DE69112186T2

DE69112186T2 - Induktive Anordnung mit einem Ringformkern.

Info

Publication number: DE69112186T2
Application number: DE69112186T
Authority: DE
Inventors: Daniel Nicolas Lucien Bogaerts; Der Borght Raymond Jozef P Van
Original assignee: Philips Electronics NV
Current assignee: Industrial And Telecommunication Systems Sca/cva
Priority date: 1990-12-14
Filing date: 1991-12-06
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 2011-12-07
Also published as: EP0490438A1; JPH04340208A; US5214403A; DE69112186D1; EP0490438B1; NL9002753A

Description

Die Erfindung betrifft eine induktive Anordnung mit einem Kern aus einem weichmagnetischen Material in Form eines Torus mit einem Mittelloch, dieser Kern wird wenigstens durch eine erste Wiciklung und wenigstens eine zweite Wicklung eingeschlossen, wobei die erste Wicklung eine Anzahl elektrisch leitender Segmente enthält, die etwa wie eine U-förmige Platte mit zwei im wesentlichen parallelen Endanteilen ungleicher Breite und mit einem keilförmigen zentralen Anteil geformt sind, wobei die Segmente den Kern derart einschließen, daß die Endanteile mit geringerer Breite durch den Mittelloch hindurchragen und die Endanteile mit größerer Breite sich an der Außenseite des Toroidkerns befinden, elektrische Leiter mit den freien Enden der Endanteile verbunden sind, die Leiter die erste Wicklung in Zusammenarbeit mit den Segmenten bilden, die Segmente die Form metallisierter Anteile der Außenfläche einer Kappe haben, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt ist und um den Kern in Form eines Rings mit einem U-förmigen Querschnitt angeordnet ist, und die Segmente durch nichtmetallisierte streifenförmige Anteile der Außenfläche der Kappe elektrisch voneinander isoliert sind.
Eine Anordnung dieser Art ist in IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 32, Nr. 48, September 1989, S. 323 und 324 beschrieben. Die bekannte Anordnung wird dabei mit Induktor/Transformator bezeichnet, was bedeutet, daß die Anordnung entweder ein Induktor (mit einer einfachen Wicklung) oder einen Transformator (mit wenigstens zwei Wicklungen) sein kann. Im letztgenannten Fall werden beide Wicklungen offensichtlich in einem Kupfermuster auf der Kappe und auf dem Substrat angeordnet.
In einigen Fällen ist es wünschenswert, eine elektrisch leitende Abschirmung zwischen der ersten und zweiten Wicklung anzuordnen. Dies ist in der bekannten Anordnung nicht möglich, und der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, in der eine derartige Abschirmung vorhanden ist. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung zwischen dem Kern und der ersten Wicklung angebracht und von einem elektrisch isolierenden Gehäuse eingeschlossen ist, wobei die Innenfläche der Kappe metallisiert ist und zusammen mit einem ringförmigen Deckel, der das offene Ende der Kappe abschließt, eine elektrisch leitende Abschirmung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung bildet, wobei die freien Enden der Endanteile der elektrisch leitenden Segmente mit Verbindungselementen versehen werden.
Vorzugsweise besteht das elektrisch isolierende Gehäuse aus zwei Anteilen in Form eines Torus mit einem U-förmigen Querschnitt, und diese Anteile werden derart auf die zweite Wicklung gestellt, daß ihre offenen Seiten einander zugewandt sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemaßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente aus metallisierten Stifen bestehen, die aus demselben Isoliermaterial wie die Kappe hergestellt sind und eine Einheit mit der Kappe bilden. Die Stifte können auf der Kappe ohne weiteren Aufwand bei der Herstellung der Kappe gebildet werden (beispielsweise durch Spritzgießen) und bei der Metallisierung der Segmente metallisiert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 eine Explosiv-Darstellung mit einer Anzahl von Bauteilen eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 3 eine erste perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Bauteils der erfindungsgemäßen Anordnung und
Fig. 4 eine zweite perspektivische Darstellung des bautells nach Fig. 3.
Die Anordnung nach Fig. 1 ist ein Transformator mit einem Kern 1 aus einem weichmagnetischen Material, beispielsweise aus Ferrit. In Fig. 2 ist klar dargestellt, daß der Kern 1 aus Torus mit einem Mittelloch 3 ausgeführt ist. Der Kern 1 hat eine rotationssymmetrische Konfigurationsform mit einer Symmetrieachse 5, die mit einer strichpunktierte Linie bezeichnet ist. Der Kern 1 wird von einem Spulenformer eingeschlossen, der aus einem ersten Anteil 7, der ringförmig mit einem U-förmigen Querschnitt gebildet ist, und aus einem zweiten Anteil 9 besteht, der als flacher Ring ausgebildet ist und die Öffnung des ersten Anteils abschließt. Der erste Anteil 7 schließt den Kern 1 an drei Seiten ein und der zweite Anteil 9 deckt die vierte Seite ab. Der Spulenformer 7, 9 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff. Um den Spulenformer 7, 9 herum ist eine zweite Wicklung 11 angebracht, die beispielsweise aus elektrisch leitendem Draht besteht und die Primärwicklung des Transformators bildet. Die Sekundärwicklung 11 ist in Fig. 1 in Form eines einfachen Drahtes schematisch dargestellt.
Die zweite Wicklung 11 wird von einem Gehäuse eingeschlossen, das aus einem elektrisch isolierenden Material (beispielsweise einem geeigneten Kunststoff) hergestellt ist und aus einem ersten Anteil 13 und einem zweiten Anteil 15 besteht. Jeder der zwei Anteile 13, 15 ist als Ring mit einem U-förmigen Querschnitt gebildet. Sie sind auf der ersten Wicklung 11 derart angeordnet, daß ihre offenen Seiten einander zugewandt sind. Es ist für die beiden Anteile 13, 15 nicht notwendig, daß sie einander berühren. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß ein Schlitz 17 auf einfache Weise zwischen den Anteilen aufrechterhalten werden kann, um so mehr weil der Transformator vorzugsweise in einem isolierenden Formkunststoff ? eingekapselt wird, die weiter unten näher erläutert wird. Der zweite Anteil 15 enthält einen seitlich ausragenden Drahtführungsanteil 16 zum Herausführen der Verbindungsdrähte der zweiten Wicklung 11 (nicht dargestellt).
Das Gehäuse 13, 15, in dem sich die zweite Wicklung 11 befindet, wird von einer ersten Wicklung eingeschlossen, die die Sekundärwicklung des Transformators bildet. Dazu wird eine Kappe 19 um das Gehäuse 13, 15 angeordnet, und diese Kappe ist als Ring mit einem U-förmigen Querschnitt ausgebildet. In der Außenwand der Kappe 19 ist einen Ausschnitt für den Drahtführungsanteil 16 gebildet. Die Kappe 19 wird anhand der Fig. 3 und 4 näher erläutert.
In Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung der Kappe 19 in derselben Position wie in Fig. 1 (die offene Seite nach oben gerichtet) und in Fig. 4 eine perspektivische Darstellung der Kappe in der umgekehrten Lage (die offene Seite nach unten gerichtet) wiedergegeben. Die Kappe 19 besteht aus einem elektrisch isolierenden Kunststoff, beispielsweise durch Spritzgießen. Beim Spritzgußverfahren werden auf der Kappe die Stifte 21 gebildet, die also aus demselben Isoliermaterial wie die Kappe bestehen. Die Stifte 21 werden in zwei konzentrischen Kreisen angeordnet, die die offene Seite der Kappe abgrenzen. Die Kappe 19 enthält eine Anzahl U-förmiger Ränder 23, die sich über ihre Außenfläche erstrecken und von der Oberfläche der Kappe zwischen den Rändern ausragen. Nach dem Spritzgußverfahren wird die ganze Oberfläche der Kappe 19 mit einer Metallschicht bedeckt, beispielsweise durch elektrodenlose Abscheidung von Kupfer. Diese Metallschicht bedeckt ebenfalls die Oberfläche der Stifte 21. Danach werden die oberen Anteile (die Scheitel) der Ränder 23 zusammen mit der daraufliegenden Metallschicht entfernt, beispielsweise in einer Fräs- oder Schleifbehandelung, so daß elektrisch isolierende streifenförmige Anteile 25 gebildet werden, die sich in Form eines U auf der Außenfläche der Kappe erstrecken und die elektrisch leitende Segmente 27 voneinander isolieren. Das Metall wurde ebenfalls von zwei kreisförmigen Bändern 29 entfernt, die sich auf der Innenfläche der Kappe 19 nahe bei der offenen Seite der Kappe befinden, und die über kurze metallfreie Streifen 31 mit den streifenförmigen Anteilen 25 verbunden sind. Hierdurch werden die elektrisch leitenden Segmente 27 voneinander elektrisch ganz isoliert, jedoch wird die Innenfläche der Kappe 19 im wesentlichen vollständig mit einer elektrisch leitenden Metailschicht 30 bedeckt. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die elektrisch leitenden Segmente 27 ungefähr wie eine U-förmige Platte gebildet werden. Diese Platte enthält einen ersten verhältnismäßig schmalen Endanteil 33 und einen zweiten verhältnismäßig breiten Endanteil 35, wobei die Endanteile durch einen keilförmigen mittleren Anteil 37 miteinander verbunden sind. Nach dem Anbringen der Kappe 19 auf dem Kern 1, ragt der schmale erste Endanteil 33 durch das Mittelloch 3, und der breite zweite Endanteil 35 befindet sich auf der Außenseite des vom Kern gebildeten Ringes. Der keilförmige mittlere Anteil 37 erstreckt sich über eine der Endflächen des Kerns 1 (die untere Endfläche in Fig. 1). Die metallisierten Stifte 21 werden mit der Metallschicht elektrisch verbunden, die die Segmente 27 bildet. Sie dienen als Verbindungselemente zum elektrischen Verbinden der Segmente 27 beispielsweise mit Leiterspuren 39 auf einer Leiterplatte 41 (siehe Fig. 1).
Zusammen mit den Leiterspulen 39 bilden die Segmente 27 die erste (Sekundär-) Wicklung des Transformators. Nach der Beschreibung in der amerikanischen Patentschrift US-A-4 536 733 kann die Konfiguration der ersten Wicklung durch eine geeignete Wahl des Verlaufs der Leiterspuren 39 bestimmt werden.
Statt des beschriebenen Ausführungsbeispiels, in dem die Kappe 19 zum Einschließen der Ränder 23 ausgebildet ist, von denen die Scheitel in einer späteren Phase entfernt werden, um die isolierenden streifenförmigen Anteile 25 zu bilden, sind auch andere Ausführungsbeispiele der Kappe denkbar. Beispielsweise kann die Kappe 19 unter Verwendung von zwei Kunststoffarten in einem Verfahren hergestellt werden, das mit Zweistufenspritzgießen bezeichnet wird. Die Anteile zur Bildung der leitenden Segmente 27 und der Stifte 21 werden dabei aus einem Kunststoff hergestellt, der sich leicht metailisieren läßt (beispielsweise unter Verwendung eines elektrolosen Verfahrens), wobei die zur Bildung der streifenförmigen Anteile 25 bezweckten Anteile unter Verwendung eines nichtmetallisierbaren Kunststoffs hergestellt werden. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, daß keine mechanische Behandlungen nach dem Abscheiden der Metallschicht erforderlich sind.
U.a. da die Segmente 27 den Kern 1 ganz und die erste Wicklung 11 fast ganz einschließen, sieht der Aufbau des Transformators derart aus, daß eine sehr gute Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung besteht, und das Elektromagnetfeld des Transformators im wesentlichen sich nicht vorbei dem Toroidkern 1 erstreckt.
Geeignete elektrische Isolation des Transformators ist durch Einkapseln in einem geeigneten Preßkunststoff erzielbar. Zu diesem Zweck kann ein tellförmiges Gehäuse 43 um die Kappe 19 angeordnet werden (siehe Fig. 2) wonach das Gehäuse und die offenen Räume in der Kappe 19 mit dem flüssigen Kunststoff gefüllt werden (nicht dargestellt). Nach dem Aushärten des Kunststoffs bildet der Transformator einen festen elektrisch geeignet isolierten Bauteil. Für die Dissipation von Wärme, die im Betrieb des Transformators entsteht, enthält der Boden 45 des Gehäuses 43 vorzugsweise eine Platte aus einem Wärme auf geeignete Weise leitenden Materials, beispielsweise Aluminium. Der Transformator kann zusammen mit dem Gehäuse 43, 47 oder ohne Gehäuse geliefert werden, je nach Bedarf. Im letzten Fall bildet die Kappe 19 die Außenseite des Transformators. In beiden Fällen bildet der Transformator einen einfachen mechanischen Bauteil, der für den elektrischen Betrieb nur auf einer Leiterplatte verlötet zu werden braucht.
Für die Einkapselung des Transformators ist das offene Ende der Kappe 19 vorzugsweise mit einem Ringdeckel 47 abgedeckt, der elektrisch leitend ist, wie die Metallschicht 30 auf der Innenfläche der Kappe, und der beispielsweise aus einer Kupferschicht zwischen zwei Kunststoffschichten besteht. Er enthält zwei elektrisch leitende Stifte 49, die mit der Kupferschicht verbunden sind und die zusammen mit zwei Stiften 21' der mit der Metallschicht 30 verbundenen Kappen 19 mit einem Punkt mit konstanten Potential verbunden werden können, beispielsweise mit einem Massenleiter der Platte 41. Der Deckel 47 und die Metallschicht 30 bilden zusammen eine elektrisch leitende Abschirmung, die im wesentlichen vollständig eingeschlossen ist und zwischen der ersten und der zweiten Wicklung angebracht ist.
Die zweite Wicklung 11 im beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht aus einem um den Kern 1 gewickelten Draht. Die zweite Wicklung 11 kann jedoch auch auf eine Weise wie bei der ersten Wicklung gebildet werden, beispielsweise mit Hilfe metallisierter Segmente auf einer Kappe oder mit Hilfe einer Zweistufenspritzgießtechnik, wobei der Kern mit einem Band aus einem metallisierbaren Kunststoff, das sich schraubenförmig um den Kern 1 erstreckt, und mit einem Band aus einem nichtmetailisierbaren Kunststoff versehen werden, das sich zwischen den Windungen des ersten Bandes erstreckt. Wenn die Anordnung eine Spule statt eines Transformators bildet, kann die erste Wciklung 11 weggelassen werden.
Statt der integral metallisierten Kunststoffstifte 21 und 21' können auch Stifte verwendet werden, die aus einem Metalldraht bestehen und in den Kunststoff der Kappe 19 eingebettet sind.

Claims

1. Induktive Anordnung mit einem Kern (1) aus einem weichmagnetischen Material in Form eines Torus mit einem Mittelloch (3), wobei der Kern von wenigstens einer ersten Wicklung und wenigstens einer zweiten Wicklung eingeschlossen wird, die erste Wicklung eine Anzahl elektrisch leitender Segmente (27) enthält, die ungefähr als U-förmige Platte mit zwei im wesentlichen paailel verlaufenden Endanteilen (33, 35) ungleicher Breite und einem keilförmigen zentralen Anteil (37) ausgebildet ist, die Segmente den Kern derart einschließen' daß die Endanteile (33) mit geringerer Breite durch das Mittelloch (3) hindurchragt und die Endanteile (35) mit größerer Breite sich auf der Außenseite des Toroidkerns (1) befinden, elektrische Leiter (39) mit den freien Enden der Endanteile verbunden sind, wobei die Leiter die erste Wicklung zusammen mit den Segmenten bilden, die Segmente (27) als metallisierte Anteile der Außenfläche einer Kappe (19) gebildet sind, die aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt und um den Kern (1) in Form eines Rings mit einem U-förmigen Querschnitt angeordnet ist, die Segmente voneinander durch nichtmetallisierte streifenförmige Anteile (25) der Außenfläche der Kappe elektrisch isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wicklung (11) zwischen dem Kern (1) und der ersten Wicklung angeordnet und von einem elektrisch isolierenden Gehäuse (13, 15) eingeschlossen ist, die Innenfläche der Kappe (19) metallisiert ist und zusammen mit einem ringförmigen Deckel (47), der das offene Ende der Kappe abschließt, eine elektrisch leitende Abschirmung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung bildet, und die freien Enden der Endanteile (33, 35) der elektrisch leitenden Segmente (27) mit Verbindungselementen (21) versehen werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch isolierende Gehäuse aus zwei Anteilen (13, 15) in Form eines Torus mit einem U- förmigen Querschnitt besteht, wobei die Anteile auf die zweite Wicklung (11) derart angeordnet sind, daß ihre offenen Seiten einander zugewandt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungselemente durch metallisierte Stifte (21) gebildet werden, die aus demselben Isoliermaterial wie die Kappe (19) hergestellt sind und eine Einheit mit der Kappe bilden.