitte, beispielsweise in Serpentinenform, gebildet sein. Es sind aber auch komplexere Formen bzw. Geometrien der Stromschiene 4a denkbar, um, je nach Anwendungsfall, die Stromschiene an vorgegebene Anschlüsse anzupassen, z.B. zwei Anschlüsse bei gegebener Länge der Stromschiene zu verbinden, und/oder eine prozesstechnische Fertigbarkeit bereitzustellen. Aufgrund dieser Faktoren können sich komplexe Formen für die Stromschiene ergeben, die gemäß dem vorliegenden Verfahren leicht mit kunststoffgebundenen Magnetkernen bestückt werden können, wie nachstehend erläutert wird.
Anschließend wird der kunststoffgebundene Magnetkern 6a an der Stromschiene 4a gebildet. Beispielsweise kann der kunststoffgebundene Magnetkern 6a mittels Umspritzen der Stromschiene 4a mit einem Plastoferrit oder allgemein einem Material umfassend eine Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln gebildet werden. Alternativ kann der kunststoffgebundene Magnetkern 6a durch ein abschnittsweises Vergießen der Stromschiene 4a mit einem Vergussmaterial gebildet werden, wobei das Vergussmaterial eine Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten magnetischen Partikeln umfasst.
Danach kann die entsprechend erhaltene Stromschiene 4a mit dem kunststoffgebundenen Magnetkern 6a auf einem Träger 2a (zum Beispiel einem Kunststoffträger oder einer Leiterplatte) angebracht werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Stromschiene 4a mit dem kunststoffgebundenen Magnetkern 6a in ein Gehäuse aufgenommen werden, sofern die Stromschiene 4a für das Herstellen des kunststoffgebundenen Magnetkerns 6a nicht schon in einem Gehäuse angeordnet wurde.
Mit Bezug auf 2b wird ein induktives Bauelement 1b gemäß einiger anschaulicher Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, die Alternativen zu den oben bezüglich 2a beschriebenen Ausführungsformen darstellen.
Das in 2b dargestellte induktive Bauelement 1b umfasst eine Stromschiene 4b und drei kunststoffgebundene Magnetkerne 5b, 6b und 7b, die jeweils entlang eines Abschnitts der Stromschiene 4b gebildet sind und die Stromschiene 4b in dem jeweiligen Abschnitt wenigstens teilweise umgeben.
Gemäß anschaulichen Beispielen hierin ist jeder der kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b und 7b aus einem Plastoferrit gebildet oder umfasst eine Kunststoffmatrix, in die magnetisch leitfähige Partikel eingebettet sind. Ein Beispiel für eine Kunststoffmatrix stellen thermoplastische Kunststoffe dar. Gemäß speziellen anschaulichen Beispielen der Erfindung können Polyamide, PPS oder Duroplaste, etwa Epoxydharze, als Matrixmaterial für kunststoffgebundene Magnetkerne verwendet werden. Die magnetisch leitfähigen Partikel können aus einem Eisenpulver, ein Pulver gebildet aus einer Eisenlegierung (z.B. FeSi, NiFe, FeSiAl usw.), einem Ferritpulver und/oder einem Pulver aus Seltenerdmagnetmaterialien, z.B. NdFeB, gebildet werden.
Die Stromschiene 4b weist an ihren Enden Kontaktbereiche 8b und 10b auf, wobei die kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b und 7b über der Stromschiene 4b und entlang der Stromschiene 4b zwischen den Kontaktbereichen 8b und 10b angeordnet sind.
Gemäß anschaulicher Ausführungsformen, wie in 2b schematisch dargestellt ist, kann die Stromschiene 4b auf einem Träger 2b, beispielsweise einem Kunststoffträger oder direkt auf einer Leiterplatte, angeordnet sein. Hierzu können mindestens Halteelemente 12b, 14b vorgesehen sein, um die Stromschiene 4b auf dem Träger 2b zu montieren. Die Halteelemente 12b und 14b können zwischen jeweils zwei kunststoffgebundenen Magnetkernen der kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b und 7b angeordnet sein.
In anschaulichen Beispielen sind die Halteelemente 12b und 14b an Abschnitten der Stromschiene 4b bereitgestellt, die jeweils nicht von einem der kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b und 7b bedeckt werden und folglich freiliege Stromschienenabschnitte darstellen. Das Halteelement 12b ist zwischen den kunststoffgebundenen Magnetkernen 5b und 6b angeordnet, während das Halteelement zwischen den kunststoffgebundenen Magnetkernen 6b und 7b angeordnet ist. Es können weitere Halteelemente (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Zum Beispiel kann ein weiteres Halteelement (nicht dargestellt) zwischen dem kunststoffgebundenen Magnetkern 5b und dem Kontaktbereich 8b angeordnet sein und ein weiteres Halteelement (nicht dargestellt) kann zwischen dem kunststoffgebundenen Magnetkern 7b und dem Kontaktbereich 10b angeordnet sein.
Gemäß anschaulicher Beispiele können die Halteelemente 12b und 14b (sowie die in 2b nicht dargestellten (optionalen) weiteren Halteelemente) ferner als Kontaktelemente fungieren, die dazu ausgebildet sind, eine elektrische Verbindung zwischen der Stromschiene 4b und einer Leiterplatte (entsprechend dem Träger 2b oder zusätzlich zum Träger 2b) bereitzustellen. Zusätzlich oder alternativ können die Halteelemente 12b und 14b als Kontaktelemente fungieren, die die Stromschiene 4b mit diskreten elektrischen Komponenten elektrisch verbinden, beispielsweise mit Kondensatoren und/oder zusätzlichen Induktivitäten. Beispielsweise kann mittels der als Kontaktelemente fungierenden Halteelemente 12b und 14b eine Parallelschaltung von weiteren Komponenten zu den kunststoffgebundenen Magnetkernen 5b, 6b und 7b erfolgen.
In einem speziellen Beispiel kann die Stromschiene 4b fast vollständig von einem Material für die kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b, 7b umgeben sein und es können lediglich die Kontaktbereiche 8b, 10b und Abschnitte an der Stromschiene freiliegen, die mit den Halteelementen 12b und 14b in mechanischem (und optional elektrischem) Kontakt stehen. Falls in diesem Beispiel die Halteelemente 12b und 14b ferner als elektrische Kontaktelemente fungieren, durch die die Stromschiene 4b mit z.B. diskreten elektrischen Komponenten parallel geschaltet werden kann (z.B. ein Kondensator), können lediglich die mit den Halteelementen 12b, 14b mechanisch und elektrisch zu verbindenden Oberflächenabschnitte der Stromschiene 4b zwischen den Kontaktbereichen 8b, 10b nicht mit den kunststoffgebundenen Magnetkernen 5b, 6b, 7b bedeckt sein. Obgleich in diesem Fall die kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b, 7b eine zusammenhängende Materialmenge darstellen, werden durch die als Kontaktelemente fungierenden Halteelemente 12b und 14b effektive Induktivitäten entlang der Stromschiene zwischen den Kontaktbereichen 8b, 10b bereitgestellt, so dass auch in diesem Fall effektiv von drei kunststoffgebundenen Magnetkernen gesprochen werden kann.
Die Kontaktbereiche 8b und 10b sind im Allgemein ausgebildet, um einen elektrischen Kontakt zwischen der Stromschiene 4b und elektrisch vorangeschalteten bzw. nachgeschalteten weiteren Stromschienen (nicht dargestellt) und/oder elektrisch vorangeschalteten bzw. nachgeschalteten elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (nicht dargestellt) herzustellen. Mit anderen Worten, die Kontaktbereiche 8b und 10b stellen freiliegende Endabschnitte der Stromschiene 4b dar, die als Anschlusskontakte ausgebildet sind und wenigstens einen zwischen dem kunststoffgebundenen Magnetkern 5b oder 7b und einem Kontaktbereich 8b oder 10b wenigstens teilweise freiliegenden Stromschienenabschnitt (wird später beschrieben) aufweisen, der ferner zur elektrischen Verbindung mit z.B. einem Kondensator (nicht dargestellt) ausgebildet sein kann.
In einem speziellen Beispiel umfassen die Kontaktbereiche 8b und 10b, wie in 2a dargestellt ist, Durchgangslöcher, die die Stromschiene 4b wenigstens teilweise durchsetzen und zur Aufnahme eines Schraubenelements ausgebildet sind, um mittels des Schraubelements (nicht dargestellt) eine mechanische und elektrische Ankopplung der Kontaktbereiche 8b und 10b mit weiteren Stromschienen und/oder elektrischen und/oder elektronischen Komponenten zu erlauben. Zusätzlich oder alternativ können die Kontaktbereiche 8b und 10b weitere Elemente (nicht dargestellt) umfassen, die dazu ausgebildet sind, die Stromschiene 4b mit weiteren Stromschienen (nicht dargestellt) und/oder elektrischen und/oder elektronischen Komponenten (nicht dargestellt) in Verbindung zu bringen, beispielsweise mittels einer Steckverbindung, einer Crimpverbindung und dergleichen.
Das in 2b schematisch dargestellte induktive Bauelement 1b weist eine Breitendimension Bb, eine Längendimension Lb und eine Höhendimension Hb auf. Gemäß anschaulicher Beispiele kann die Längendimension Lb ≥ 1 cm betragen, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 6 cm liegen, beispielsweise in einem Bereich zwischen 3,5 und 5 cm, etwa bei 4 cm ± 0,5 cm. Gemäß anschaulichen Beispielen kann die Breitendimension Bb ≥ 1 cm betragen, vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3 und 6 cm liegen, beispielsweise in einem Bereich zwischen 3,5 und 5 cm, etwa bei 4 cm ± 0,5 cm. Die Höhendimension Hb ist, gemäß anschaulichen Beispielen, größer oder gleich 1 cm, und kann die Beziehung erfüllen: Hb < Lb + Bb. Gemäß speziellen Beispielen hierin, kann ferner gelten: Hb < max (Lb; Bb) („Hb ist kleiner als das größere von Lb und Bb“).
Das induktive Bauelement 1 b, das in 2b schematisch dargestellt ist, kann wie folgt gebildet werden. Anfänglich wird die Stromschiene 4b bereitgestellt. Gemäß anschaulichen Beispielen kann die Stromschiene 4b entsprechend einem Bauraum ausgewählt werden, in den das induktive Bauelement 1b zu verbauen ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Stromschiene 4b entsprechend den induktiven Eigenschaften ausgewählt werden, die das induktive Bauelement 1b aufzuweisen hat, beispielsweise kann eine Länge der Stromschiene 4b in einem unverformten Zustand (eine Länge parallel zu der Längendimension Lb) und/oder eine Breitendimension der Stromschiene 4b (eine Breite parallel zur Breitendimension Bb in 2b) entsprechend eines verfügbaren Bauraums und/oder der einzustellenden induktiven Eigenschaften des induktiven Bauelements 1 b ausgewählt werden.
Danach wird die ausgewählte Stromschiene 4b einer Umformung unterworfen, um eine Form der Stromschiene 4b festzulegen, die von einem verfügbaren Bauraum abhängen und/oder spezielle Anschlussgeometrien abbilden kann. Zum Beispiel kann eine durch eine Einbausituation in einem Endgerät bestimmte Form der Stromschiene bedingen, dass entsprechend der bestimmten Form eine Verformung der nicht verformten anfänglichen Stromschiene zu erfolgen hat und z.B. U-förmig gebogene Abschnitte geformt werden, Anschlussbedingungen bzw. Anschlussgeometrien zu erfüllen sind und/oder die Stromschiene in einen vorgegebenen Bauraum einzupassen ist. Es ist auch denkbar, dass eine Verformung der ausgewählten Stromschiene von induktiven Eigenschaften abhängen kann, die das induktive Bauelement 1b aufzuweisen hat. Beispielsweise kann die Stromschiene gebogen werden, so dass das induktive Bauelement 1b in einem verfügbaren Bauraum eingepasst werden kann. Beispielsweise können mehrere U-förmige Abschnitte, beispielsweise in Serpentinenform, zwischen den Kontaktbereichen 8b und 10b in der Stromschiene 4b gebildet sein (in 2b nicht dargestellt). Es sind aber auch komplexere Formen bzw. Geometrien der Stromschiene 4b denkbar. Abhängig von einer konkreten Einbausituation bzw. Anschlussgeometrie können in weiteren und nicht dargestellten anschaulichen Beispielen zwischen den Kontaktbereichen 8b und 10b der Stromschiene 4b auch mehrere U-förmige Abschnitte, beispielsweise in Serpentinenform, gebildet sein. Es sind aber auch komplexere Formen bzw. Geometrien der Stromschiene 4b denkbar, um, je nach Anwendungsfall, die Stromschiene an vorgegebene Anschlüsse anzupassen, z.B. zwei Anschlüsse bei gegebener Länge der Stromschiene zu verbinden, und/oder eine prozesstechnische Fertigbarkeit bereitzustellen. Aufgrund dieser Faktoren können sich komplexe Formen für die Stromschiene ergeben, die gemäß dem vorliegenden Verfahren leicht mit kunststoffgebundenen Magnetkernen bestückt werden können, wie nachstehend erläutert wird.
Anschließend werden die kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b und 7b an der Stromschiene 4b gebildet. Beispielsweise können die kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b und 7b mittels Umspritzen der Stromschiene 4b mit einem Plastoferrit oder allgemein einem Material umfassend eine Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln gebildet werden. Alternativ können die kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b und 7b durch ein abschnittsweises Vergießen der Stromschiene 4b mit einem Vergussmaterial gebildet werden, wobei das Vergussmaterial allgemein eine Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln umfasst. Dies stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar und es können aber auch einige kunststoffgebundene Magnetkerne durch Umspritzen gebildet werden, während andere kunststoffgebundene Magnetkerne durch Vergießen gebildet werden.
Danach kann die entsprechend erhaltene Stromschiene 4b mit den kunststoffgebundenen Magnetkernen 5b, 6b und 7b auf einem Träger 2b (zum Beispiel einem Kunststoffträger oder einer Leiterplatte) angebracht werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Stromschiene 4b mit den kunststoffgebundenen Magnetkernen 5b, 6b und 7b in ein Gehäuse aufgenommen werden, sofern die Stromschiene 4b für das Herstellen der kunststoffgebundenen Magnetkerne 5b, 6b und 7b nicht schon in einem Gehäuse angeordnet wurde.
Mit Bezug auf 3 werden nun weitere anschauliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
3 stellt schematisch eine ebene Aufsicht auf ein induktives Bauelement 100 dar, das ein Gehäuse 101 und eine wenigstens teilweise in dem Gehäuse angeordnete Stromschiene 104 umfasst. Die Stromschiene kann sich, wie in 3 dargestellt ist, in dem Gehäuse erstrecken und es können Kontaktenden 108 und 110 mit geeignet ausgebildeten Kontaktbereichen (nicht dargestellt) aus dem Gehäuse 101 herausragen, um Anschlusskontakte der Stromschiene 104 zu bilden. Dies stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar und die Stromschiene 104 kann alternativ vollständig in das Gehäuse 101 aufgenommen sein (nicht dargestellt).
Das Gehäuse 101 umfasst voneinander getrennte Gehäuseabschnitte A1, A2, A3, A4 und A5. Die Anzahl der voneinander getrennten Gehäuseabschnitte ist beliebig und kann entsprechend einer beabsichtigten Anwendung geeignet gewählt werden. Im Beispiel der gemäß 4 veranschaulichten Ausführungsform sind die fünf Gehäuseabschnitte A1 bis A5 durch im Gehäuse gebildete Trennwände TW1, TW2, TW3 und TW4 gebildet. Dies stellt keine Beschränkung dar und es können Gehäuseabschnitte innerhalb des Gehäuses 101 mittels geeigneter Trennwände auf beliebige Weise vorgesehen sein. Obgleich die Trennwände TW1 bis TW4 als parallel zu Seitenwänden des Gehäuses 101 erstreckend dargestellt sind, stellt dies keine Beschränkung der Erfindung dar und es können anstelle von ebenen Trennwänden auch Trennwände mit beliebiger Gestalt, insbesondere gekrümmte Trennwände, vorgesehen sein.
In den Trennwänden TW1 bis TW4 sind Aussparungen (nicht dargestellt) zur Aufnahme der Stromschiene 104 vorgesehen, die sich durch diese Aussparungen (nicht dargestellt) erstreckt, so dass die Stromschiene 104 die verschiedenen Gehäuseabschnitte A1 bis A5 durchläuft. Die Aussparungen (nicht dargestellt) in den Trennwänden TW1 bis TW4 können entsprechend einer Form bzw. Gestalt der Stromschiene 104 (erhalten nach einem Umformungsprozess, wie hinsichtlich der 2a und 2b vorangehend anschaulich beschrieben ist) in den Trennwänden TW1 bis TW4 gebildet sein. Vorzugsweise können die Aussparungen und die Stromschiene 104 derart aufeinander abgestimmt sein, dass benachbarte Gehäuseabschnitte trotz der Aussparungen mittels der in den Aussparungen verlaufenden Stromschiene 104 gegenüber einem Vergussmaterial abgedichtet sind. Dies bedeutet, dass durch Einfüllen eines Vergussmaterials in einen Gehäuseabschnitt vorzugsweise kein Austritt des Vergussmaterials durch die Aussparung erfolgt, wenn die Stromschiene 104 in die Aussparung eingesetzt ist. Als Vergussmaterial kann ein Polyamid, PPS oder Duroplast, etwa Epoxydharz, verwendet werden, das mit einem Eisenpulver, einem Pulver gebildet aus einer Eisenlegierung (z.B. FeSi, NiFe, FeSiAl usw.), einem Ferritpulver und/oder einem Pulver aus Seltenerdmagnetmaterialien, z.B. NdFeB, vermischt ist, das magnetische Partikel im Vergussmaterial bereitstellt.
Durch Vergießen von einzelnen Gehäuseabschnitten, im Beispiel der Darstellung in 3 sind die Gehäuseabschnitte A2 und A4 vergossen, mittels eines Vergussmaterials, das eine Kunststoffmatrix mit darin eingebetteten magnetischen Partikeln umfasst, können kunststoffgebundene Magnetkerne abschnittsweise über der Stromschiene 104 bereitgestellt werden, etwa die kunststoffgebundenen Magnetkerne 106a und 106b in der Darstellung von 3. Zur Bereitstellung einer gewünschten Induktivität der kunststoffgebundenen Magnetkerne 106a und 106b kann eine geeignete Form der Stromschiene 104 in den Gehäuseabschnitten A2 und A4 vorgesehen sein, beispielsweise um eine bestimmte Länge der sich im Gehäuseabschnitt A2 und A4 erstreckenden Stromschiene 104 einzustellen, die einen Einfluss auf die Induktivität des kunststoffgebundenen Magnetkerns 106a für den Gehäuseabschnitt A2 und des kunststoffgebundenen Magnetkerns 106b für den Gehäuseabschnitt A4 darstellt. Es ist auch denkbar, zusätzlich oder alternativ einen gewünschten Kapazitätswert einzustellen, beispielsweise gemäß einem U-förmigen Abschnitt, wie z.B. für den Gehäuseabschnitt A4 in 3 veranschaulicht ist, und/oder, je nach Anwendungsfall, die Stromschiene 104 an vorgegebene Anschlüsse anzupassen, z.B. zwei Anschlüsse bei gegebener Länge der Stromschiene 104 zu verbinden, und/oder eine prozesstechnische Fertigbarkeit bereitzustellen. Aufgrund dieser Faktoren können sich komplexe Formen für die Stromschiene 104 ergeben, die leicht mit kunststoffgebundenen Magnetkernen bestückt werden können, wie nachstehend erläutert wird.
Gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen ist die Stromschiene 104 im Gehäuseabschnitt A1 zwischen dem Kontaktende 108 und dem kunststoffgebundenen Magnetkern 106a mittels eines Kontaktpunkts 112a mit einer Kapazität 113a elektrisch verbunden, die in den Gehäuseabschnitt A1 aufgenommen sein kann. Die in den Gehäuseabschnitt A1 aufgenommene Kapazität 113a, z.B. ein Kondensator, kann weiterhin mittels eines Kontaktpunkts Ma mit einer Masseleitung außerhalb des Gehäuses 101 verbunden sein. Dies stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar und die Kapazität 113a kann statt dessen auch außerhalb des Gehäuses 101 vorgesehen werden.
Gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen ist die Stromschiene 104 im Gehäuseabschnitt A3 zwischen dem kunststoffgebundenen Magnetkern 106a und dem kunststoffgebundenen Magnetkern 106b mittels eines Kontaktpunkts 112b mit einer Kapazität 113b, z.B. ein Kondensator, elektrisch verbunden, die in den Gehäuseabschnitt A3 aufgenommen sein kann. Die in den Gehäuseabschnitt A3 aufgenommene Kapazität 113b kann weiterhin mittels eines Kontaktpunkts Mb mit einer Masseleitung außerhalb des Gehäuses 101 verbunden sein. Dies stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar und die Kapazität 113b kann statt dessen auch außerhalb des Gehäuses 101 vorgesehen werden.
Gemäß einigen anschaulichen Ausführungsformen ist die Stromschiene 104 im Gehäuseabschnitt A5 zwischen dem Kontaktende 110 und dem kunststoffgebundenen Magnetkern 106b mittels eines Kontaktpunkts 112c mit einer Kapazität 113c elektrisch verbunden, die in den Gehäuseabschnitt A5 aufgenommen sein kann. Die in den Gehäuseabschnitt A5 aufgenommene Kapazität 113c, z.B. ein Kondensator, kann weiterhin mittels eines Kontaktpunkts Mc mit einer Masseleitung außerhalb des Gehäuses 101 verbunden sein. Dies stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar und die Kapazität 113c kann statt dessen auch außerhalb des Gehäuses 101 vorgesehen werden.
Gemäß anschaulichen Ausführungsformen können die Kapazitäten 113a, 113b und 113c als diskrete elektrische Komponenten vorgesehen sein, die entsprechend in die Gehäuseabschnitte A1, A3 und A5 aufgenommen sind. Alternativ können die Kapazitäten 113a, 113b und 113c in einer Leiterplatte (nicht dargestellt) oder als mit einer Leiterplatte (nicht dargestellt) verbunden bereitgestellt sein, wobei die Leiterplatte (nicht dargestellt) einen Boden (nicht dargestellt) des Gehäuses 101 darstellen kann bzw. am Boden (nicht dargestellt) des Gehäuses 101 angeordnet ist.
Mit Bezug auf 4 wird nun ein anschauliches Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. In einem Schritt S1 wird eine Stromschiene bereitgestellt. Die Stromschiene kann im Schritt S1 bereitgestellt sein, wie beispielsweise hinsichtlich 2a oben erläutert ist. Vorzugsweise ist die im Schritt S1 bereitgestellte Stromschiene vor dem Schritt S1 einer Umformung unterzogen worden, so dass die in Schritt S1 bereitgestellte Stromschiene eine gewünschte Form oder Gestalt aufweist (z.B. zur Anpassung an eine Bauraum, in dem die Stromschiene vorzusehen ist, und/oder zur Einstellung gewünschter elektrischer Eigenschaften).
Anschließend kann in einem Schritt S2 wenigstens ein kunststoffgebundener Magnetkern gebildet werden, der gemäß anschaulichen Ausführungsformen entlang eines Abschnitts der Stromschiene gebildet wird und die Stromschiene in dem Abschnitt wenigstens teilweise umgibt.
Gemäß speziellen anschaulichen Beispielen hierin kann der wenigstens eine kunststoffgebundene Magnetkern im Schritt S2 durch ein Umspritzen der Stromschiene mit einem Plastoferritmaterial oder allgemein durch Umspritzen der Stromschiene mit einem Kunststoffmaterials gebildet werden, das darin eingebettete magnetisch leitfähige Partikel aufweist.
Gemäß alternativen Beispielen hierin kann die Stromschiene zwischen dem Schritt S1 und dem Schritt S2 wenigstens teilweise in einem Gehäuse angeordnet werden. Im Schritt S2 kann dann der wenigstens eine kunststoffgebundene Magnetkern durch ein wenigstens abschnittsweises Vergießen der Stromschiene in dem Gehäuse mit einem Plastoferritmaterial oder allgemein einem Kunststoffmaterial mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln gebildet werden. Ein Beispiel für eine Kunststoffmatrix stellen thermoplastische Kunststoffe dar. Gemäß speziellen anschaulichen Beispielen der Erfindung können Polyamide, PPS oder Duroplaste, etwa Epoxydharze, als Matrixmaterial für kunststoffgebundene Magnetkerne verwendet werden. Die magnetisch leitfähigen Partikel können aus einem Eisenpulver, ein Pulver gebildet aus einer Eisenlegierung (z.B. FeSi, NiFe, FeSiAl usw.), einem Ferritpulver und/oder einem Pulver aus Seltenerdmagnetmaterialien, z.B. NdFeB, gebildet werden.
Alternativ kann ein Magnetkern aus einem magnetischen Zement gebildet werden, in dem Gehäuseabschnitte mit dem magnetischem Zement vergossen werden und der magnetische Zement aushärtet.
Anschließend kann die Stromschiene mit dem wenigstens einen kunststoffgebundenen Magnetkern auf einem Trägermaterial, beispielsweise einem Kunststoffträger oder einer Leiterplatte, angebracht und/oder elektrisch verbunden werden.
In speziellen anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wie mit Bezug auf die 2a, 2b, 3 und 4 vorangehend erläutert wurde, kann ein Hochstromfilter durch eine Kopplung des induktiven Bauelements mit Kapazitäten bereitgestellt werden, wie entsprechend dem Schaltungsbild in 1 oben erläutert wurde. Ein entsprechend gebildetes Hochstromfilter kann ein Filter erster Ordnung oder höherer Ordnung darstellen, wie hinsichtlich 1 allgemein dargestellt wurde.
Das induktive Bauelement kann beispielsweise in einem Filtermodul vorgesehen sein, um Gegentaktstörungen zu filtern. Hierbei können entsprechend einer geeigneten Umformung der bereitgestellten Stromschiene auch komplexe Stromschienengeometrien verwendet werden, da durch die kunststoffgebundenen Magnetkerne keine Beschränkung der Stromschienenform erfolgt. Im Vergleich zu bekannten Lösungen mit Magnetkernen, die beispielsweise durch Klappferrite bereitgestellt werden, die um Stromschienen herumgeklappt bzw. herumgeschnappt werden, kann ein kunststoffgebundener Magnetkern, wie hinsichtlich der anschaulichen Ausführungsformen oben beschrieben ist, einen vorgegebenen Bauraum besser ausnutzen als diskrete Kerne. Damit können Filtermodule auch für kompakte Bauräume gefertigt werden. Fertigungsprozesse sind hierbei automatisierbar bzw. können automatisierte Spritzgussprozesse oder Vergussprozesse umfassen. In Prozessen, in denen kunststoffgebundene Magnetkerne mittels Vergießen hergestellt werden, entfällt eine zusätzliche Fixierung der Stromschiene durch zusätzliche Bauteile.
Aufgrund der vorangegangenen Vorteile und einer großen Freiheit beim Design der Stromschiene, da keine Beschränkungen im Design der Stromschiene aufgrund von Vorgaben hinsichtlich der Verbaubarkeit von induktiven Bauelementen vorhanden sind, wird die industrielle Fertigung in dieser Hinsicht verbessert.
In speziellen anschaulichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann eine fast vollständige Umspritzung einer Stromschiene für Hochstromfilter mit sehr großen Querschnitten erfolgen, wobei lediglich Bereiche ausgespart sein können, an die weitere Bauteile, beispielsweise Kapazitäten, angebunden werden. Alternativ kann anstelle der fast vollständigen Plastoferritumspritzung ein fast vollständiges Vergießen der Stromschiene erfolgen, wobei aufgrund des Vergießens ein zusätzlicher mechanischer Schutz der Baugruppe bereitgestellt werden kann.
Mittels der kunststoffgebundenen Magnetkerne sind Induktivitäten der kunststoffgebundenen Magnetkerne auf einfache Weise in einem großen Induktivitätsbereich einstellbar, beispielsweise in einem Bereich von 10 nH bis 200 nH, vorzugsweise im Bereich von 40 nH bis 90 nH oder in einem Bereich von 150 nH bis 300 nH.
Vorangehend sind mit Bezug auf die 1 bis 3 kunststoffgebundene Magnetkerne beschrieben, in denen magnetisch leitfähige Partikel in eine Kunststoffmatrix eingebettet sind. Dies stellt keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung dar und es können stattdessen auch in eine Zementmatrix eingebettete magnetisch leitfähige Partikel (sog. magnetischer Zement oder „Magment“) bereitgestellt werden. Der Ausdruck „kunststoffgebundener Kern“ soll daher in der Beschreibung zu den 1 bis 3 alternativ auch einen magnetischen Zement umfassen, wobei Dimensionen von Magnetkernen in einem Bereich größer 0,5 m liegen, insbesondere im Bereich von wenigstens 1 m.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015110142 A1 [0007]
DE 19721610 A1 [0008]
DE 102007007117 A1 [0009]

Claims

Induktives Bauelement (1a; 1b; 100) mit einer Stromschiene (4a; 4b; 104) und wenigstens einem Magnetkern (6a; 6b; 106a), der entlang eines Abschnitts der Stromschiene (4a; 4b; 104) gebildet ist und die Stromschiene (4a; 4b; 104) in dem Abschnitt wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine Magnetkern (6a; 6b; 106a) als ein kunststoffgebundener Magnetkern oder ein Kern aus magnetischem Zement gebildet ist.
Induktives Bauelement (1a; 1b; 100) nach Anspruch 1, wobei freiliegende Endabschnitte der Stromschiene (4a; 4b; 104) als Anschlusskontakte ausgebildet sind und wenigstens ein zwischen dem Magnetkern (6a; 6b; 106a) und einem Anschluss wenigstens teilweise freiliegender Stromschienenabschnitt ferner zur elektrischen Verbindung mit einem Kondensator ausgebildet ist.
Induktives Bauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein Gehäuse (101), in das die Stromschiene (104) wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei der Magnetkern (106a) im Gehäuse (101) als kunststoffgebundener Magnetkern (6a; 6b; 106a) in Kunststoffspritztechnik oder Kunststoffgießtechnik gebildet ist.
Induktives Bauelement (1b; 100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend wenigstens einen zweiten Magnetkern (5b; 106b), der als ein kunststoffgebundener Magnetkern oder ein Kern aus magnetischem Zement gebildet ist und der die Stromschiene (4b; 104) wenigstens teilweise umgibt, wobei die wenigstens zwei Magnetkerne (5b, 6b; 106a, 106b) entlang der Stromschiene (4b; 104) in Reihe angeordnet sind und ein Stromschienenabschnitt zwischen je zwei Magnetkernen zur elektrischen Verbindung mit einem Kondensator (113b) ausgebildet ist.
Induktives Bauelement (100) nach Anspruch 4, ferner umfassend ein Gehäuse (101), in das die Stromschiene (104) wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei die wenigstens zwei Magnetkerne (106a, 106b) im Gehäuse (101) in voneinander getrennten Gehäuseabschnitten (A2, A4) gebildet sind.
Induktives Bauelement (1a; 1b; 100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der wenigstens eine Magnetkern (6a, 6b; 106a) als ein kunststoffgebundener Magnetkern aus einem Plastoferritmaterial oder aus einem Kunststoffmaterial mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln gebildet ist.
Hochstromfilter mit wenigstens einem Kondensator (113b) und dem induktiven Bauelement (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der wenigstens eine Kondensator mit der Stromschiene (104) elektrisch verbunden ist.
Verfahren zum Herstellen eines induktiven Bauelements (1a; 1b; 100), umfassend: ein Bereitstellen einer Stromschiene (4a; 4b; 104); und ein Bilden von wenigstens einem Magnetkern (6a; 6b; 106a), der entlang eines Abschnitts der Stromschiene (4a; 4b; 104) gebildet ist und die Stromschiene (4a; 4b; 104) in dem Abschnitt wenigstens teilweise umgibt, wobei der wenigstens eine Magnetkern (6a; 6b; 106a) als ein kunststoffgebundener Magnetkern oder ein Kern aus magnetischem Zement gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bilden des wenigstens einen Magnetkerns (6a; 6b; 106a) ein Umspritzen der Stromschiene (4a; 4b; 104) mit einem Plastoferritmaterial oder einem Kunststoffmaterial mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln umfasst, wobei ein kunststoffgebundener Kern gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Stromschiene (104) wenigstens teilweise in einem Gehäuse (101) angeordnet wird und das Bilden des wenigstens einen Magnetkerns (106a) ein wenigstens abschnittsweises Vergießen der Stromschiene (104) im Gehäuse mit einem Plastoferritmaterial oder einem Kunststoffmaterial mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln oder einem Zement mit darin eingebetteten magnetisch leitfähigen Partikeln umfasst.