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(11) | EP 2 751 814 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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| (54) |
TRANSFORMATOR UND ZUGEHÖRIGES HERSTELLUNGSVERFAHREN TRANSFORMER AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF TRANSFORMATEUR ET SON PROCÉDÉ DE FABRICATION |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0002] Hochfrequenztransformatoren für hohe Ausgangsströme sind überwiegend planare Konstruktionen mit gestanzten Blechen für die Sekundärwicklung. Die Primärwicklung wird meistens ebenfalls geblecht oder auch mit Litze realisiert.
[0003] Die korrekte elektrische Verbindung der Bleche untereinander ist mit hohem Aufwand verbunden.
[0004] Ein weiteres Problem ist die Kühlung des Bauteils, da die Verlustwärme der Wicklungen überwiegend durch einen umschließenden Ferritkern abgeleitet werden muss. Ferrit-Material ist jedoch ein schlechter Wärmeleiter und eine vollflächige beidseitige thermische Anbindung an einen Kühlkörper ist schwer zu realisieren.
[0005] Problematisch ist zudem die Implementierung der erforderlichen Isolationsabstände ohne eine übermäßige Vergrößerung der Streuinduktivitäten.
[0006] Die WO 2010/090534 A2 zeigt einen Hochfrequenz-Leistungsübertrager, bei dem eine Primärwicklung durch eine Sekundärwicklung hindurch verläuft.
[0007] Die US 5,175,525 A zeigt einen Leistungstransformator mit einer einlagigen Sekundärwicklung, die aus einem massiven Sekundärwicklungsleiter gebildet ist.
[0008] Die EP 0 293 617 A1 zeigt einen Hochfrequenz-Leistungsübertrager, bei dem Primär- und Sekundärwicklungen axial stapelbar sind.
[0009] Die US 2010/0207714 A1 zeigt einen Transformator mit einer thermisch leitfähigen Schicht, die zur Wärmeableitung von einem magnetischen Element dient.
[0010] Die GB 1 420 290 A offenbart einen Transformator gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere zeigt sie ein elektrisches Bauelement und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelements mit einem Kern aus magnetischem Material mit Wicklungen für Übertrager oder mehreren Wickellagen für Induktivitäten, wobei auf den Kern allseitig mehrere gestapelte und gegeneinander elektrisch isolierte Metallschichten aufgebracht sind, die im Bereich der Kernmantelfläche mindestens teilweise in wendelförmige Leiterbahnen aufgetrennt sind.
[0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator und ein zugehöriges Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die eine effiziente Kühlung des Transformators mit möglichst geringem Aufwand ermöglichen.
[0012] Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Transformator nach Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Wortlaut hiermit zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.
[0013] Der Transformator ist für getaktete Stromversorgungen geeignet oder vorgesehen und weist auf: einen magnetischen bzw. magnetisierbaren Kern, insbesondere einen Ferrit-Kern, der eine Wicklungsachse definiert bzw. eine Wicklungsachse aufweist, mindestens eine Primärwicklung, die durch einen Primärwicklungsleiter gebildet ist, insbesondere in Form von mehrfach isolierter Hochfrequenzlitze, der die Wicklungsachse des Kerns zumindest teilweise umschließt, und mindestens eine Sekundärwicklung, die durch einen Sekundärwicklungsleiter gebildet ist. Der Sekundärwicklungsleiter umschließt den Primärwicklungsleiter, wobei der Sekundärwicklungsleiter und der Primärwicklungsleiter unterschiedliche Wicklungslagen über der Wicklungsachse bilden, wobei die Sekundärwicklung einlagig gebildet und ein Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters in einer Querschnittebene senkrecht zur Wicklungsachse rechteckförmig, insbesondere quadratisch, ist. Aufgrund des Querschnitts und der dadurch bedingten Außenkontur kann die Sekundärwicklung sehr einfach und mit geringem thermischem Widerstand beispielsweise an eine kühlende Fläche angekoppelt werden. Der Querschnitt der insbesondere massiven Wicklung bzw. des massiven Leiters wird dabei bewusst überdimensioniert, so dass ein effizienter Wärmefluss innerhalb der Wicklung möglich ist.
[0014] Die mindestens eine Sekundärwicklung ist aus einem massiven Materialblock gebildet, welcher zur Bildung des Sekundärwicklungsleiters strukturiert ist, insbesondere durch Bohren, Sägen und/oder Fräsen strukturiert ist. Alternativ ist die mindestens eine Sekundärwicklung aus einem Druckgussformteil gebildet.
[0015] In einer Weiterbildung weist der Transformator eine Nenn-Leistung auf, wobei der (minimale) Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters derart dimensioniert ist, dass eine Strombelastbarkeit des Sekundärwicklungsleiters größer ist als für die Nenn-Leistung erforderlich, d.h. der Querschnitt des Leiters ist bezogen auf die Nenn-Leistung überdimensioniert
[0016] In einer Weiterbildung besteht der Sekundärwicklungsleiter aus Kupfer oder Titan, besonders bevorzugt aus Aluminium.
[0017] In einer Weiterbildung ist ein flächiges Kühlelement vorgesehen, welches thermisch mit der Sekundärwicklung, insbesondere mit der von der Wicklungsachse des Kerns abgewandten Seite der Sekundärwicklung, gekoppelt ist. Bevorzugt ist ein wärmeleitender elektrischer Isolator vorgesehen, der zwischen dem Kühlelement und der Sekundärwicklung angeordnet ist. Bevorzugt ist der elektrische Isolator eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie.
[0018] Erfindungsgemäß bildet die Sekundärwicklung bzw. der Sekundärwicklungsleiter eine thermische Brücke zu dem flächigen Kühlelement. Kernverluste und Verluste der Primärwicklung(en) gehen zunächst auf die Sekundärwicklung(en) über, um dann beispielsweise über das flächige Kühlelement in Form einer wassergekühlten Kühlplatte abgeführt werden zu können.
[0020] Ein Abstand zwischen der Primärwicklung und dem Kern und ein Abstand zwischen der Sekundärwicklung und der Primärwicklung können derart gewählt sein, dass Streuverluste minimiert sind. Mit anderen Worten liegt die Primärwicklung möglichst dicht über dem Kern und die Sekundärwicklung liegt möglichst dicht über der Primärwicklung, so dass sich minimale Verlustanteile durch Streufelder sowie eine gute thermische Kopplung des Systems ergeben.
[0021] Bei dem Verfahren zur Herstellung des oben genannten Transformators wird die Sekundärwicklung aus einem massiven Materialblock gebildet, welcher zur Bildung des Leiters strukturiert wird, insbesondere durch materialabtragendes Bearbeiten in Form von Bohren, Sägen und/oder Fräsen.
[0022] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Hierbei zeigt schematisch:
- Fig. 1
- eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Transformators,
- Fig. 2
- eine Explosionsdarstellung des in Fig. 1 gezeigten Transformators und
- Fig. 3
- ein elektrisches Ersatzschaltbild des in Fig. 1 und 2 gezeigten Transformators.
[0023] Fig. 1 zeigt einen Transformator 1 für getaktete Stromversorgungen mit einem magnetisierbaren Ferrit-Kern 2 mit einem Schenkel, der eine Wicklungsachse 3 definiert, einer ersten Primärwicklung 4a (siehe Fig. 2), die durch einen ersten Primärwicklungsleiter aus mehrfach isolierter Hochfrequenzlitze gebildet ist, die die Wicklungsachse 3 des Kerns 2 unmittelbar umschließt, einer zweiten Primärwicklung 4b, die durch einen zweiten Primärwicklungsleiter aus mehrfach isolierter Hochfrequenzlitze gebildet ist, die die Wicklungsachse 3 des Kerns 2 unmittelbar umschließt, wobei die erste Primärwicklung 4a und die zweite Primärwicklung 4b axial benachbart auf dem Schenkel angeordnet sind, einer ersten massiven Sekundärwicklung 5a aus Aluminium, die durch einen ersten Sekundärwicklungsleiter 6a gebildet ist, und einer zweiten massiven Sekundärwicklung 5b aus Aluminium, die durch einen zweiten Sekundärwicklungsleiter 6b gebildet ist
[0024] Weiter sind Bohrungen 9a und 9b als Anschlüsse für die erste bzw. zweite Sekundärwicklung 5a bzw. 5b vorgesehen.
[0026] Die Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b umschließen ihren zugehörigen Primärwicklungsleiter, so dass sie axial benachbart auf dem Schenkel angeordnet sind. Die Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b sind jeweils einlagig gebildet und weisen jeweils in Wicklungsrichtung einen rechteckförmigen Querschnitt auf, der in Wicklungsrichtung veränderlich ist.
[0027] Der Transformator weist eine spezifische Nenn-Leistung auf, wobei der Querschnitt der Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b derart dimensioniert ist, dass deren Strombelastbarkeit größer ist als für die Nenn-Leistung erforderlich.
[0028] Zur effizienten Kühlung ist weiter ein flächiges Kühlelement 7 vorgesehen, welches thermisch mit der von der Wicklungsachse 3 des Kerns 2 abgewandten Seite bzw. Oberfläche der Sekundärwicklungen 5a und 5b zu koppeln ist, wobei zwischen dem Kühlelement 7 und den Sekundärwicklungen 5a und 5b ein wärmeleitender elektrischer Isolator in Form einer elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie 8 vorgesehen ist. Entsprechende Kühlelemente können auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Sekundärwicklungen 5a und 5b vorgesehen sein.
[0029] Die Sekundärwicklungen 5a und 5b sind jeweils aus einem massiven Aluminium-Materialblock gebildet, welcher geeignet durch Bohren, Sägen, Funkenerodieren und/oder Fräsen strukturiert ist.
[0030] Der Querschnitt der Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b bzw. deren minimaler Querschnitt über die gesamte Wicklung ist derart dimensioniert, dass bei gegebener Arbeitsfrequenz die durch Stromverdrängung wirksame Ersatzfläche (Skin-Tiefe) deutlich kleiner ist als der geometrische Querschnitt der massiven Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b. Dadurch fließt der dominierende Wechselstrom-Verlustanteil im Außenbereich der Wicklung in Richtung des Kernbereichs der Wicklung und schließlich längs der Wicklung zur thermischen Senke in Form des Kühlelements 7.
[0031] Fig. 2 zeigt zur Verdeutlichung eine Explosionsdarstellung des in Fig. 1 gezeigten Transformators.
[0032] Fig. 3 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des in Fig. 1 und 2 gezeigten Transformators 1 mit den Primärwicklungen 4a und 4b und den Sekundärwicklungen 5a und 5b.
[0033] Die gezeigten Ausführungsformen weisen massive sekundärseitige Wicklungen 5a und 5b auf, die direkt über den Primärwicklungen 4a bzw. 4b aus mehrfach isolierter Hochfrequenzlitze liegen. Die Primärwicklungen 4a und 4b sind mit minimalem Abstand über dem Ferritkern 2 angeordnet.
[0034] Durch gerade Oberflächen der massiven Sekundärwicklungen 5a und 5b ist eine einfache und effiziente Ankopplung an die Kühlfläche 7 möglich. Der (minimale) Querschnitt der massiven Sekundärwicklungen 5a und 5b wird dabei bewusst überdimensioniert, um so einen effizienten Wärmefluss innerhalb der Sekundärwicklungen 5a und 5b zu erreichen. Die Isolation der Wicklungen 5a und 5b gegen die Kühlfläche 7 erfolgt mit einer dünnen Wärmeleitfolie 8 oder keramischen Material.
[0035] Aufgrund der minimalen Abstände zwischen den Wicklungen 4a, 4b, 5a und 5b und dem Transformatorkern 2 wird einerseits eine optimale Kühlung gewährleistet und andererseits werden die Streuflüsse minimiert bzw. die Kopplung zwischen Primäre und Sekundärseite maximiert.
[0036] Die gezeigten Ausführungsformen ermöglichen eine einfache Kühlung des Transformators 1 über die thermisch gut ankoppelbaren massiven Sekundärwicklungen 5a und 5b.
[0037] Der Transformatorkern 2 kann ebenfalls sehr einfach thermisch angekoppelt werden, so dass eine optimale Kühlung des Gesamtbauteils möglich ist. Weiterhin kann durch den großen Querschnitt der Sekundärwicklungen 5a und 5b Aluminium eingesetzt werden, das Gewicht und Kosten spart.
[0038] Der Transformator 1 für getaktete Stromversorgungen weist mindestens eine massive (Sekundär-)Wicklung auf, deren Querschnitt derart gewählt ist, dass ein Transport der im Betrieb entstehenden Verlustwärme hin zu einer flächigen Wärmesenke möglich ist, ohne dass zusätzliche Kühlmittel erforderlich sind.
- einem magnetisierbaren Kern (2) mit einer Wicklungsachse (3),
- mindestens einer Primärwicklung (4a, 4b), die durch einen Primärwicklungsleiter gebildet ist, der die Wicklungsachse (3) des Kerns (2) zumindest teilweise umschließt, und
- mindestens einer Sekundärwicklung (5a, 5b), die durch einen Sekundärwicklungsleiter (6a, 6b) gebildet ist,
- wobei der Sekundärwicklungsleiter (6a, 6b) den Primärwicklungsleiter umschließt, wobei der Sekundärwicklungsleiter (6a, 6b) und der Primärwicklungsleiter unterschiedliche Wicklungslagen über der Wicklungsachse (3) bilden,
- wobei die Sekundärwicklung (5a, 5b) einlagig gebildet ist und
- wobei ein Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters (6a, 6b) in einer Querschnittebene senkrecht zur Wicklungsachse (3) rechteckförmig ist,
dadurch gekennzeichnet, dass- die Sekundärwicklung (5a, 5b) als strukturierter massiver Materialblock ausgebildet ist.
- die Sekundärwicklung (5a, 5b) aus einem Druckgussformteil gebildet ist.
- der Transformator (1) eine Nenn-Leistung aufweist, wobei der Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters (6a, 6b) derart dimensioniert ist, dass eine Strombelastbarkeit des Sekundärwicklungsleiters (6a, 6b) größer ist als für die Nenn-Leistung erforderlich.
dadurch gekennzeichnet, dass
- der Sekundärwicklungsleiter (6a, 6b) aus Aluminium, Kupfer oder Titan besteht.
- ein flächiges Kühlelement (7), welches thermisch mit der Sekundärwicklung (5a, 5b), insbesondere mit der von der Wicklungsachse (3) des Kerns (2) abgewandten Seite der Sekundärwicklung (5a, 5b), gekoppelt ist.
- einen wärmeleitenden, elektrischen Isolator (8), der zwischen dem Kühlelement (7) und der Sekundärwicklung (5a, 5b) angeordnet ist.
- der elektrische Isolator (8) eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie ist.
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Sekundärwicklung (5a, 5b) einen Kühlkörper bildet.
- die Sekundärwicklung (5a, 5b) aus einem massiven Materialblock gebildet wird, welcher zur Bildung des Leiters (6a, 6b) strukturiert wird.
- das Strukturieren ein materialabtragendes Bearbeiten des Materialblocks umfasst, insbesondere in Form von Bohren, Sägen, Fräsen und/oder Funkenerodieren.
- a magnetizable core (2) having a winding axis (3),
- at least one primary winding (4a, 4b), which is formed by a primary winding conductor which at least partly surrounds the winding axis (3) of the core (2), and
- at least one secondary winding (5a, 5b), which is formed by a secondary winding conductor (6a, 6b),
- wherein the secondary winding conductor (6a, 6b) surrounds the primary winding conductor, wherein the secondary winding conductor (6a, 6b) and the primary winding conductor form different winding layers over the winding axis (3),
- wherein the secondary winding (5a, 5b) is formed in one layer, and
- wherein a cross section of the secondary winding conductor (6a, 6b) is rectangular in a cross-sectional plane perpendicular to the winding axis (3),
characterized in that- the secondary winding (5a, 5b) is formed as a structured solid material block.
- the secondary winding (5a, 5b) is formed from a diecast shaped article.
- the transformer (1) has a nominal output, wherein the cross section of the secondary winding conductor (6a, 6b) is dimensioned in such a way that a current-carrying capacity of the secondary winding conductor (6a, 6b) is higher than is necessary for the nominal output.
- the secondary winding conductor (6a, 6b) consists of aluminum, copper or titanium.
- a planar cooling element (7), which is thermally coupled to the secondary winding (5a, 5b), in particular to the side of the secondary winding (5a, 5b) facing away from the winding axis (3) of the core (2).
- a heat-conductive electric insulator (8) which is arranged between the cooling element (7) and the secondary winding (5a, 5b).
- the electric insulator (8) is an electrically insulating heat-conductive foil.
- the secondary winding (5a, 5b) forms a heat sink.
- the secondary winding (5a, 5b) is formed from a solid material block, which is structured to form the conductor (6a, 6b).
- the structuring comprises a material removing machining of the material block, in particular in the form of drilling, sawing, milling and/or electric discharge machining.
- un noyau magnétisable (2) présentant un axe d'enroulement (3),
- au moins un enroulement primaire (4a, 4b) qui est formé par un conducteur d'enroulement primaire, qui entoure au moins partiellement l'axe d'enroulement (3) du noyau (2), et
- au moins un enroulement secondaire (5a, 5b) qui est formé par un conducteur d'enroulement secondaire (6a, 6b),
- dans lequel le conducteur d'enroulement secondaire (6a, 6b) entoure le conducteur d'enroulement primaire, dans lequel le conducteur d'enroulement secondaire (6a, 6b) et le conducteur d'enroulement primaire forment des couches d'enroulement différentes sur l'axe d'enroulement (3),
- dans lequel l'enroulement secondaire (5a, 5b) est formé de manière sur une seule couche et
- dans lequel une section transversale du conducteur d'enroulement secondaire (6a, 6b) est de forme rectangulaire dans un plan de section transversale perpendiculaire à l'axe d'enroulement (3),
caractérisé en ce que- l'enroulement secondaire (5a, 5b) est réalisé sous la forme d'un bloc de matériau massif structuré.
- l'enroulement secondaire (5a, 5b) est formé d'une pièce moulée par injection.
- le transformateur (1) présente une puissance nominale, dans lequel la section transversale du conducteur d'enroulement secondaire (6a, 6b) est dimensionnée de manière à ce qu'une capacité de transport de courant du conducteur d'enroulement secondaire (6a, 6b) soit supérieure à celle qui est nécessaire pour la puissance nominale.
- le conducteur d'enroulement secondaire (6a, 6b) est constitué d'aluminium, de cuivre ou de titane.
- un élément de refroidissement plan (7) qui est couplé thermiquement au conducteur d'enroulement secondaire (5a, 5b), notamment au côté de l'enroulement secondaire (5a, 5b) qui est tourné en sens opposé à l'axe d'enroulement (3) du noyau (2).
- un isolant électrique thermiquement conducteur (8) qui est disposé entre l'élément de refroidissement (7) et l'enroulement secondaire (5a, 5b).
- l'isolant électrique (8) est une feuille thermiquement conductrice et électriquement isolante.
- l'enroulement secondaire (5a, 5b) forme un corps de refroidissement.
- l'enroulement secondaire (5a, 5b) est formé d'un bloc de matériau massif qui est structuré pour former le conducteur (6a, 6b).
- la structuration comprend un traitement d'abrasion du bloc de matériau, notamment sous la forme d'un perçage, d'un sciage, d'un fraisage et/ou d'une électroérosion.
IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE
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