DE19627817A1 - Flachspule - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Flachspule, umfassend mindestens einen Spulenkörper mit einem Wickelkörper, auf den eine Wick­ lung aus einem langgestreckten isolierten Leiter gewickelt ist, wobei der Spulenkörper zwei isolierende Flansche hat, welche die Wicklung seitlich begrenzen. Ferner betrifft die Erfindung ein induktives Bauelement, welches mehrere gleich­ artige Flachspulen enthält, sowie eine Litze mit einer Viel­ zahl von miteinander verseilten und/oder verwürgten Einzel­ drähten.

Flachspulen werden als induktive Bauelemente in Form von Drosseln, Transformatoren etc. in elektronischen Schaltungs­ anordnungen verwendet. Die Bauhöhe derartiger Bauelemente de­ finiert im allgemeinen die Gesamthöhe einer bestückten Lei­ terplatte und damit das Abstandsmaß zwischen zwei Leiterplat­ ten in einer Baugruppe. Herkömmliche Spulen haben eine rela­ tiv hohe Bauhöhe, so daß die Anzahl von Leiterplatten je Bau­ gruppe beschränkt ist. Bei diesen herkömmlichen Spulen ist der Leiter im allgemeinen ein lackierter Draht mit kreisför­ migem Querschnitt. Die Kreisform führt dazu, daß der Faktor der Wickelkammer, der sich aus Gesamtquerschnitt des Leitermaterials der Wicklung zu gefülltem Wickelraum ergibt, gering ist, da zwischen den einzelnen, nebeneinander gewic­ kelten Drähten Zwischenräume vorhanden sind, in denen kein Strom fließen kann. Der Wickelraum wird also nur zu einem ge­ wissen Grad ausgenutzt. Typische Werte für den Füllfaktor liegen bei 50%. Zwar steigt der Füllfaktor mit kleiner wer­ dendem Durchmesser des Drahtes an, es entstehen dann jedoch ohmsche Verluste. Ein weiterer Nachteil für den elektrischen Leiter in Drahtform ergibt sich aus dem Skin-Effekt und dem Proximity-Effekt, d. h. bei steigender Frequenz nimmt infolge von Stromverdrängung der Widerstand im Leiter zu, wodurch der Wirkungsgrad und die Größe der Spule abnimmt.

Es ist bekannt, eine Flachspule durch eine spiralförmige Lei­ terbahn auf einer Leiterplatte zu erzeugen. Eine derartige Flachspule hat jedoch geringe Induktivität und schlechte elektrische Eigenschaften. Bei einer Weiterentwicklung dieses Flachspulenprinzips wird die Wicklung in Dickschichttechnik als spiralförmige Leiterbahnschicht erzeugt. Durch Anwendung der Dickschicht-Multilayertechnik können mehrere Lagen von Wicklungen übereinander erzeugt werden. Nachteilig bei dieser Art von Flachspule sind ihre unzureichenden elektrischen Ei­ genschaften, die sich in einer verringerten Spulengüte be­ merkbar machen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Flachspule eingangs ge­ nannter Art weiterzuentwickeln, deren Bauhöhe klein ist und die gute elektrische Eigenschaften hat.

Diese Aufgabe wird für die bekannte Flachspule dadurch ge­ löst, daß der Leiter eine Litze ist, die eine Vielzahl von isolierten, miteinander verseilten und/oder verwürgten und gegeneinander isolierten Einzeldrähten enthält, daß die Litze im Querschnitt eine im wesentlichen vieleckige Form hat, und daß die Wicklung schneckenförmig zwischen den Flanschen aus­ gebildet ist, die voneinander einen Abstand im wesentlichen gleich der Dicke der Litze haben.

Gemäß der Erfindung wird als Leiter eine Litze verwendet, wo­ durch der Gesamtleiterquerschnitt auf eine Vielzahl von dün­ nen, gegeneinander isolierten Einzelleitern aufgeteilt wird. Die Oberfläche dieser Einzeldrähte ist erheblich größer als die Oberfläche des bekannten Drahtleiters. Dies bedeutet, daß bei steigender Betriebsfrequenz die Widerstandserhöhung in­ folge des Skin-Effektes unterdrückt wird und die Wirbelstrom­ verluste auf ein Minimum reduziert werden. Die erfindungsge­ mäße Flachspule ist daher insbesondere für induktive Bauele­ mente im Frequenzbereich oberhalb von 50 Hz geeignet. Ein be­ vorzugtes Einsatzgebiet der neuen Flachspule ist das von Schaltnetzteilen im mittleren und höheren Leistungsbereich, bei denen die Energie durch hochfrequente Impulse übertragen wird.

Die Litze hat im Querschnitt eine im wesentliche vieleckige Form. Dadurch wird erreicht, daß der Wickelraum optimal ge­ nutzt wird und sich der Füllfaktor dem theoretischen Wert 1 annähern kann. Durch die Erhöhung des Füllfaktors wird der Wirkungsgrad gesteigert, d. h. Wärmeverluste werden erheblich reduziert.

Die Litze wird einlagig schneckenförmig gewickelt, so daß sich lediglich eine einzige Wickelschicht ergibt. Bei der An­ ordnung mehrerer Flachspulen, die z. B. zu einem Transformator verschaltet sind, sind die nebeneinanderliegenden Wickel­ schichten optimal miteinander induktiv gekoppelt, so daß der Wirkungsgrad weiter erhöht wird. Durch die Anordnung der Wickelschicht zwischen zwei isolierenden Flanschen sind die Luft- und Kriechstrecken groß, so daß die Forderungen im Hin­ blick auf die Sicherheit der elektrischen Bauelemente (z. B. DIN EN60 950, Klassifikation VDE 0805) gut eingehalten werden können.

Bei der Erfindung wird die Bauhöhe der Flachspule im wesent­ lichen durch die Dicke der Flansche und die Dicke der in ei­ ner einzigen Schicht gewickelten Litze bestimmt. Demgemäß liegt die Bauhöhe der erfindungsgemäßen Flachspule im Bereich der üblichen Bauelemente einer Leiterplatte. In einer Bau­ gruppe mit beengten Raumverhältnissen können somit eine Viel­ zahl von mit Flachspulen bestückten Leiterplatten nebeneinan­ der oder übereinander angeordnet werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Litze an­ gegeben, die eine Vielzahl von miteinander verseilten und/oder verwürgten sowie gegeneinander isolierten Einzel­ drähten hat. Die Litze hat im Querschnitt eine im wesentli­ chen vieleckige Form. Vorzugsweise ist die Litze im Quer­ schnitt rechteckförmig, quadratisch oder dreieckförmig. Durch diese Formen wird der Wickelraum zwischen den Flanschen opti­ mal ausgenutzt, so daß das Leitermaterial nahezu den gesamten Querschnitt des Wickelraums einnimmt.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein induktives Bauelement, welches mehrere erfindungsgemäße Flachspulen ent­ hält, wobei die Flachspulen nebeneinander fluchtend, vorzugs­ weise um einen gemeinsamen Magnetkern angeordnet sind. Ein solches induktives Bauelement kann als Drossel, Speicherüber­ trager oder Transformator verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 schematisch den Aufbau der Flachspule in mehreren Teilbildern sowie eine Anordnung mit mehreren Flachspulen übereinander,

Fig. 2 zwei Ansichten von Flachspulen mit unter­ schiedlichen Litzen,

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung eines indukti­ ven Bauelements mit mehreren übereinander gestapelten Flachspulen,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines aus mehreren Flachspulen bestehenden Trans­ formators,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer rechteckförmigen Litze,

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Litze zur Erläuterung des Herstellprozesses,

Fig. 7 eine rechteckförmige Litze mit mehreren Isolationslagen, und

Fig. 8 eine im Querschnitt kreisförmige Litze vor der Profilformung.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Flachspule in drei Teilbildern a, b, c sowie im Teilbild d eine Anordnung mit mehreren Flachspulen. Gemäß Teilbild a ist ein Wickelkörper 10 mit einem rechteckförmigen Flansch 12 verbunden. Der Wickelkörper 10 hat eine Ausnehmung 14, die sich längs der Längsachse L erstreckt. An den Enden der Aus­ nehmung 14 sind Stege 16 vorgesehen, welche Durchgangsab­ schnitte 18 definieren. Auf der einen Seite des Wickelkörpers 10 ist eine Öffnung 19 eingelassen, die zusammen mit dem Durchgangsabschnitt 18 eine Durchgangsöffnung 20 bildet. Über diese Durchgangsöffnung 20 wird, wie im Teilbild b zu sehen ist, ein Ende des zu einer Wicklung W gewickelten Leiters ge­ führt. Der Leiter ist eine Litze 26, die eine Vielzahl von isolierten, miteinander verseilten und/oder verwürgten Ein­ zeldrähten enthält. Die Litze 26 hat eine quadratische Quer­ schnittsform mit Seitenlänge s. Die Wicklung W besteht aus einer einzigen schneckenförmig gewickelten Lage der Litze 26.

Der Bildabschnitt c der Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ei­ nen fertig montierte Flachspule S mit einem zweiten Flansch 11, der mit dem Wickelkörper 10 verbunden ist. Beide Flansche 11, 12 liegen an den Seitenflächen der Wicklung W an. Der Ab­ stand zwischen den beiden Flanschen entspricht der Seitenlänge s der Litze 26. Beide Flansche 11, 12 sowie der Wickelkörper 10 bilden eine Wickelkammer 28, in der die Wicklung W aufge­ nommen ist. Die Enden 22, 24 der Wicklung W sind herausge­ führt, um sie elektrisch weiter zu verbinden.

Der Flansch 11 enthält einen Schlitz 30, der vom äußeren Rand des Flansches 11 bis zum Wickelkörper 10 verläuft. Durch die­ sen Schlitz 30 hindurch kann das Ende 24 herausgeführt wer­ den. Selbstverständlich ist es möglich, auch am Flansch 12 einen Schlitz zum Herausführen des Endes 24 vorzusehen. Al­ ternativ können die Flansche 11, 12 auch mehrere Schlitze enthalten, um eine Vielzahl von Anschlußmöglichkeiten für das Ende 24 zu schaffen. Außerdem kann der Wickelkörper 10 auf der der Durchgangsöffnung 20 gegenüberliegenden Seite eben­ falls eine Durchgangsöffnung enthalten, um mehrere Möglich­ keiten der Zuführung eines Leiters der Wickelkammer 28 zu schaffen.

Im Bildabschnitt d ist eine Anordnung mit mehreren Flachspu­ len S1, S2, S3 dargestellt, die Flansche 32a, 32b; 32c, 32d; bzw. 32e, 32f haben. Die Flachspulen S1, S2, S3 haben densel­ ben Aufbau wie die im Bildabschnitt c gezeigte Flachspule S. Die Flachspule S1, S2, S3 liegen fluchtend übereinander, so daß ihre jeweiligen Ausnehmungen 14 und ihre Durchgangsab­ schnitte 18 miteinander fluchten. Somit ist jede zwischen den Flanschen 32a bis 32f gebildete Wickelkammer von den äußeren Flanschen 32a bis 32f her zugänglich, so daß in jede Wickel­ kammer ein Leiter geführt werden kann. Die jeweiligen Enden der Wicklungen W in den Wickelkammern werden über Schlitze 30 herausgeführt.

Fig. 2 zeigt Ansichten zweier gleichartig aufgebauter Flach­ spulen S4, S5. Sie unterscheiden sich lediglich im Abstand der jeweiligen Flansche 11, 12 voneinander. Im oberen Bild­ teil hat die Litze einen kleineren Durchmesser als beim Bei­ spiel nach dem unteren Bildteil. Dementsprechend bemißt sich auch der Abstand der jeweiligen Flansche 11, 12 voneinander. Übertragen auf eine Flachspule nach Fig. 1, Bildteil d, be­ deutet dies, daß die Abstände zwischen den verschiedenen Flanschen 32a bis 32f unterschiedlich ausfallen können, je nach dem, welche Dicke die jeweilige Litze hat. So ist z. B. bei einer als Transformator ausgeführten Flachspule die Litze für die Oberspannungsseite dünner als die für die Unterspan­ nungsseite, die einen höheren Strom liefern muß. Demgemäß sind die Abstände zwischen Flanschen der Oberspannungsweite im allgemeinen kleiner als die der Unterspannungsseite. Wie sich aus der Beschreibung ergibt, kann eine Flachspulenanord­ nung mehrere Flachspulen nach Art der Spulen S in Fig. 1, Bildteil c, haben, um die gewünschte Funktion induktiver Spu­ len zu realisieren, beispielsweise um eine Speicherdrossel oder einen Transformator aufzubauen.

Fig. 3 zeigt in einer Explosionsdarstellung eine Flachspu­ lenanordnung mit drei Flachspulen S6, S7, S8, die jeweils nach Art eines Spulenkörpers S aufgebaut sind und Wicklungen aufnehmen. Der jeweils oberste und der unterste Flansch tra­ gen Montageelemente 34, um Magnetschalen 36 eines Magneten zu halten, wie in Fig. 4 zu sehen ist. U-förmige Schienen 38 umgreifen die Flansche der Spulenkörper der Flachspulen S6, S7, S8. Jede Schiene 38 hat abstehende Schenkel 39, welche in Ausnehmungen 41 des obersten und untersten Flansches passen. Die Schienen 38 halten das Paket an Spulenkörpern der Flach­ spulen S6, S7, S8 kompakt zusammen und erhöhen die Kriech­ strecke zwischen potentialführenden Teilen der fertigen Flachspulenanordnung.

Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, ist auf der Jochfläche der oberen Magnetschale 36 ein Kühlkörper 40 mit Kühlrippen 42 befestigt. Die äußere Jochfläche der unteren Magnetschale 36 kann zum Befestigen auf einer Leiterplatte verwendet werden. Durch diese Flachspulenanordnung nach der Erfindung bleibt die Bauhöhe eines induktiven Bauelements klein. Aufgrund der großen Kontaktfläche mit der Leiterplatte und gegebenenfalls unter Nutzung eines Kühlkörpers 40 kann die im induktiven Bauelement entstehende Wärme gut abgeführt werden.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung der Litze 26, welche im wesentlichen einen rechteckförmigen Querschnitt hat. Die Litze 26 enthält im Querschnitt kreisförmige Stränge 48, welche wiederum aus verdrillten Einzeldrähten aus Kupfer oder Aluminium bestehen. Die Einzeldrähte sind zur Isolation im Falle eines Kupferdrahtes mit Lack der Schichtdicke 2-10 µm überzogen. Falls Aluminium als Leiter verwendet wird, reicht zur Isolation eine Oxidschicht aus, für die eine Dicke von 1 µm veranschlagt werden kann. Die Einzeldrähte haben ei­ nen Durchmesser von ca. 0,01 bis 0,40 mm, vorzugsweise 0,10 mm. Die Litze 26 hat eine erste Isolationsschicht 50 so­ wie eine zweite Isolationsschicht 52. Diese Isolationsschich­ ten 50, 52 können durch Umspinnung bzw. Ummantelung erzeugt werden. Durch diese Isolationsschichten erhöht sich die Iso­ lationsfestigkeit der Litze; je Isolationsschicht erhöht sich die Isolationsfestigkeit um 500 bis 12000 V. Die Isolations­ schichten vermindern zuätzlichen die parasitären Kapazitäten.

Fig. 6 zeigt schematisch den Herstellprozeß für die Litze 26. Ausgehend von einem kreisförmigen Querschnitt der Litze erfolgt eine Verformung, wobei das Kreissegment A in das Flä­ chenelement B verlagert wird. Beide Elemente A, B sind flä­ chengleich. Somit entsteht aus einer kreisförmigen Litze eine rechteckförmige Litze annähernd gleichen Querschnitts.

Fig. 7 zeigt die rechteckförmige Litze 26 mit drei Isolier­ lagen 50, 52, 54. Aufgrund der im Querschnitt kreisförmigen Stränge 48 ergeben sich an den Längskanten der Litze 26 Ab­ rundungen 56, so daß an diesen Stellen von der idealen Recht­ eckform abgewichen wird.

Fig. 8 zeigt die Litze 26 in ihrem Ausgangszustand mit kreisförmigem Querschnitt. Wesentlichen Einfluß auf die Güte der Flachspule, d. h. auf den Q-Wert, hat die Schlaglänge. In Fig. 8 ist diese Schlaglänge für einen Strang 48 eingezeich­ net. Außerdem ist diese Schlaglänge wesentlich für die mecha­ nische Festigkeit der Litze 26 und für die Formbeständigkeit nach dem Verformen zu einer Rechteckform oder zu anderen For­ men. Die Schlaglänge wird abhängig von der Gesamtzahl der Einzeldrähte der Litze 26 und vom Durchmesser der Einzel­ drähte eingestellt. Für Einzeldrähte mit Durchmesser von 0,01 bis 0,40 mm und einer Anzahl von 10 bis 300 Einzeldrähten wird eine Schlaglänge im Bereich von 6 bis 45 vorgeschlagen. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß für Einzeldrähte mit Durchmesser von 0,07 bis 0,20 mm und einer Gesamtzahl von 50 bis 2500 Einzeldrähten für die Litze 26 die Schlaglänge im Bereich von 20 bis 60 liegen sollte.

Claims (18)

1. Flachspule, umfassend mindestens einen Spulenkörper mit einem Wickelkörper (10), auf den eine Wicklung (W) aus einem langgestreckten isolierten Leiter (26) gewickelt ist, wobei der Spulenkörper zwei isolierende Flansche (11, 12) hat, welche die Wicklung (W) seitlich begrenzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Leiter eine Litze (26) ist, die eine Vielzahl von isolierten, verseilten und/oder verwürgten und gegeneinander isolierten Einzel­ drähten enthält,
daß die Litze (26) im Querschnitt eine im wesentlichen vieleckige Form hat, und
daß die Wicklung (W) schneckenförmig zwischen den Flanschen (11, 12) ausgebildet ist, die voneinander einen Abstand im wesentlichen gleich der Dicke der Litze (26) haben.

2. Flachspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Litze (26) eine äußere Isolierung (50, 52) hat.

3. Flachspule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Form der Litze (26) im wesentlichen rechtec­ kig, quadratisch oder dreieckförmig ist.

4. Flachspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Einzeldrähte einen kreis­ förmigen Querschnitt haben, deren Durchmesser im Bereich von 0,02 bis 0,4 mm liegt.

5. Flachspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Spulenkörper nebeneinander angeordnet sind und jeder Spulenkörper eine mit der Litze (26) gewickelte Wicklung hat.

6. Flachspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Wickelkörper (10) eine Aus­ nehmung für die Aufnahme eines Schenkels eines Magneten hat.

7. Flachspule nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet zwei gleichgroße E-förmige Halbschalen hat, deren Mittelschenkel in der Ausnehmung des Wickelkörpers angeordnet sind.

8. Flachspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Wicklungen als Primärseite eines Transformators und eine oder meh­ rere weitere Wicklungen als Sekundärseite des Transforma­ tors geschaltet sind.

9. Litze mit einer Vielzahl von miteinander verseilten und/oder verwürgten, gegeneinander isolierten Einzeldräh­ ten, dadurch gekennzeichnet, daß die Litze (26) im Quer­ schnitt eine im wesentlichen vieleckige Form hat.

10. Litze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldrähte Kupfer oder Aluminium enthalten.

11. Litze nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldrähte einen kreisförmigen Querschnitt mit Durchmesser von 0,01 bis 0,4 mm haben.

12. Litze nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Litze (26) im Querschnitt rechteckför­ mig, quadratisch oder dreieckförmig ist.

13. Litze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verseilen der Einzeldrähte die Schlaglänge abhängig vom Durchmesser der verwendeten Ein­ zeldrähte und zusätzlich von der Anzahl der Einzeldrähte eingestellt wird.

14. Litze nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß für Einzeldrähte mit Durchmesser von 0,01 bis 0,40 mm und ei­ ner Anzahl von 10 bis 300 Einzeldrähten die Schlaglänge im Bereich von 6 bis 45 liegt.

15. Litze nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für Einzeldrähte mit Durchmesser von 0,07 bis 0,20 mm und ei­ ner Anzahl von 50 bis 2500 Einzeldrähten die Schlaglänge im Bereich von 20 bis 60 liegt.

16. Induktives Bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es mehrere Flachspulen (S1, S2, S3) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche 1 bis 8 enthält, wobei die Flachspulen (S1, S2, S3) nebeneinander fluchtend angeordnet sind.

17. Induktives Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die schichtartigen Wicklungen der mehreren Flachspulen (S1, S2, S3) um einen gemeinsamen Magnetkern angeordnet sind.

18. Induktives Bauelement nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß es als Drossel, Speicherübertrager oder Transformator ausgebildet ist.