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Die Erfindung betrifft einen Kern für ein Induktivitätsbauteil sowie ein entsprechendes Induktivitätsbauteil nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 11.
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Gattungsgemäße Induktivitätsbauteile sowie deren Kerne finden vorzugsweise Anwendung in bzw. als Resonanzdrosseln, welche wiederum in Schaltnetzteilen zum Einsatz kommen.
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Dementsprechende Schaltnetzteile unterliegen einem Trend zur räumlichen Verkleinerung, welcher hauptsächlich über die Erhöhung der Schaltfrequenz erreicht wird. Bei derartigen Schaltnetzteilen werden zur Verminderung von Schaltverlusten Resonanzdrosseln nötig. Letztere zeichnen sich dabei dadurch aus, dass eine große Stromdifferenz bei recht hohen Schaltfrequenzen anliegt. Daraus ergeben sich verschiedene, mitunter untereinander widerstrebende Anforderungen an den Aufbau einer solchen Drossel.
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Neben verlustarmen Kernmaterialien ist insbesondere eine möglichst geringe Aussteuerung des Kerns gefordert, der wiederum durch eine möglichst kleine Permeabilität des Kerns erreicht werden kann.
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Im Stand der Technik wird dieses Ziel mitunter dadurch erreicht, dass die über Joche miteinander verbundenen Schenkel des Kerns eines Induktivitätsbauteils allesamt eine Schichtstruktur aufweisen, in denen abwechselnd leitende und nicht leitende Schenkelsegmente angeordnet sind. Derartige Schichtstrukturen erweisen sich zwar als vorteilhaft im Hinblick auf die gewünscht kleine Permeabilität der Schenkel, führen jedoch auch zu Nachteilen, insbesondere im Hinblick auf die mechanische Dauerstabilität derartiger Kerne.
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Dabei ist zunächst die Gesamtzahl an Verbindungen bzw. Verbindungsflächen zwischen Leitern und Nichtleitern in den Schenkeln eines entsprechenden Kerns eine grundsätzliche Schwachstelle, da an und für sich jede einzelne Verbindung bzw. Verbindungsfläche ein Ermüdungspotential aufweist, womit sich die Ausfallwahrscheinlichkeit mit zunehmender Anzahl von Verbindungen bzw. Verbindungsflächen aufsummiert. Zudem besteht bei einer Schichtstruktur aller Schenkel des Kerns nicht die Möglichkeit über die Joche eine entsprechende Spannung im Kern aufzubauen bzw. beizubehalten, die die Verbindungen der Schichtstrukturen stützt bzw. unterstützt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein neues Induktivitätsbauteil bzw. einen entsprechenden Kern eines Induktivitätsbauteils vorzuschlagen, welches eine verbesserte mechanische Stabilität bzw. Dauerstabilität bei annähernd gleichbleibend guten elektrischen Eigenschaften ermöglicht.
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Die vorliegende Aufgabe wird durch einen Kern eines Induktivitätsbauteils gemäß Anspruch 1 und durch ein Induktivitätsbauteil gemäß Anspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Grundgedanken bzw. beruht auf der äußerst unerwarteten Erkenntnis, dass bereits ein Schenkel, der eine Mehrzahl von Schenkelelementen aufweist, wobei benachbarte Schenkelelemente jeweils über einen Nichtleiter kraftschlüssig miteinander verbunden sind, für die gewünschten elektrischen Eigenschaften eines Kerns eines Induktivitätsbauteils ausreichend ist. Dabei sind die erfindungsgemäßen Schenkelelemente derart angeordnet, dass der die Schenkelelemente aufweisende Schenkel eine Schichtstruktur erhält, die parallel zu den an dem Schenkel angrenzenden Oberflächen von Jochelementen zur Verbindung der Schenkel verläuft. Neben dem die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel weist der erfindungsgemäße Kern für ein Induktivitätsbauteil auch weitere Schenkel auf, die insgesamt über Jochelemente miteinander verbunden sind. Dadurch wird einerseits die Gesamtzahl der Verbindungen bzw. Verbindungselemente zwischen den einzelnen Schenkelelementen reduziert und zudem durch die Verwendung von zumindest einem nicht zergliederten bzw. strukturierten Schenkels die Möglichkeit eröffnet, den die Schichtstruktur aufweisenden Schenkel entsprechend zu stabilisieren bzw. zu unterstützen. Letzteres kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass mittels des nicht strukturierten Schenkels und den Jochelementen ein Druck auf den die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel ausgeübt bzw. eine dien Verbindungen zwischen den Schenkelelementen und den Nichtleitern unterstützende Spannung in dem die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel erzeugt wird.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kern des Induktivitätsbauteils insgesamt genau drei Schenkel aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, dass der Kern zwei nicht strukturierte Schenkel aufweist, wodurch eine ausgewogene und moderate mechanische Belastung aller Schenkel ermöglicht wird und gleichzeitig die gewünschten elektrischen Eigenschaften realisiert werden können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der die Schenkelelemente aufweisende Schenkel zwischen den beiden anderen Schenkeln angeordnet ist. Hierdurch wird eine symmetrische Bauweise des Kerns ermöglicht, die ihrerseits zudem die mechanischen sowie elektrischen Eigenschaften des Kerns positiv beeinflusst.
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Zudem sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kerns vor, dass die Jochelemente und/oder die keine Schenkelelemente aufweisenden Schenkel als I-Kerne mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft ist dabei eine Ausgestaltung als abgeschrägte I-Kerne. Der Vorteil dieser Ausgestaltung der Jochelemente und/oder Schenkel liegt nicht zuletzt in ihrer weiten Verbreitung und dadurch einfachen und kostengünstigen Beschaffung in verschiedensten Varianten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kerns eines Induktivitätsbauteils sieht vor, dass die Schenkelelemente eine ovale oder runde Scheibenform aufweisen, wobei die Schenkelelemente jeweils auf den ovalen oder kreisförmigen Oberflächen mit dem Nichtleiter verbunden sind. Auf einem derartig geformten Schenkel kann besonders einfach eine elektrisch leitende Wicklung aufgebracht werden.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kerns für ein Induktivitätsbauteil ist vorgesehen, dass die Nichtleiter als Scheiben ausgebildet sind, die konzentrisch mit den Schenkelelementen verbunden werden. Dies ermöglicht eine schnelle, sichere, einfache und dauerhafte Verbindung zwischen den Schenkelelementen und den Nichtleitern.
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Weiter sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kerne für Induktivitätsbauteile vor, dass die Nichtleiter lediglich einen Teil der zur Verbindung mit den Schenkelelementen verwendeten Oberflächen der Schenkelelemente bedecken. Dadurch kann einerseits ein Material sparender Einsatz der Nichtleiter erreicht werden und zudem können dadurch weitere Luftspalte zwischen den Schenkelelementen erzeugt werden, die sich vorteilhaft auf die elektrischen Eigenschaften des Kerns bzw. des Schenkels, insbesondere auf die Permeabilität auswirken. Dabei können die zur Verbindung der Nichtleiter und Schenkelelemente jeweils verwendeten Oberflächen, und damit die Form der Schenkelelemente und Nichtleiter(scheiben), geometrisch ähnlich ausgeführt sein. Beispielsweise können die Schenkelelemente und die Nichtleiter über kreisrunde Flächen miteinander verbunden sein, wobei die Kreisflächen der Nichtleiter einen geringeren Radius bzw. Durchmesser als die Kreisflächen der Schenkelelemente aufweisen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der die Schenkelelemente aufweisende Schenkel auf dem Außenumfang mit einer Folie umhüllt ist. Die Folie kann dabei zur besseren oder einfacheren Aufbringung bzw. Anbringung einer elektrisch leitenden Wicklung dienen. Alternativ oder additiv kann die Folie jedoch auch zur mechanischen Stützung des die Schenkelelemente aufweisenden Schenkels eingesetzt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist zudem vorgesehen, dass zwischen den Jochelementen und dem die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel jeweils eine Schicht eines Nichtleiters angeordnet ist. Dadurch können die elektrischen Eigenschaften des Kerns weiter verbessert werden.
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Besonders vorteilhaft ist es weiter, wenn die zwischen den Jochelementen und dem die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel angeordnete Schicht eines Nichtleiters auf der gesamten, der dem Schenkel zugewandten Oberfläche des Jochelements mit Ausnahme der Verbindungsbereiche der Jochelemente mit den anderen Schenkeln verläuft und an den Seiten der Jochelemente, die nicht an einem Schenkel angrenzen, über die Jochelemente geringfügig hinaussteht.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird zudem durch ein Induktivitätsbauteil gelöst, welches einen Kern gemäß einer der vorangehend beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen aufweist. Das erfindungsgemäße Induktivitätsbauteil kann dadurch als Resonanzdrossel zum Einsatz kommen und verfügt neben den gewünscht vorteilhaften elektrischen Eigenschaften auch über deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften und dadurch über eine deutlich gesteigerte mechanische Dauerstabilität und ist damit deutlich langlebiger oder störungsunanfälliger.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Induktivitätsbauteils sieht zudem vor, dass eine elektrisch leitende Wicklung den die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel umgibt. Dabei ist zudem besonders vorteilhaft, wenn die elektrisch leitende Wicklung lediglich eine Wicklungslage umfasst.
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Besonders gute elektrische Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Induktivitätsbauteils werden dann erreicht, wenn dieses, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform, eine elektrisch leitende Wicklung aus HF-Litze und/oder Cu-Band aufweist. Ebenfalls vorteilhaft für die elektrischen Eigenschaften des Induktivitätsbauteils ist die Ausführungsform, bei der die elektrisch leitende Wicklung direkt auf dem die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel bzw. auf einer auf dem die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel angeordneten Folie angeordnet ist.
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Alternativ dazu kann es jedoch ebenfalls vorteilhaft sein, wenn die elektrisch leitende Wicklung konzentrisch zu dem die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel angeordnet ist, wobei sich ein Spalt zwischen dem Schenkel und der elektrisch leitenden Wicklung bildet.
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Um eine möglichst einfache elektrische Kontaktierung des Induktivitätsbauteils zu ermöglichen sieht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung vor, dass die elektrisch leitende Wicklung mittels zumindest eines Zuführungskontakts mit zumindest einer Stromführungsleitung verbindbar ist.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand schematischer Darstellungen und in lediglich beispielhaften Ausführungsformen beschrieben.
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Es zeigen:
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1: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Induktivitätsbauteils gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2: einen Schnitt durch die Seitenansicht der 1 parallel zur Bildebene der 1;
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3: einen Schnitt durch eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Induktivitätsbauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4: einen Schnitt durch die Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Induktivitätsbauteil gemäß der ersten Ausführungsform.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Induktivitätsbauteil 01 welches neben zwei Jochelementen 02, massive bzw. nicht strukturierte Schenkel 03 sowie einen segmentierten Schenkel 04 umfasst, wobei die Schenkel 03 und 04 über die Jochelemente 02 miteinander verbunden sind. Um den die Schichtstruktur aufweisenden Schenkel 04 befindet sich zudem eine elektrisch leitende Wicklung 05. Die in 1 nicht sichtbare Schichtstruktur des Schenkels 04 verläuft dabei parallel zu der an dem Schenkel 04 angrenzenden Oberfläche 13 des Jochelements 02. Zwischen den Jochelementen 02 und dem die Schichtstruktur aufweisenden Schenkel 04 befindet sich jeweils zudem eine Schicht eines Nichtleiters 06. Zudem in 1 dargestellt sind die in der Ansicht der 1 auf der Rückseite des Induktivitätsbauteils verlaufenden Stromführungsleitungen 07, die in der Ansicht der 1 auf der Rückseite des Induktivitätsbauteils 01 mit der elektrisch leitenden Wicklung 05 mittels zumindest eines, ebenfalls nicht dargestellten, Zuführkontakts verbunden sind.
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Wie aus der Darstellung der 1, auch ohne die explizite Darstellung der Strukturierung des Schenkels 04, erkenntlich ist kann mittels der massiven Schenkel 03 bzw. nicht strukturierten Schenkel 03 einerseits eine gegenüber einer Gesamtheit von strukturierten Schenkeln verbesserte mechanische Gesamtstabilität erreicht werden. Zudem kann mittels der Schenkel 03 und der Jochelemente 02 eine die Stabilität des Schenkels 04 unterstützende mechanische Spannung aufgebaut bzw. beibehalten werden.
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Ebenfalls in 1 erkenntlich ist die Ausführung der Jochelemente 02 und Schenkel 03 als abgeschrägte I-Kerne mit rechteckigem Querschnitt.
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2 zeigt einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Induktivitätsbauteil 01, der neben der elektrisch leitenden Wicklung 05 einen erfindungsgemäßen Kern eines Induktivitätsbauteils zeigt. Dieser umfasst neben den Jochelementen 02 und den Schenkeln 03 auch den die Schichtstruktur aufweisenden Schenkel 04, dessen benachbarte Schenkelelemente 08 jeweils über einen Nichtleiter 09 kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Die Art und Weise, wie die Verbindung zwischen den Schenkelelementen 08 und den Nichtleitern 09 hergestellt wird ist grundsätzlich beliebig. Vorteilhaft kann die Verbindung jedoch mittels Kleben oder dergleichen hergestellt werden. Auch die Materialien der Schenkelelemente 08 können an sich und/oder innerhalb eines Kerns variieren. Als vorteilhaft haben sich jedoch Ferrite als Material der Schenkelelemente 08 erwiesen. Gleiches gilt für das Material der Jochelemente 02 und der nicht strukturierten Schenkel 03.
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Zudem in 2 dargestellt ist die symmetrische Anordnung des strukturierten Schenkels 04 zwischen den genau zwei anderen Schenkeln 03. Dabei sind die Schenkel im Beispiel der 2 allesamt in einer Ebene angeordnet, was eine Platz sparende und damit vorteilhafte Bauweise des Kerns bzw. des Induktivitätsbauteils 01 ermöglicht und für die Stabilisierung des strukturierten Kerns besonders vorteilhaft ist. Alternativ kann auch eine andere Anordnung der Schenkel, wie beispielsweise in einem Dreieck auf den Jochelementen 02, vorgesehen sein.
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In der Ausführungsform der 2 sind die ausgebildeten Nichtleiter 09 nicht auf den gesamten zur Verbindung der Schenkelelemente mit den Nichtleitern verwendeten Oberflächen 14 der Schenkelelemente angeordnet. Dadurch entstehen zwischen den Schenkelelementen 08 Luftspalte 10, welche die Permeabilität des Kerns positiv beeinflussen. Ein weiterer Luftspalt 10 entsteht in der Ausführung der 2 zwischen dem strukturierten Schenkel 04 und der elektrisch leitenden Wicklung 05 durch den gegenüber dem Innenumfang der Wicklung 05 geringer ausgeführten Außenumfang der Schenkelelemente 08, der sich ebenfalls positiv auf die elektrischen Eigenschaften des Kerns bzw. des Bauteils auswirkt.
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Auch eine für das Induktivitätsbauteil 01 vorteilhafte Gestaltung der elektrisch leitenden Wicklung 05 ist in 2 schematisch dargestellt. Wie der Schnitt zeigt weist die Wicklung 05 lediglich eine Wicklungslage auf, die wiederum aus einer band- oder litzenförmigen Wicklung besteht.
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3 zeigt einen Schnitt durch die Jochelemente 02 und den die Schenkelelemente aufweisenden Schenkel 04, wobei auf den Schenkelelementen 08 des Schenkels 04 zudem eine Folie 11 angeordnet ist. Die Folie 11 kann dabei sowohl zur besseren und einfacheren Anbringung der elektrisch leitenden Wicklung 05 als auch zur zusätzlichen Stabilisierung des Schenkels 04 dienen.
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Weiter zeigt die 3 den Nichtleiter 06, der jeweils zwischen den Jochelementen 02 und dem Schenkel 04 angeordnet ist. Entsprechend des Schnitts der 3 durch den erfindungsgemäßen Kern eines Induktivitätsbauteils 01 geht aus der 3 ebenfalls hervor, dass der Nichtleiter 06 an den Seiten 16 der Jochelemente 02, die nicht an einen Schenkel angrenzen, über die Jochelemente 02 geringfügig übersteht. In der Ausführungsform der 3 ist die elektrisch leitende Wicklung zudem direkt auf den Schenkel 04 bzw. auf der darauf angeordneten Folie 11 angebracht. Dadurch bilden sich in der Ausführungsform der 3 Luftspalte 10 lediglich zwischen den Schenkelelementen 08, da die Nichtleiter 09 in Form von Scheiben, wie bereits in 2, nicht die gesamten zur Verbindung der Schenkelelemente zur Verfügung stehenden Oberflächen 14 bedecken.
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In dem Schnitt durch die Draufsicht eines erfindungsgemäßen Induktivitätsbauteils der 4 sind die zur Kontaktierung einer Stromführungsleitung 07 vorgesehenen Zuführungskontakte 12 dargestellt, die eine elektrische Verbindung zwischen der Stromführungsleitung 07 und der elektrischen Wicklung 05 ermöglichen. Ebenfalls in der Darstellung der 4 erkennbar ist der Luftspalt 10, der durch den geringfügigen Unterschied zwischen dem Außenumfang des Schenkelelements 08 und dem Umfang der elektrisch leitenden Wicklung 05 entsteht. Die 4 zeigt weiter die seitlich leicht überstehende Schicht eines Nichtleiters 06, die zwischen den nicht dargestellten Jochelementen 02 und dem Schenkel 04 angeordnet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Induktivitätsbauteil
- 02
- Jochelement
- 03
- Schenkel
- 04
- Schenkelelemente aufweisender Schenkel
- 05
- elektrisch leitende Wicklung
- 06
- Schicht eines Nichtleiter
- 07
- Stromzuführungsleitung
- 08
- Schenkelelemente
- 09
- Nichtleiter
- 10
- Luftspalt
- 11
- Folie
- 12
- Zuführungskontakt
- 13
- Jochelement-Oberfläche
- 14
- Schenkelelement-Oberfläche
- 15
- Jochelement-Oberfläche
- 16
- Jochelement-Seite
