DE102020100190A1

DE102020100190A1 - Induktives Bauteil mit einer Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich

Info

Publication number: DE102020100190A1
Application number: DE102020100190.8A
Authority: DE
Inventors: Tobias Appel; Daniel Benner; Christof Gulden
Original assignee: Sts Spezial Transf Stockach & Co KG GmbH; Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
Current assignee: Sts Spezial Transf Stockach & Co KG GmbH; Sts Spezial-Transformatoren-Stockach & Co KG GmbH
Priority date: 2020-01-08
Filing date: 2020-01-08
Publication date: 2021-07-08

Abstract

Die Erfindung betrifft Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) mit folgenden Merkmalen:- das Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) ist geeignet und eingerichtet für eine Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich,- das Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) weist mindestens zwei Scheibenwickel (20, 21, 22, 23, 25, 26) auf, welche um mindestens einen Schenkel (35, 51a, 51b, 52a, 52b) eines Magnetkerns (30, 40, 50) gewickelt sind, und- das Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) weist ein Verhältnis des bei der Betriebsfrequenz ermittelten Wechselstromwiderstandes Raczum Gleichstromwiderstand Rdcmit einem Wert von höchstens 3 auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein bei einer Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich betreibbares induktives Bauteil mit mindestens zwei auf einem Magnetkern angeordneten Scheibenwickel (auch Zylinderspule genannt), wie bspw. eine Drossel oder ein Übertrager. Als Mittelfrequenz wird ein Frequenzbereich von ca. 1 kHz bis 10 MHz angesehen.
In einem elektrischen Leiter verteilt sich bei Gleichstrom (DC)der elektrische Strom gleichmäßig im gesamten Querschnitt des Leiters, während bei Wechselstrom (AC) diese Gleichmäßigkeit nicht mehr gegeben ist. Bei steigender Frequenz nimmt die Stromdichte an der Oberfläche des Leiters zu, während sie im Zentrum reduziert wird (Skin-Effekt). Dies bedeutet, dass der Strom im AC-Fall eine geringere Eindringtiefe in dem Leiter aufweist im Vergleich zum DC-Fall.
Bei Hochfrequenz-Übertragern mit vielen Windungen wird aufgrund des Proximity-Effektes eine hohe Verlustleistung in den Windungen erzeugt. Der Proximity-Effekt ist vereinfacht gesagt eine Erweiterung des Skin-Effekts beim Übergang von einer zu mehreren Windungen. Dies gilt auch bei Betrachtung von mehreren Lagen von Windungen, deren Stromdichte-Verteilung ebenfalls mit dem Proximity-Effekt erklärt werden kann.
In dem Artikel von „Horstkotte, R.: „Wirbelstromverluste in Hochfrequenz-Übertragern", Elektronik, 11/25.5.1990 wird hierzu ausgeführt, dass bei einer Eindringtiefe des Stroms von 20% der Leiterdicke der Wechselstrom-Widerstand fünfmal so groß ist wie der Gleichstrom-Widerstand. Der Widerstandfaktor F_r, das Verhältnis von AC- zu DC-Widerstand bei einem solchen Leiter liegt bei einem Wert 5. Eine Berechnungsformel für diesen Widerstandsfaktor F_r wird in diesem Artikel angegeben. Ferner ist aus diesem Artikel bekannt, dass bei verschachtelten Wicklungen die Streuinduktivität und somit der Proximity-Effekt reduziert wird und damit auch die elektrischen Verluste reduziert werden.
Aus der EP 2 052 393 B1 ist ein Transformator mit einer Scheibenwicklungsspule bekannt, die verbesserte Eigenschaften hinsichtlich des Auftreffens von Spannungsimpulsen, bspw. von Blitz- oder Schaltspannungsimpulsen auf eine solche Scheibenwicklungsspule aufweist. Diese Scheibenwicklungsspule besteht aus einer ersten Wicklung aus mehreren seriell verbundenen und aus mehreren konzentrisch angeordneten Windungen eines Leiters hergestellten Scheibenwickel, die in einer axialen Richtung der Scheibenwicklungsspule angeordnet sind und aus einer auf der ersten Wicklung angeordneten zweiten Wicklung, die ebenso aus mehreren seriell verbundenen und aus mehreren konzentrisch angeordneten Windungen eines Leiters hergestellten Scheibenwickel, die ebenso in einer axialen Richtung der Scheibenwicklungsspule angeordnet sind. Ferner sind zwischen der ersten und der zweiten Wicklung Kühlkanäle vorgesehen, die sich in axialer Richtung der Scheibenwicklungsspule erstrecken.
Aus der WO 2014/121100 A1 ist zur Minimierung der aufgrund des Skin-Effektes entstehenden Nachteile ein mehrschichtiger Leiter bekannt, bei dem durch Dielektrika getrennte, leitfähige Schichten teilweise überlappend derart übereinander angeordnet sind, dass durch die teilweise Überlappung eine Kondensatoranordnung entsteht. Eine erste Gruppe von leitfähigen Schichten wird hierbei von einer ersten Seite der Anordnung kontaktiert, während die zweite Gruppe von Schichten, die sich teilweise mit der ersten Gruppe von Schichten überlappt, diese aber nicht elektrisch kontaktiert, lediglich von einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Anordnung kontaktiert wird. Mit einem solchen mehrschichtigen Leiter wird auch der Aufbau eines induktiven Bauteils beschrieben.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein kleinbauendes, effizientes induktives Bauteil mit mindestens zwei Scheibenwickel anzugeben, welches bei einer Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich betreibbar ist und eine geringe Verlustleistung aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein induktives Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Ein solches induktives Bauteil weist folgende Merkmale auf:

- das Bauteil ist geeignet und eingerichtet für eine Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich,
- das Bauteil weist mindestens zwei Scheibenwickel auf, welche um mindestens einen Schenkel eines Magnetkerns gewickelt sind, und
- das Bauteil weist ein Verhältnis des bei der Betriebsfrequenz ermittelten Wechselstromwiderstandes R_ac zum Gleichstromwiderstand R_dc mit einem Wert von höchstens 3 auf.

Ein induktives Bauteil ist für eine Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich dann eingerichtet, wenn die Leiterhöhe, also die Leitergeometrie auf die Mittelfrequenz abgestimmt wird, wodurch Wechselstromverluste minimiert werden, die in der klassischen 50Hz-Technologie ansonsten nicht merklich auftreten. Nicht nur die Leitergeometrie ist für die Einrichtung des induktiven Bauteils für den Mittelfrequenzbereich relevant, sondern auch eine geeignete Wahl des Wickelguts, nämlich HF-Litze oder Folie bzw. Band für eine Mittelfrequenzanwendung. Schließlich kann eine zusätzliche Verschachtelung der Wicklungen zur Verwendung des Bauteils im Mittelfrequenzbereich erforderlich sein, um die Verluste zu minimieren.
Des Weiteren müssen nicht nur die Wicklungen auf den Mittelfrequenzbereich abgestimmt werden sondern auch der Kern und das Kernmaterial. Ebenso wie die Wicklung produziert das Kernmaterial aufgrund der Wechselstrombelastung in der Mittelfrequenz Verluste, die in der klassischen 50Hz-Technologie ansonsten nicht merklich auftreten. Diese lassen sich im Wesentlichen in Hysterese- und Wirbelstromverluste unterteilen (Dielektrische, Nachwirkungs- sowie Antihysterese-Verluste seien vernachlässigt). Hystereseverluste sind linear von der Betriebsfrequenz abhängig, wohingegen Wirbelstromverluste quadratisch von der Betriebsfrequenz abhängen. Beim Betrieb eines induktiven Bauteils im Mittelfrequenzbereich steigen diese Verluste im Vergleich zum Betrieb in der klassischen 50Hz-Technologie derartig an, dass das Kernmaterial geeignet gewählt werden muss. Ferromagnetische Kernmaterialien aus der klassischen 50Hz-Technologie basierend auf Silizium-Eisen oder andere bekannte Trafobleche sind für den Betrieb in der Mittelfrequenz nicht mehr geeignet, weil sie aufgrund ihrer Struktur, Geometrie, usw. insbesondere sehr hohe Wirbel- und Hystereseverluste aufweisen. Dahingegen sind bspw. ferritische, nanokristalline oder amorphe Kernmaterialien für den Betrieb in der Mittelfrequenz geeignet, um die Kernverluste gering zu halten.
Schließlich ist ein induktives Bauteil für eine Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich dann eingerichtet, wenn bei der Wahl des Kernmaterials berücksichtigt wird, dass die magnetische Aussteuerung B sowohl für die Hysterese- als auch für die Wirbelstromverluste in etwa quadratisch eingeht. Um ein induktives Bauteil aus der klassischen 50Hz-Technologie mit seinem bisherigen Kernmaterial theoretisch überhaupt in der Mittelfrequenz verwenden zu können, muss die magnetische Aussteuerung ca. um den Faktor reduziert werden, um den die Betriebsfrequenz erhöht wird, um die gesamten Kernverluste ungefähr konstant halten zu können. Bei Betrachtung der Trafo-Hauptformel (U ~ f*N*A*B mit N: Windungszahl, A: Kernquerschnitt und B: Magnetische Aussteuerung des Kernmaterials), die bei möglichen Anpassungen grundlegend erfüllt sein muss, wird ersichtlich, dass bei konstanter Betriebsspannung U und den beschriebenen Anpassungen von f und B die Parameter N und A gleich bleiben im Vergleich zur 50Hz-Technologie. Dadurch wird allerdings kein kleinbauendes, effizientes induktives Bauteil erreicht, sondern erst durch die Verwendung eines geeigneten Kernmaterials, weil mit diesem noch eine mittlere, magnetische Aussteuerung realisiert und somit das induktive Bauteil kleinbauend und effizient gestaltet werden kann, weil N und A verringert werden können.
Abgesehen davon wird bei Anpassung von f und B bei einem induktiven Bauteil der 50Hz-Technologie allerdings der Fr-Faktor nicht im gewünschten Bereich zwischen 1 und maximal 3 erreicht. Es stellt sich ein Fr-Faktor ein, der von ca. 1 bei 50Hz-Anwendung bis auf Werte bei einer Mittelfrequenzanwendung steigt, die sehr viel größer als 3 sind. Somit wird allein mit der Anpassung von f und B das induktive Bauteil aus der 50Hz-Technologie bei einer Mittelfrequenz zu hohe Verluste aufweisen.
Erfindungsgemäß weist daher ein induktives Bauteil für eine Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich eine geringe Verlustleistung auf, wenn der Fr-Faktor höchstens 3 ist und dadurch eine kleinbauende Bauweise dieses induktiven Bauteils erreicht wird. Wird zudem eine konstruktiv einfache Wärmeabfuhr aus dem Bauteil heraus ermöglicht, entsteht in Summe ein kleinbauendes, effizientes induktives Bauteil. Eine solche konstruktiv einfache Wärmeabfuhr aus dem Bauteil heraus wird dadurch erreicht, indem der innere Aufbau sowie die Dicke eines Scheibenwickels und somit der Scheibenwickellage derart ausgelegt werden, dass die entstandene Verlustleistung aus dem Scheibenwickel allein an deren intrinsischer Oberfläche an die Umgebung abgegeben wird, ohne dass zusätzliche, die Oberfläche vergrößernde Elemente an der Oberfläche angebracht oder mechanische Kühlkanäle eingebaut werden müssen.
Ein Widerstandswert F_r, d. h. das Verhältnis des bei der Betriebsfrequenz ermittelten Wechselstromwiderstandes R_ac zum Gleichstromwiderstand R_dc von kleiner als 3, jedoch höchstens 3 wird bspw. mit den oben beschriebenen Maßnahmen erreicht, wonach die Leiterhöhe oder die Leitergeometrie auf die Betriebsfrequenz, also den Mittelfrequenzbereich abgestimmt wird und/oder eine Verschachtelung der Wicklungen erfolgt und/oder eine geeignete Wahl des Wickelgutes vorgenommen wird.
Ein solches induktives Bauteil weist eine geringe Verlustleistung auf und erfordert gleichzeitig einen geringen Bauraum im Vergleich zu einem induktiven Bauteil derselben Leitung für 50Hz-Anwendungen. Aufgrund der kleinbauenden Bauform des Bauteils ist eine konstruktiv einfache Wärmeabfuhr aus dem Bauteil heraus realisierbar und daher ist weiterbildungsgemäß dieses Bauteil kühlkanalfrei ausgebildet, wodurch der erforderliche Bauraum zusätzlich reduziert wird.
Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist jeder der Scheibenwickel des induktiven Bauteils eine Windungszahl N von mindestens 3 auf. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass sich eine optimale Spannungsverteilung, insbesondere bei Spannungsimpulsen, innerhalb des Scheibenwickels einstellt.
Um die Verluste bei einer Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich zu reduzieren, sind vorzugsweise die Scheibenwickel als Flachdraht oder elektrisch leitende Folie oder als HF-Litze ausgebildet. Ferner sind die Scheibenwickel vorzugsweise aus Metall, insbesondere Kupfer, gebildet.
Nach einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das induktive Bauteil ein Raumvolumen von höchstens 400 Liter. Dieses Raumvolumen wird dadurch sichergestellt, dass bei Zugrundelegung der Trafohauptformel (U ~ f*N*A*B mit N: Windungszahl, A: Kernquerschnitt und B: Magnetische Aussteuerung des Kernmaterials) der Kernquerschnitt A und die Windungszahl N entsprechend und in Abhängigkeit der anderen Parameter aus dieser Formel, insbesondere B und f, gewählt werden. Zudem ist das Bauteil kühlkanalfrei ausgebildet, um ein Raumvolumen von höchstens 400 Liter zu ermöglichen.
Um die Verluste bei einer Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich zu reduzieren, ist nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung der Magnetkern aus Ferrit, nanokristallinem Kernmaterial, amorphem Kernmaterial oder einem Pulvermaterial gebildet.
Des Weiteren ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Schenkel des Magnetkerns aus einzelnen Kernsegmenten besteht, die durch Isolationsschichten oder Permanentmagnete beabstandet sind. Mit einem solchen Magnetkern wird erreicht, dass Kupferverluste minimiert werden, ein gefordertes Sättigungsverhalten und eine geforderte magnetische Aussteuerung erreicht wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens zwei Scheibenwickel axial zueinander beabstandet sind und eine erste Scheibenwickellage bilden und dass mindestens eine zweite Scheibenwickellage um die erste Scheibenwickellage gewickelt ist. Der Vorteil eines solchen induktiven Bauelementes besteht darin, dass ein gefordertes Übersetzungsverhältnis und/oder eine ausreichende elektrische Isolation und eine ausreichende Entwärmung sichergestellt wird, d. h. damit wird eine konstruktiv einfache Wärmeabfuhr aus dem Bauteil heraus realisiert. Vorzugsweise sind hierbei die erste Scheibenwickellage (I) und die zweite Scheibenwickellage (II) voneinander elektrisch getrennt.
Vorteilhaft ist es auch, wenn bei der zuletzt genannten Ausgestaltung der Erfindung die zweite Scheibenwickellage als ein einziger Scheibenwickel ausgebildet ist und die axiale Erstreckung dieses Scheibenwickels größer ist als die axiale Erstreckung eines Scheibenwickels der ersten Scheibenwickellage. Damit wird erreicht, dass eine vorteilhafte Verteilung des elektrischen Feldes ermöglicht wird.
Als eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung hat sich herausgestellt, wenn die Dicke des Flachdrahts oder der Folie in radialer Richtung eines Scheibenwickels zwischen 0,05 mm und 2,0 mm und die axiale Erstreckung eines solchen Scheibenwickels zwischen 5 mm und 250 mm ist. Die Vorteile bestehen darin, dass eine optimale Abstimmung der Leitergeometrie auf die Betriebsfrequenz und/oder den Stromwert erfolgt, insbesondere die Forderung erfüllt wird, dass der Fr-Faktor höchstens den Wert 3 annimmt.
Eine besonders bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass zwischen der ersten Scheibenwickellage und der zweiten Scheibenwickellage ein Nebenschluss-Shunt angeordnet ist, mit welchem ein magnetischer Nebenschlusses des Magnetkernes eingerichtet ist. Ein solcher aus Kernmaterial hergestellter Nebenschluss-Shunt dient dazu, die Streuinduktivität bspw. eines Transformators einzustellen, insbesondere erhöhen zu können. Damit kann ein bestimmtes Verhältnis zwischen Haupt- und Streuinteraktivität eingestellt werden. Vorzugsweise besteht der Nebenschluss-Shunt aus einzelnen aus Kernmaterial hergestellten Shunt-Segmenten, die durch Isolationsschichten, die als Luftspalt wirken, beabstandet sind. Ein solcher Nebenschluss-Shunt kann auch einstückig aus Kernmaterial, also ohne Luftspalte realisiert werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist ein solcher Nebenschluss-Shunt in der Ebene des Magnetkernes angeordnet. In diesem Fall laufen die magnetischen Flüsse für die Haupt- und die Streuinduktivität im Wesentlichen in einer Ebene zueinander. Alternativ ist der Nebenschluss-Shunt in einer Ebene senkrecht zur Ebene des Magnetkernes angeordnet. In diesem Fall laufen die magnetischen Flüsse für die Haupt- und die Streuinduktivität im Wesentlichen in senkrechten Ebenen zueinander.
Alternativ ist weiterbildungsgemäß anstelle eines aus Kernmaterial hergestellten Nebenschluss-Shunts zwischen der ersten Scheibenwickellage und der zweiten Scheibenwickellage wenigstens eine Lage einer magnetischen Folie als Nebenschluss-Shunt angeordnet.
Das induktive Bauteil ist entweder als Drossel oder als Transformator ausgebildet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Scheibenwickel mäanderförmig in Reihe geschaltet. Dies bietet den Vorteil, dass die Scheibenwickel besonders bauvolumensparend realisiert werden können. Alternativ sind die einzelnen Scheibenwickel der Reihe nach in Serie geschaltet. Dies bietet den Vorteil, dass eine einfache Herstellung der Scheibenwickel ermöglicht wird.
Des Weiteren weist nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung die Scheibenwickel zu dem mindestens einen Schenkel des Magnetkerns in radialer Richtung einen Abstand von größer 0,1 mm bis kleiner 200 mm auf. Damit wird erreicht, dass eine optimale Isolationskoordination ermöglicht wird.
Vorteilhaft ist es, wenn weiterbildungsgemäß die Scheibenwickel vergossen sind und/oder eine Isolierung aufweisen oder getränkt oder in einem umgebenden Medium wie bspw. Öl positioniert sind.
Das induktive Bauteil ist geeignet zur Anwendung in einem Frequenzbereich von etwa größer 1 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von größer als 5 kHz, vorzugsweise von 10 kHz oder größer als 10 kHz und kleiner als 1 MHz.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:

1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines als Drossel ausgeführten induktiven Bauelementes mit einem E-Kern und mehreren Scheibenwickeln in einer Scheibenwicklungslage,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines als Transformator ausgeführten induktiven Bauelementes mit einem E-Kern und zwei Scheibenwicklungslagen,
3 Detaildarstellungen einer Scheibenwicklungslage auf einem Mittelbutzen eines E-Kerns gemäß den 1 und 2,
4 Detaildarstellung entsprechend den 3, wobei die Scheibenwickel mit einem Flachdraht als Leiter dargestellt sind,
5 Detaildarstellung entsprechend den 3, wobei die Scheibenwickel mit einer Hochfrequenz-Litze als Leiter dargestellt sind,
6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines als Drossel ausgeführten induktiven Bauelementes mit einem E-I-Kern und mehreren Scheibenwickel in einer Scheibenwicklungslage,
7 ein viertes Ausführungsbeispiel eines als Transformator oder Drossel mit zwei Wicklungen ausgeführten induktiven Bauelementes mit einem U-Kern mit zwei Scheibenwicklungslagen,
8 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines als Transformator oder 2-schenkelige Drossel ausgeführten induktiven Bauelementes mit auf jeweils jedem Schenkel angeordneten Scheibenwickel in jeweils einer Scheibenwicklungslage,
9 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines als Transformator gemäß 2 ausgeführtes induktives Bauelementes mit einem E-Kern und zwei Scheibenwicklungslagen sowie eines in der Ebene des Magnetkernes angeordneten Nebenschluss-Shunts,
10 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines als Transformator gemäß 2 ausgeführtes induktives Bauelementes mit einem E-Kern und zwei Scheibenwicklungslagen sowie eines in der Ebene des Magnetkernes angeordneten Nebenschluss-Shunts, und
11 ein achtes Ausführungsbeispiel eines als Transformator gemäß 2 ausgeführtes induktives Bauelementes mit einem E-Kern und zwei Scheibenwicklungslagen sowie eines senkrecht zur Ebene des Magnetkernes angeordneten Nebenschluss-Shunts.

Das in 1 dargestellte induktive Bauelemente 10 stellt eine Drossel dar, welche einen E-Kern 30 mit einem Luftspalt 35b und mit zwei E-förmigen Kernhälften 31 und 32 und einer auf einem Mittelbutzen 35 des E-Kerns 30 angeordnete Scheibenwicklungslage I aus vier Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 aufweist. Diese Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 erstrecken sich in axialer Richtung des Mittelbutzen 35, wobei zwei Scheibenwickel 20 und 21 auf dem Mittelbutzen der Kernhälfte 31 und die anderen zwei Scheibenwickel 22 und 23 auf dem Mittelbutzen der anderen Kernhälfte 32 angeordnet sind.
Der Kern 30 besteht aus Ferrit, nanokristallinem Kernmaterial, amorphem Kernmaterial oder einem Pulvermaterial.
Die vier Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 sind in einem radialen Abstand R zum Mittelbutzen 35 um denselben gewickelt. Dieser Abstand R ist größer als 0,1 mm und kleiner als 200 mm. In axialer Richtung des Mittelbutzens 35 weisen die Scheibenwickel 20 bis 23 eine Länge B mit einem Wert zwischen 5 mm und 250 mm auf.
Die Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 sind elektrisch mäanderförmig in Reihe geschaltet. Alternativ können diese Scheibenwickel 20 bis 23 elektrisch der Reihe nach in Serie verschaltet werden. Im Detail werden diese Ausführungen anhand der 3a, 3b, 4 und 5 erläutert.
Ferner können die Scheibenwickel 20 bis 23 vergossen werden und/oder eine Isolierung aufweisen. Auch ist es möglich, diese Scheibenwickel 20 bis 23 zu tränken oder in einem umgebenden Medium, wie bspw. Öl zu positionieren.
Diese Drossel als induktives Bauelement 10 wird mit einer Betriebsfrequenz von größer als 10 kHz betrieben, da dieses Bauelement 10 bei dieser Betriebsfrequenz effizient und damit kleinbauend ist. Aufgrund der Eigenschaft, dass die Leiterhöhe auf die Betriebsfrequenz von größer 10 kHz abgestimmt ist, ist der Widerstandsfaktor F_r kleiner als 3 und weist den Wert 1,5 auf.
Aufgrund der Eigenschaft, dass der Kern aus Ferritmaterial besteht und die Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich liegt, ist das Raumvolumen kleiner als 400 1 und weist den Wert von 2 1 auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine gemäß 1 aufgebaute PFC-Drossel mit 10000µH bei 4A_eff und 2A_ss und 100 Windungen weist bei einem Frequenzgemisch aus 50Hz Grundwelle (Sinus) und 24kHz Rippelfrequenz (dreieckförmig) folgende Parameter auf:

- B= 25 mm,
- R= 15 mm,
- die Dicke der Scheibenwickellage I beträgt ca. 8 mm.
- die Scheibenwickellage I umfasst 100 Windungen in 4 Scheibenwickeln mit je 25 Windungen aus Kupferfolie, wobei jede Folie 0,2 mm dick ist,
- der Abstand der 4 Scheibenwickel von Lage I zueinander beträgt ca. 6 mm,
- der Abstand zwischen Kernjoch oben und oberem Ende der Scheibenwickellage I beträgt 25 mm (= Einrückung); gleiches gilt für den Abstand am unteren Kernjoch zu der Scheibenwickellage I.

Ferner weist der Kern einen Querschnitt von 2000 mm² auf, umfasst eine Wickelfensterbreite von 170 mm und eine Wickelfensterhöhe von 47 mm. Unter Berücksichtigung der Wickelfensterhöhe ergibt sich eine mittlere Kupferweglänge von ca. 305 mm und eine effektive Eisenweglänge von ca. 500 mm, wobei der Kern die Abmessungen von ca. 210 x 185 x 50 mm (Breite x Länge x Dicke) aufweist und der Luftspalt ca. 3 mm beträgt.
Eine gemäß 1 aufgebaute PFC-Drossel mit diesen Parametern weist einen FR-Faktor, an der Scheibenwicklungslage I gemessen, von ca. 1,7 auf.
Diese Drossel als induktives Bauelement 10 gemäß 1 wird eingesetzt für Filteranwendungen.
Das in 2 dargestellte induktive Bauelemente 100 stellt einen Transformator dar, welcher aus einem E-Kern 30 mit zwei E-förmigen Kernhälften 31 und 32 gebildet ist, wobei der Mittelbutzen 35 einen Luftspalt 35b aufweist.
Auf dem Mittelbutzen 35 des E-Kerns 30 sind vier Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 als Scheibenwicklungslage I angeordnet. Diese Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 erstrecken sich in axialer Richtung des Mittelbutzen 35, wobei zwei Scheibenwickel 20 und 21 auf dem Mittelbutzen der Kernhälfte 31 und die anderen zwei Scheibenwickel 22 und 23 auf dem Mittelbutzen der anderen Kern-hälfte 32 angeordnet sind.
Die vier Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 der Scheibenwicklungslage I sind in einem radialen Abstand R zum Mittelbutzen 35 um denselben gewickelt. Dieser Abstand R ist größer als 0,1 mm und kleiner als 200 mm. In axialer Richtung des Mittelbutzens 35 weisen die Scheibenwickel 20 bis 23 eine Länge B mit einem Wert zwischen 5 mm und 250 mm auf.
Eine weitere Scheibenwicklungslage II befindet sich auf der Scheibenwicklungslage I und ist als Scheibenwickel 25 auf dieser um den Mittelbutzen 30 gewickelt. Damit besteht die weitere Scheibenwicklungslage II aus einem einzigen Scheibenwickel 25. In axialer Richtung des Mittelbutzens 35 weist die weitere Scheibenwicklungslage II eine Länge B auf, die der Länge A der Scheibenwicklungslage I spricht.
Die Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 der Scheibenwicklungslage I sind elektrisch mäanderförmig in Reihe geschaltet. Alternativ können diese Scheibenwickel 20 bis 23 der Scheibenwicklungslage I elektrisch der Reihe nach in Serie verschaltet werden. Im Detail werden diese Ausführungen anhand der 3a, 3b, 4 und 5 erläutert.
Ferner können die Scheibenwickel 20 bis 23 und 25 der Scheibenwicklungslage I und der Scheibenwicklungslage II vergossen werden und/oder eine Isolierung aufweisen. Auch ist es möglich, diese Scheibenwickel 20 bis 23 und 25 zu tränken, oder in einem umgebenden Medium, wie bspw. Öl zu positionieren.
Der Kern 30 besteht aus Ferrit, nanokristallinem Kernmaterial, amorphem Kernmaterial oder einem Pulvermaterial.
Dieser Transformator als induktives Bauelement 100 wird mit einer Betriebsfrequenz von größer als 10 kHz betrieben, um damit ein effizientes und somit auch kleinbauendes Bauteil 10 zu realisieren. Aufgrund der Eigenschaft, dass die Leiterhöhe auf die Betriebsfrequenz von größer 10 kHz abgestimmt ist, ist der Widerstandsfaktor Fr kleiner als 3 und weist den Wert 1,3 auf.
Aufgrund der Eigenschaft, dass zusätzlich der Magnetkern aus Ferritmaterial besteht, ist das Raumvolumen kleiner als 400 1 und weist den Wert von 3 1 bei einer Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich auf.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen gemäß 2 aufgebauten Transformator mit 90kVA bei 10kV primär zu 950V sekundär im Spannungsverhältnis und 196 zu 19 Windungen, entsprechend einem Übersetzungsverhältnis von ca. 10, weist bei einer Betriebsfrequenz von 30 kHz mit sinusförmigen Strömen folgende Parameter auf:

- A= 80 mm,
- B= 15 mm,
- R= 10 mm,
- die Dicke der Scheibenwickellage II beträgt ca. 5 mm,
- die Scheibenwickellage II umfasst 19 Windungen von Kupferfolie, wobei jede Folie 0,2 mm dick ist,
- die Dicke der Scheibenwickellage I beträgt ca. 9 mm,
- die Scheibenwickellage I umfasst 196 Windungen in 4 Scheibenwickeln mit je 49 Windungen aus Kupferfolie, wobei jede Folie 0,1 mm dick ist,
- der Abstand zwischen den Scheibenwickellagen I und II beträgt 12 mm (= Zwischenisolation),
- der Abstand der 4 Scheibenwickel der Scheibenwickellage I zueinander beträgt ca. 6 mm, und
- der Abstand zwischen Kernjoch oben und oberem Ende der Scheibenwickellage I bzw. II beträgt 8 mm (= Einrückung), wobei gleiches für den Abstand am unteren Kernjoch zu der Scheibenwickellage I oder II gilt.

Ferner weist der Kern einen Querschnitt von 1650 mm² auf, umfasst eine Wickelfensterbreite von 96 mm und eine Wickelfensterhöhe von 44 mm. Unter Berücksichtigung der Wickelfensterhöhe ergibt sich damit eine mittlere Kupferweglänge von ca. 348 mm und eine effektive Eisenweglänge von ca. 368 mm, wobei der Kern die Abmessungen von ca. 200 x 150 x 30 mm (Breite x Länge x Dicke) aufweist und der Luftspalt ca. 2 mm beträgt.
Ein solcher gemäß 2 aufgebauter Transformator weist mit diesen Parametern einen FR-Faktor an der Scheibenwickellage I, also primär gemessen, von ca. 1,7; an der Scheibenwickellage II gemessen, von ca. 2,9 auf.
Dieser Transformator als induktives Bauelement 100 gemäß 2 wird eingesetzt für bspw. einen DC-DC-Wandler mit Netztrennung.
Die 3a), 3b, 4 und 5 zeigen einen Ausschnitt des Mittelbutzens 35 mit Scheibenwickel 20 und 21 des Kerns 30 gemäß den 1 und 2. Die Scheibenwickel 20 und 21 gemäß den 3a) und 3b) bestehen jeweils aus einer Anzahl N = 5 Windungen einer elektrisch leitenden Folie als elektrischer Leiter. Die Abmessungen einer solchen elektrisch leitenden Folie betragen 0,1 mm in der Dicke/Höhe und 20 mm der Breite.
Die Scheibenwickel 20 und 21 gemäß 4 bestehen jeweils aus einer Anzahl N = 5 Windungen eines Flachdrahtes als elektrischer Leiter. Die Abmessungen eines solchen Flachdrahtes betragen 1 mm in der Dicke/Höhe und 5 mm in der Breite.
Die Scheibenwickel 20 und 21 gemäß 5 bestehen jeweils aus einer Anzahl N = 5 Lagen einer Hochfrequenz-Litze als elektrischer Leiter, wobei jede Lage eine gewisse Anzahl N2 von Windungen dieser Hochfrequenz-Litze aufweist. Diese Hochfrequenz-Litze besteht aus 252 Adern mit einer Körnung von 0,1 mm und weist einen Querschnitt von 2 mm² auf.
Die Scheibenwickel 20 und 21 sind mit einem radialen Abstand R vom Mittelbutzen 35 auf denselben gewickelt. Dieser Abstand R weist die im Zusammenhang mit der Erläuterung der induktiven Bauteile 10 und 100 gemäß den 1 und 2 genannten Werte auf.
Ferner sind in diesen 3a, 3b, 4 und 5 die Schritte S1, S2 und S3 einer Herstellungsreihenfolge dargestellt. So werden nach 3a und 4 die Scheibenwickel 20 und 21 ausgehend von dem Scheibenwickel 20 der Reihe nach von innen nach außen vollständig gewickelt. Mit dieser Ausführung wird erreicht, dass ein konstruktiv einfacher Wickelaufbau ermöglicht wird. Nach 3b) und 5 wird zunächst der Scheibenwickel 20 von innen nach außen und anschließend der Scheibenwickel 21 von außen nach innen vollständig gewickelt. Mit dieser Ausführung wird erreicht, dass ein bauvolumensparender Wickelaufbau ermöglicht wird.
Das in 6 dargestellte induktive Bauelemente 200 stellt eine Drossel mit einem E-I-Kern 40 aus I-Teilen 41, 42, 43 und 44 dar, wobei der Mittelbutzen 35 des Kerns 40 entweder aus Kernsegmenten 35a unter Bildung von Luftspalten 35b oder aus Kernsegmenten 35a und dazwischen angeordneten Permanentmagnetsegmenten 35b aufgebaut ist.
Ist der Mittelbutzen 35 mit Luftspalten 35b ausgeführt, führt dies dazu, dass ein höherer Sättigungsstrom beim Betrieb der Drossel erreicht wird. Eine Ausführung des Mittelbutzens 35 mit Kernsegmenten 35a und Permanentmagnetsegmenten 35b führt zu der Eigenschaft, dass eine höhere Sättigungsmagnetisierung erreicht wird.
Auf diesem Mittelbutzen 35 gemäß 6 sind im Abstand R vier Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 als Scheibenwicklungslage I gewickelt. In axialer Richtung des Mittelbutzens 35 weisen die Scheibenwickel 20 bis 23 eine Länge B auf. Diese Länge B weist Werte zwischen 5 mm und 250 mm auf. Der Abstand R ist größer als 0,1 mm und kleiner als 200 mm.
Der Kern 40 besteht aus Ferrit, nanokristallinem Kernmaterial, amorphem Kernmaterial oder einem Pulvermaterial.
Die Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 sind entsprechend den Darstellungen gemäß den 3a, 3b, 4 und 6 ausgeführt.
Ferner können die Scheibenwickel 20 bis 23 vergossen werden und/oder eine Isolierung aufweisen. Auch ist es möglich, diese Scheibenwickel 20 bis 23 zu tränken oder in einem umgebenden Medium, wie bspw. Öl zu positionieren.
Diese Drossel als induktives Bauelement 200 wird mit einer Betriebsfrequenz von größer als 10 kHz betrieben, wodurch ein kleinbauendes und effizientes Bauteil realisiert wird. Aufgrund der Eigenschaft, dass die Leiterhöhe auf die Betriebsfrequenzen größer 10 kHz abgestimmt ist, ist der Widerstandsfaktor F_r kleiner als 3 und weist den Wert 1,7 auf.
Aufgrund der Eigenschaft, dass zudem der Magnetkern aus Ferritmaterial besteht und die Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich liegt, ist das Raumvolumen kleiner als 400 1 und weist den Wert von 42 1 auf.
Diese Drossel als induktives Bauelement 200 gemäß 6 wird eingesetzt für DC-DC-Wandler ohne Netztrennung.
Das in 7 dargestellte induktive Bauelemente 300 stellt einen Transformator dar, welcher aus einem U-Kern 50 mit zwei U-förmigen Kernhälften 51 und 52 unter Bildung eines Luftspaltes 35b gebildet ist. Mit einem solchen Luftspalte 35b wird erreicht, dass eine für die Anwendung optimierte Hauptinduktivität eingestellt werden kann.
Auf einem Schenkel des U-Kerns 50, welcher sich aus zwei Schenkelhälften 51a und 52a der beiden Kernhälften 51 und 52 zusammensetzt, sind eine erste Scheibenwicklungslage I aus zwei Scheibenwickel 20 und 21 mit einem Abstand R von den beiden Schenkelhälften 51a und 52a und hierauf eine zweite Scheibenwicklungslage II aus zwei Scheibenwickel 25 und 26 angeordnet. Hierbei befinden sich die Scheibenwickel 20 und 25 auf dem Schenkel 51a der Kernhälfte 51 und die beiden Scheibenwickel 21 und 26 auf dem Schenkel 52a der anderen Kernhälfte 52. Die Scheibenwickel 20 und 25 bzw. 21 und 26 erstrecken sich in Längsrichtung der beiden Teilschenkel 51a und 52a mit einer Länge B bzw. A. Die Länge A bzw. B weist einen Wert zwischen 5 mm und 250 mm auf.
Der Abstand R ist größer als 0,1 mm und kleiner als 200 mm.
Die Scheibenwickel 20 und 21 der Scheibenwicklungslage I und die Scheibenwickel 25 und 26 der Scheibenwicklungslage II sind elektrisch mäanderförmig in Reihe geschaltet. Alternativ können diese Scheibenwickel 20 und 21 bzw. 25 und 26 der Scheibenwicklungslage I bzw. II elektrisch der Reihe nach in Serie verschaltet werden. Die Scheibenwickel 20 und 21 bzw. 25 und 26 der Scheibenwicklungslage I bzw. II sind entsprechend den Darstellungen gemäß den 3a, 3b, 4 und 6 ausgeführt.
Ferner können die Scheibenwickel 20 bis 23 und 25 der Scheibenwicklungslage I und der Scheibenwicklungslage II vergossen werden und/oder eine Isolierung aufweisen. Auch ist es möglich, diese Scheibenwickel 20 bis 23 und 25 zu tränken oder in einem umgebendem Medium, wie bspw. Öl positioniert werden.
Der Kern 50 besteht aus Ferrit, nanokristallinem Kernmaterial, amorphem Kernmaterial oder einem Pulvermaterial.
Dieser Transformator als induktives Bauelement 300 wird mit einer Betriebsfrequenz von größer als 10 kHz betrieben, um somit ein kleinbauendes und effizientes Bauteil 300 sicherzustellen. Aufgrund der Eigenschaft, dass die Leiterhöhe auf die Betriebsfrequenz von 10 kHz abgestimmt ist, ist der Widerstandsfaktor Fr kleiner als 3 und weist den Wert 1,8 auf.
Aufgrund der Eigenschaft, dass ferner der Magnetkern 50 aus Ferritmaterial besteht und die Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich liegt, ist das Raumvolumen kleiner als 400 1 und weist den Wert von 240 1 auf.
Dieser Transformator als induktives Bauelement 300 gemäß 7 wird eingesetzt für Stromversorgungen in Galvanikanlagen.
Das in 8 dargestellte induktive Bauelemente 400 stellt eine Drossel dar, die entsprechend des induktiven Bauelementes 300 nach 7 aus einem U-Kern 50 mit zwei U-förmigen Kernhälften 51 und 52, jedoch ohne Bildung eines Luftspaltes gebildet ist. Mit einem U-Kern 50 ohne Luftspalt wird erreicht, dass eine bestimmte Induktivitäten in Abhängigkeit der Stromstärke erreicht wird.
Auf jedem Schenkel des U-Kerns 50, welche sich jeweils aus zwei Teilschenkeln 51a und 52a sowie 51b und 52b der beiden Kernhälften 51 und 52 zusammensetzen, sind jeweils eine erste Scheibenwicklungslage Ia und Ib aus jeweils zwei Scheibenwickel 20 und 21 sowie 22 und 23 mit jeweils einem Abstand R von den beiden Schenkelhälften 51a und 52a bzw. 51b und 52b angeordnet.
Hierbei befindet sich der Scheibenwickel 20 bzw. 21 der Scheibenwicklungslage Ia auf dem Teilschenkel 51a bzw. 52a der Kernhälfte 51 bzw. 52. Der Scheibenwickel 22 bzw. 23 der Scheibenwicklungslage Ib befindet sich auf dem Teilschenkel 51b bzw. 52b der Kernhälfte 51 bzw. 52.
Die Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 erstrecken sich in Längsrichtung der Teilschenkel 51a und 52a bzw. 51b und 52b mit einer Länge B. Die Länge B weist einen Wert zwischen 5 mm und 250 mm auf.
Der Abstand R ist größer als 0,1 mm und kleiner als 200 mm.
Die Scheibenwickel 20 und 21 der Scheibenwicklungslage Ia und die Scheibenwickel 22 und 23 der Scheibenwicklungslage Ia sind elektrisch mäanderförmig in Reihe geschaltet. Alternativ können diese Scheibenwickel 20 und 21 sowie 22 und 23 der Scheibenwicklungslage I a bzw. Ib elektrisch der Reihe nach in Serie verschaltet werden. Die Scheibenwickel 20 und 21 bzw. 22 und 23 der Scheibenwicklungslage Ia bzw. Ib sind entsprechend den Darstellungen gemäß den 3a), 3b), 4 und 6 ausgeführt.
Ferner können die Scheibenwickel 20 und 21 der Scheibenwicklungslage Ia sowie die Scheibenwickel 22 und 23 der Scheibenwicklungslage Ib vergossen werden und/oder eine Isolierung aufweisen. Auch ist es möglich, diese Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 zu tränken oder in einem umgebenden Medium, wie bspw. Öl zu positionieren.
Der Magnetkern 50 besteht aus einem Pulvermaterial.
Eine alternative Ausführung des Bauelementes 400 kann einen Magnetkern 50 aus Ferritmaterial mit Luftspalt, aus nanokristallinem Kernmaterial mit Luftspalt oder aus amorphem Kernmaterial mit Luftspalt enthalten.
Eine weitere alternative Ausführung des Bauelementes 400 stellt eine mehrschenklige Drossel mit drei oder mehr Schenkeln dar, zum Beispiel für 3-Phasen-Anwendungen oder höherphasige Anwendungen.
Diese Drossel als induktives Bauelement 400 wird mit einer Betriebsfrequenz von größer als 10 kHz betrieben, somit ein kleinbauendes und effizientes Bauteil 400 sicherzustellen. Aufgrund der Eigenschaft, dass die Leiterhöhe auf die Betriebsfrequenz von größer 10 kHz abgestimmt ist, ist der Widerstandsfaktor Fr kleiner als 3 und weist den Wert 1,8 auf. Das Bauvolumen ist hierbei kleiner als 400 1 und weist den Wert von 2,5 1 auf.
Diese Drossel als induktives Bauelement 400 gemäß 8 wird eingesetzt für resonante Topologien.
Das in den 9 und 10 jeweils dargestellte induktive Bauelement 500 und 600 stellt einen Transformator dar, der entsprechend des induktiven Bauelementes 100 nach 2 aus einem E-Kern 30 mit zwei E-förmigen Kernhälften 31 und 32 gebildet ist, wobei der Mittelbutzen 35 einen Luftspalt 35b aufweist.
Auf dem Mittelbutzen 35 des E-Kerns 30 sind vier Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 als Scheibenwicklungslage I angeordnet. Diese Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 erstrecken sich in axialer Richtung des Mittelbutzen 35, wobei zwei Scheibenwickel 20 und 21 auf dem Mittelbutzen der Kernhälfte 31 und die anderen zwei Scheibenwickel 22 und 23 auf dem Mittelbutzen der anderen Kernhälfte 32 angeordnet sind.
Die vier Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 der Scheibenwicklungslage I sind in einem radialen Abstand R zum Mittelbutzen 35 um denselben gewickelt. Dieser Abstand R ist größer als 0,1 mm und kleiner als 200 mm. In axialer Richtung des Mittelbutzens 35 weisen die Scheibenwickel 20 bis 23 eine Länge B mit einem Wert zwischen 5 mm und 250 mm auf.
Dieses induktive Bauteil 500 und 600 weist entsprechend desjenigen nach 2 eine erste und zweite Scheibenwicklungslage I und II auf. Im Unterschied zu dem induktiven Bauteil 100 ist jedoch bei dem induktiven Bauteil 500 gemäß 9 und bei dem Bauteil 600 gemäß 10 ein Nebenschluss-Shunt 27 vorgesehen, welcher zwischen der Scheibenwicklungslage I und der Scheibenwicklungslage II angeordnet ist.
Der Nebenschluss-Shunt 27 des induktiven Bauteils 500 und des induktiven Bauteils 600 verläuft in der Ebene des Magnetkernes 30. Damit besteht der Nebenschluss-Shunt 27 aus zwei Kernteilen 27.1 und 27.2, die jeweils einen Streupfad aus Kernmaterial zwischen den Jochender Kernhälften 31 und 32 ermöglichen. Diese beiden Kernteile 27.1 und 27.2 können einstückig (vgl. 9), also aus einem Kernmaterial, oder aus mehreren Shunt-Segmenten 27a wie bspw. Ferrit bestehen, so dass zwischen denselben jeweils ein Luftspalt 27b entsteht (vgl. 10) .
Bei einem als Transformator eingesetzten induktiven Bauelement 500 und 600 ist die Scheibenwicklungslage I eine Primärwicklung und die weitere Scheibenwicklungslage II eine Sekundärwicklung. Der Nebenschluss-Shunt 27 befindet sich damit zwischen der Primär- und Sekundärwicklung, also an einer Stelle, an der sich auch eine Zwischenisolation befindet. Der Nebenschluss-Shunt 27 dient dazu, die Streuinduktivität des Transformators 500 und 600 einzustellen, insbesondere zu erhöhen. Damit wird ein bestimmtes Verhältnis von Induktivitätswerten zwischen der Haupt- und Streuinduktivität eingestellt.
Als Nebenschluss-Shunt 27 anstelle der beiden Kernteile 27.1 und 27.2 kann auch eine magnetische Folie als magnetisches Material eingesetzt werden. Ein solcher Nebenschluss-Shunt 27 kann derart realisiert werden, dass entweder keine direkte Verbindung zum Magnetkern 30, wenn die magnetische Folie bspw. dieselbe Abmessung A wie die Scheibenwickellage II aufweist, oder eine Verbindung zum Magnetkern 30 besteht, wenn die Folie bspw. eine axiale Abmessung wie der Nebenschluss-Shunt 27 aufweist. Wenn keine direkte Verbindung zu Magnetkern 30 besteht, entsteht jeweils am Übergang zu den Jochen der beiden Kernhälften 31 und 32 ein Luftspalt.
Das induktive Bauelement 700 gemäß 11 weist einen Kern- und Wicklungsaufbau entsprechend denjenigen induktiven Bauelementen 500 und 600 gemäß den 9 und 10 auf, wobei sich jedoch das induktive Bauelement 700 von denjenigen gemäß den 9 und 10 durch die Anordnung des Nebenschluss-Shunts 27 unterscheidet. Der Nebenschluss-Shunt 27 verläuft bei diesem induktiven Bauelement 700 in einer Ebene senkrecht zur Ebene des Magnetkernes 30. Wie aus der Draufsicht in Richtung des Mittelbutzens 35 des Magnetkernes 30 gemäß 11 erkennbar ist, besteht auch dieser Nebenschluss-Shunt 27 aus zwei Kernteilen 27.1 und 27.2 mit U-förmigen Verlauf, so dass deren kurzen Schenkel auf den Jochen der beiden Kernhälften 31 und 32 stehen.
Bei dieser Ausführung eines induktiven Bauelementes 700 gemäß 11 mit einem Nebenschluss-Shunt 27, verlaufen die magnetischen Flüsse für die Haupt- und Streuinduktivität im Wesentlichen in senkrechten Ebenen zueinander. Ein solcher Nebenschluss-Shunt 27 kann auch mit Luftspalten ausgeführt werden.
Der Nebenschluss-Shunt 27 des als Transformator ausgeführten induktiven Bauelementes 700 gemäß 11 dient dazu, dessen Streuinduktivität einzustellen, insbesondere zu erhöhen. Damit wird ein bestimmtes Verhältnis von Induktivitätswerten zwischen der Haupt- und Streuinduktivität eingestellt.
Die Wirkung des Nebenschluss-Shunts 27 der Transformatoren 500, 600 und 700 kann auch dadurch realisiert werden, dass lediglich der Raum zwischen der Scheibenwicklungslage I als Primärwicklung und der Scheibenwicklungslage II als Sekundärwicklung vergrößert wird, um damit die magnetische Kopplung zwischen diesen beiden Scheibenwicklungslagen I und II zu verschlechtern. Damit verläuft ein größerer Teil der Feldlinien im sogenannten „freien Raum“, wodurch die Streuinduktivität erhöht wird. Über diesen radialen Abstand zwischen den beiden Scheibenwicklungslagen I und II kann damit die Streuinduktivität eingestellt werden.
Die aufgezeigten drei Möglichkeiten zur Einstellung der Streuinduktivität eines Transformators mit zwei Scheibenwicklungslagen I und II als Primär- und Sekundärwicklung können auch kombiniert werden. Eine vorteilhafte Kombination besteht darin, den Nebenschluss-Shunt 27 gemäß den 9, 10 und 11 mit der Maßnahme zu kombinieren, den Abstand zwischen den beiden Scheibenwicklungslagen I und II einzustellen. Eine weitere vorteilhafte Kombination besteht darin, den mittels einer magnetischen Folie realisierten Nebenschluss-Shunt 27 mit der Maßnahme zu kombinieren, den Abstand zwischen den beiden Scheibenwicklungslagen I und II einzustellen. Schließlich ist auch möglich, alle drei aufgezeigten Möglichkeiten zu kombinieren.
Sind bei einem Transformator 500 oder 600 gemäß den 9 und 10 neben der Primär- und Sekundärwicklung I und II eine weitere Wicklung III (in den Figuren nicht dargestellt) vorgesehen, kann ein Nebenschluss-Shunt entweder zwischen der Primärwicklung I und der Sekundärwicklung II und/oder zwischen der Sekundärwicklung II und der weiteren Wicklung III angeordnet werden.
Die weitere Scheibenwicklungslage II der induktiven Bauelementen 500, 600 und 700 befindet sich beabstandet zum Nebenschluss-Shunt 27 und ist als Scheibenwickel 25 um den Mittelbutzen 30 gewickelt. Damit besteht die weitere Scheibenwicklungslage II aus einem einzigen Scheibenwickel 25. In axialer Richtung des Mittelbutzens 35 weist die weitere Scheibenwicklungslage II eine Länge A auf.
Die Scheibenwickel 20, 21, 22 und 23 der Scheibenwicklungslage I sind elektrisch mäanderförmig in Reihe geschaltet. Alternativ können diese Scheibenwickel 20 bis 23 der Scheibenwicklungslage I elektrisch der Reihe nach in Serie verschaltet werden. Im Detail sind diese Ausführungen anhand der 3a, 3b, 4 und 5 bereits oben erläutert.
Ferner können die Scheibenwickel 20 bis 23 und 25 der Scheibenwicklungslage I und der Scheibenwicklungslage II vergossen werden und/oder eine Isolierung aufweisen. Auch ist es möglich, diese Scheibenwickel 20 bis 23 und 25 zu tränken, oder in einem umgebenden Medium, wie bspw. Öl zu positionieren.
Der Kern 30 besteht aus Ferrit, nanokristallinem Kernmaterial, amorphem Kernmaterial oder einem Pulvermaterial.
Diese Transformatoren als induktives Bauelement 500, 600 und 700 werden mit einer Betriebsfrequenz von größer als 10 kHz betrieben, um damit ein kleinbauendes und effizientes Bauteil zu realisieren. Aufgrund der Eigenschaft, dass die Leiterhöhe auf die Betriebsfrequenz von größer 10 kHz abgestimmt sind, ist der Widerstandsfaktor Fr kleiner als 3 auf.
Unter einer Betriebsfrequenz ist bei einer Ausgestaltung des induktiven Bauteils als Transformator gemäß den 2, 7 9, 10 und 11 oder als Resonanzdrossel gemäß 8 die Schaltfrequenz zu verstehen. In diesem Fall ist auf diese Frequenz der Fr Faktor bezogen. Im Anwendungsfall einer PFC- oder Inverter- oder DC-Drossel gemäß 6 oder weiteren Drosseln ist unter der Betriebsfrequenz ein Frequenzgeschmisch zu verstehen, auf das sich der resultierende Fr-Faktor bezieht. Dieser berechnet sich aus den einzelnen Fr-Faktoren der unterschiedlichen Frequenzen des Frequenzgemisches.
Unter dem R_DC einer Drossel ist der Widerstand bei Gleichstrom zu verstehen, der an den Klemmen einer Wicklung W1 der Drossel gemessen wird, wobei die Wicklung W1 auf mehrere Schenkel verteilt sein kann.
Unter dem R_AC einer Drossel ist der Widerstand bei Wechselstrom mit entsprechender Betriebsfrequenz zu verstehen, der an den Klemmen einer Wicklung W1 der Drossel gemessen wird. Bei einer Resonanzdrossel ist der R_AC wie der FR-Faktor bei einer Frequenz, d.h. Schaltfrequenz = Betriebsfrequenz gemessen. Bei anderen Drosseln, wie beim FR-Faktor beschrieben, setzt sich der R_AC bei Betriebsfrequenz aus den einzelnen R_AC's des Frequenzgemisches zusammen.
Unter dem R_AC eines Transformators mit einer Wicklung W1 und einer Wicklung W2 ist der Widerstand bei Wechselstrom mit entsprechender Betriebsfrequenz zu verstehen, der an den Klemmen der Wicklung W1 des Transformators gemessen wird, wobei die andere Wicklung W2 (manchmal auch weitere Wicklungen W3 usw.) kurzgeschlossen ist. Bei einem Transformator ist der R_AC wie der FR-Faktor bei einer Frequenz, d.h. Schaltfrequenz = Betriebsfrequenz gemessen.
Unter dem R_DC eines Transformators mit einer Wicklung W1 und einer Wicklung W2 ist der Widerstand bei Gleichstrom zu verstehen, der an den Klemmen der einzelnen Wicklungen W1 und W2 (oder manchmal weitere Wicklungen W3 usw.) des Transformators gemessen und addiert wird. Derjenige Gleichstromwiderstand der Wicklung W1 oder W2, die bei der R_AC-Messung kurzgeschlossen war, wird mit Hilfe des Übersetzungsverhältnisses auf die andere Wicklung transformiert, an deren Klemmen die R_AC-Messung erfolgt ist.
Die Überlegungen bei Resonanzdrossel und Transformator gelten für sinusförmige Strom- und Spannungsverläufe. Bei davon abweichenden Verläufen setzt sich bei einer Resonanzdrossel und einem Transformator die Betriebsfrequenz auch aus einem Frequenzgemisch zusammen, das zur Zusammensetzung des Verlaufs aus einzelnen sinusförmigen Komponenten benötigt wird (Oberwellen) .
Bezugszeichenliste

10: induktives Bauelement
20: Scheibenwickel
21: Scheibenwickel
22: Scheibenwickel
23: Scheibenwickel
25: Scheibenwickel
26: Scheibenwickel
27: Nebenschluss-Shunt
27.1: Kernteil des Nebenschluss-Shunts 27
27.2: Kernteil des Nebenschluss-Shunts 27
27a: Shunt-Segmente des Nebenschluss-Shunts 27
27b: Luftspalt
30: Magnetkern
31: Kernhälfte des Magnetkernes 30
32: Kernhälfte des Magnetkernes 30
35: Mittelbutzen des Magnetkernes 30
35a: Kernsegment
35b: Luftspalt des Mittelbutzens 35
40: Magnetkern
41: I-Teil des Magnetkernes 40
42: I-Teil des Magnetkernes 40
43: I-Teil des Magnetkernes 40
44: I-Teil des Magnetkernes 40
50: Magnetkern
51: Kernhälfte des Magnetkernes 50
51a: Teilschenkel der Kernhälfte 51
51b: Teilschenkel der Kernhälfte 51
52: Kernhälfte des Magnetkernes 50
52a: Teilschenkel der Kernhälfte 52
52b: Teilschenkel der Kernhälfte 52
200: induktives Bauteil
300: induktives Bauteil
400: induktives Bauteil
500: induktives Bauteil
600: induktives Bauteil
700: induktives Bauteil
A: Länge eines Scheibenwickels
B: Länge eines Scheibenwinkels
I: Scheibenwicklungslage
Ia: Scheibenwicklungslage
Ib: Scheibenwicklungslage
II: Scheibenwicklungslage
N: Anzahl der Lagen eines Scheibenwickel
R: Abstand
S1: Schritt einer Herstellungsreihenfolge
S2: Schritt einer Herstellungsreihenfolge
S3: Schritt einer Herstellungsreihenfolge

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

EP 2052393 B1 [0005]
WO 2014/121100 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Horstkotte, R.: „Wirbelstromverluste in Hochfrequenz-Übertragern“, Elektronik, 11/25.5.1990 [0004]

Claims

Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) mit folgenden Merkmalen: - das Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) ist geeignet und eingerichtet für eine Betriebsfrequenz im Mittelfrequenzbereich, - das Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) weist mindestens zwei Scheibenwickel (20, 21, 22, 23, 25, 26) auf, welche um mindestens einen Schenkel (35, 51a, 51b, 52a, 52b) eines Magnetkerns (30, 40, 50) gewickelt sind, und - das Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) weist ein Verhältnis des bei der Betriebsfrequenz ermittelten Wechselstromwiderstandes R_ac zum Gleichstromwiderstand R_dc mit einem Wert von höchstens 3 auf.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) kühlkanalfrei ausgebildet ist.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jeder der Scheibenwickel (20, 21, 22, 23) eine Windungszahl N von mindestens 3 aufweist.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenwickel (20, 21, 22, 23, 25, 26) als Flachdraht oder elektrisch leitende Folie oder als HF-Litze ausgebildet sind.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenwickel (20, 21, 22, 23, 25, 26) aus Metall, insbesondere Kupfer, gebildet sind.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dieses ein Raumvolumen von kleiner gleich 400 Liter umfasst.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (30, 40, 50) aus Ferrit, nanokristallinem Kernmaterial, amorphem Kernmaterial oder einem Pulvermaterial gebildet ist.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schenkel (35) des Magnetkerns (40) aus einzelnen Kernsegmenten (35a) besteht, die durch Isolationsschichten (35b) oder Permanentmagnete beabstandet sind.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Scheibenwickel (20, 21, 22, 23) axial zueinander beabstandet sind und eine erste Scheibenwickellage (I) bilden und dass mindestens eine zweite Scheibenwickellage (II) um die erste Scheibenwickellage (I) gewickelt ist.
Induktives Bauteil (100, 500, 600, 700) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Scheibenwickellage (I) und die zweite Scheibenwickellage (II) voneinander elektrisch getrennt sind.
Induktives Bauteil (100, 500, 600, 700) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Scheibenwickellage (II) als ein einziger Scheibenwickel (25) ausgebildet ist und die axiale Erstreckung (A) dieses Scheibenwickels (25) größer ist als die axiale Erstreckung (B) eines Scheibenwickels (20, 21, 22, 23) der ersten Scheibenwickellage (I).
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400, 500, 600, 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des Flachdrahts oder der Folie in radialer Richtung eines Scheibenwickels (20, 21, 22, 23) zwischen 0,05 mm und 2,0 mm ist und die axiale Erstreckung (B) eines solchen Scheibenwickels (20, 21, 22, 23) zwischen 5 mm und 250 mm ist.
Induktives Bauteil (500, 600, 700) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Scheibenwickellage (I) und der zweiten Scheibenwickellage (II) ein Nebenschluss-Shunt (27) angeordnet ist, mit welchem ein magnetischer Nebenschluss des Magnetkernes (30) eingerichtet ist.
Induktives Bauteil (600) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschluss-Shunt (27) aus einzelnen Shunt-Segmenten (27a) besteht, die durch Isolationsschichten (27b) beabstandet sind.
Induktives Bauteil (500, 600) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschluss-Shunt (27) in der Ebene des Magnetkernes (30) angeordnet ist.
Induktives Bauteil (700) nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Nebenschluss-Shunt (27) in einer Ebene senkrecht zur Ebene des Magnetkernes (30) angeordnet ist.
Induktives Bauteil (500) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Nebenschluss-Shunt (27) zwischen der ersten Scheibenwickellage (I) und der zweiten Scheibenwickellage (II) wenigstens eine Lage einer magnetischen Folie angeordnet ist.
Induktives Bauteil (10, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Drossel ausgebildet ist.
Induktives Bauteil (100, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass dieses als Transformator ausgebildet ist.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenwickel (20, 21, 22, 23) mäanderförmig in Reihe geschaltet sind.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Scheibenwickel (20, 21, 22, 23) der Reihe nach in Serie geschaltet sind.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenwickel (20, 21, 22, 23) zu dem mindestens einen Schenkel (35, 51a, 51b, 52a, 52b) des Magnetkerns (30, 40, 50) in radialer Richtung (R) einen Abstand von größer 0,1 mm bis kleiner 200 mm aufweist.
Induktives Bauteil (10, 100 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenwickel (20, 21, 22, 23) vergossen sind und/oder eine Isolierung aufweisen oder getränkt oder in einem umgebenden Medium positioniert sind.
Verwendung des induktiven Bauteils (10, 100 200, 300, 400) nach einem der Ansprüche 1 bis 23 zur Anwendung in einem Frequenzbereich von 1 kHz bis 10 MHz.
Verwendung des induktiven Bauteils (10, 100 200, 300, 400) nach Anspruch 24 zur Anwendung in einem Frequenzbereich von größer als 5 kHz.