DE10051157A1

DE10051157A1 - High frequency and power transformer

Info

Publication number: DE10051157A1
Application number: DE10051157A
Authority: DE
Inventors: Rainer Marquardt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-10-16
Filing date: 2000-10-16
Publication date: 2002-04-25
Also published as: EP1199730B1; ATE369609T1; EP1199730A3; DE50112822D1; EP1199730A2

Abstract

The transformer has a magnetic circuit consisting of a first core part (1) carrying a primary and a secondary winding (4) and closed by further core parts (2) and at least two isolators (3) for electrical insulation between the primary and secondary sides of the transformer. The first and further core parts are arranged so that a higher flux density arises in the first core part than in the other core parts.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator für hohe Betriebs frequenz und Leistung. Der Transformator soll dabei hohe An forderungen an die Isolation zwischen Primär- und Sekundär seite erfüllen.The invention relates to a transformer for high operating frequency and power. The transformer is said to be high isolation requirements between primary and secondary fulfill side.

Transformatoren mit einer wesentlich über der Netzfrequenz liegenden Betriebsfrequenz werden bisher vorwiegend für soge nannte Schaltnetzteile mit relativ niedrigen Isolationsanfor derungen und kleinen Leistungen genutzt.Transformers with a substantially higher than the mains frequency lying operating frequency are so far mainly for so-called called switching power supplies with relatively low insulation requirements changes and small services.

Darüber hinaus sind sogenannte Mittelfrequenztransformatoren in Verbindung mit leistungselektronischen Umformern als Er satz für konventionelle Netztransformatoren bekannt. Die mit tels der leistungselektronischen Umformer erzeugte, wesent lich über der Netzfrequenz liegende Betriebsfrequenz ermög licht prinzipiell erhebliche Gewichts- und Volumeneinsparun gen der Transformatoren. Deren Leistung ist jedoch bisher stark begrenzt.In addition, there are so-called medium frequency transformers in connection with power electronic converters as Er known for conventional mains transformers. The one with generated by the power electronic converter, essential Operating frequency above the mains frequency is possible In principle, light saves considerable weight and volume against the transformers. However, their performance is so far severely limited.

Um die konventionellen Netztransformatoren auf elektrischen Triebfahrzeugen zu ersetzen, werden jedoch übertragbare Leis tungen im Bereich mehrerer hundert Kilowatt benötigt und sehr hohe Isolationsanforderungen durch die vorgegebenen 15 kV- und 25 kV- Netzspannungen gestellt. Um diese Anforderungen zu er füllen, sind in der jüngsten Zeit verschiedene Anstrengungen unternommen worden.To convert the conventional mains transformers to electrical Replacing locomotives, however, will be transferable leis needed in the range of several hundred kilowatts and very much high insulation requirements due to the specified 15 kV and 25 kV mains voltages provided. To meet these requirements fill have been various efforts recently been undertaken.

So ist aus H. Reinold, M. Steiner: "Characterization of Semi conductor Losses in Series Resonant DC-DC Converters for High Power Applications using Transformers with Low Leakage Induc tance", EPE 1999, Lausanne, ein Gleichstromübertrager mit ei nem Transformator mit koaxialem Wicklungsaufbau und einem hochpermeablem Kern aus amorphem Material bekannt, der mit IGBT-Serienresonanz-Umrichtern zusammen arbeitet. Die Einheit soll eine Leistung von 200 kW erreichen.H. Reinold, M. Steiner: "Characterization of Semi conductor Losses in Series Resonant DC-DC Converters for High Power Applications using Transformers with Low Leakage Inductance", EPE 1999 , Lausanne, describes a direct current transformer with a transformer with a coaxial one Winding structure and a highly permeable core made of amorphous material known, which works together with IGBT series resonance converters. The unit should have an output of 200 kW.

Aus M. Kunz, F. Hörl, T. Klockow: "Entwicklung einer massear men Energieversorgung für elektrische Triebfahrzeuge", ZEV- DET Glas. Ann. 123, 11/12, S. 423-426, 1999, ist ein Mit telfrequenztransformator bekannt, dessen Eingangsspannung durch eine Kaskade von IGBT-Teilumrichtern von 16 2/3 Hz auf 400 Hz umgesetzt wird. Der Transformator erreicht eine Leis tung von 1 MVA bei einem halbierten Gewicht gegenüber her kömmlichen Bahntransformatoren. Über den Aufbau des Transfor mators selber werden keine näheren Angaben gemacht.From M. Kunz, F. Hörl, T. Klockow: "Development of a massear energy supply for electric traction vehicles ", ZEV- DET glass. Ann. 123, 11/12, pp. 423-426, 1999, is a Mit telfrequency transformer known, its input voltage through a cascade of IGBT partial inverters of 16 2/3 Hz 400 Hz is implemented. The transformer reaches a Leis 1 MVA with a halved weight conventional railway transformers. About the structure of the Transfor mators themselves are not given any further details.

In Klontz, K. W.; Novotny, D. W.: "An actively cooled 120 kW co axial winding transformer for fast charging electric vehic les"; IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 31, no. 6, p. 1257-63, 1995 und Klontz, K. W.; Divan, D. M.; No votny, D. W.; Lorentz, R. D.: "Contactless power delivery sys tem for mining applications"; IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 31, no. 1, p. 27-35, 1995 werden ebenfalls Transformatoren mit koaxialen Wicklungen beschrieben. Sie sollen bei einer Frequenz von 20 kHz eine Leistung von 120 kW übertragen, wobei aufwendige Maßnahmen zur Kühlung getroffen werden müssen.In Klontz, K.W .; Novotny, D. W .: "An actively cooled 120 kW co axial winding transformer for fast charging electric vehic les "; IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 31, no. 6, p. 1257-63, 1995 and Klontz, K. W .; Divan, D. M .; No votny, D. W .; Lorentz, R. D .: "Contactless power delivery sys tem for mining applications "; IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 31, no. 1, p. 27-35, 1995 are also Transformers with coaxial windings described. she should have a power of 120 kW at a frequency of 20 kHz transferred, taking costly measures for cooling Need to become.

Transformatoren mit koaxialen Wicklungen weisen zwar sehr kleine Streuinduktivitäten auf und haben nur kleine Magneti sierungsströme, erfordern jedoch besondere Maßnahmen zur ge genseitigen Isolation der Wicklungen und sind technologisch aufwendig.Transformers with coaxial windings show a lot small leakage inductances and only have small magnets streams, however, require special measures for ge mutual insulation of the windings and are technological consuming.

Alle vorbenannten Lösungen gemein sind noch zu große Nachteile bzgl. Gewicht, Volumen, Wirkungsgrad und Kühlung.All of the above solutions are still too big Disadvantages in terms of weight, volume, efficiency and cooling.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator der eingangs genannten Art anzugeben, der technisch und wirt schaftlich vorteilhaft realisierbar ist, der sich hinsichtlich seines Gewichts und Volumens deutlich von bisherigen Lö sungen abhebt und der hohe Isolationsanforderungen zwischen Primär- und Sekundärseite erfüllt.The invention has for its object a transformer of the type mentioned at the beginning, the technical and economic can be realized in a socially advantageous manner in terms of its weight and volume clearly from previous Lö solutions and the high insulation requirements between Primary and secondary side fulfilled.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.According to the invention, the object is achieved by the features of claim 1. advantageous embodiments are the subject of subclaims.

Danach besteht der magnetische Kreis des Transformators aus eine Primär- und eine Sekundärwicklung tragenden ersten Kern teilen. Über weitere Kernteile und mindestens zwei, eine elektrische Isolation zwischen der Primär- und der Sekundär seite des Transformators bewirkende Isolatoren ist der magne tische Kreis geschlossen, wobei die ersten und die weiteren Kernteile so gestaltet sind, dass in den ersten Kernteilen eine höhere Flussdichte herrscht als in den weiteren Kerntei len.Then the magnetic circuit of the transformer consists a first core carrying a primary and a secondary winding divide. About other core parts and at least two, one electrical isolation between the primary and secondary side of the transformer causing isolators is the magne tables closed circle, the first and the others Core parts are designed so that in the first core parts there is a higher flux density than in the other core parts len.

Mit der Erfindung werden die sich teilweise widerstrebenden Forderungen nach:
With the invention, the partially conflicting demands for:

a) light weight and volume
b) simple cooling option
c) high efficiency
d) safe isolation
e) reduced manufacturing and material costs

auf eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Art er füllt.in a technically and economically advantageous way crowded.

Ausgangspunkt der Erfindung ist die Erkenntnis, dass für ei nen mit selbstgeführten Stromrichtern betriebenen Transforma tor die Minimierung der Streuinduktivität und des Magnetisie rungsstromes gegenüber den vorgenannten Anforderungen zurück treten kann. The starting point of the invention is the knowledge that for egg NEN transformers operated with self-commutated converters minimizing the leakage inductance and the magnetis tion current compared to the aforementioned requirements can kick.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Transformator aus wenigen, klar funktionell getrennten, einzeln optimierba ren Teilen zusammensetzbar ist.Another advantage is that the transformer from a few, clearly functionally separated, individually optimizable Ren parts is assembled.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert werden in den zugehörigen Zeichnungen zeigenThe invention is illustrated below with the aid of an embodiment game are explained in more detail in the accompanying drawings demonstrate

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des magnetischen Kreises eines erfindungsgemäßen Transformators, Fig. 1 a schematic diagram of the magnetic circuit of a transformer according to the invention,

Fig. 2 den magnetischen Kreis des Transformators mit Wick lungen, Fig. 2 ments the magnetic circuit of the transformer with Wick,

Fig. 3 den magnetischen Kreis des Transformators mit meh reren Isolierstellen zwischen Primär- und Sekundär seite und Fig. 3 shows the magnetic circuit of the transformer with several isolation points between primary and secondary side

Fig. 4 den Transformator mit zusätzlichen Maßnahmen zur Kühlung der Wicklungen. Fig. 4 shows the transformer with additional measures for cooling the windings.

Der in Fig. 1 gezeigte magnetische Kreis des Transformators besteht aus drei verschiedenartigen Teilen, die mehrfach mag netisch in Reihe geschaltet sind. Aufgabe eines Konzentrators 1 ist es, ein möglichst homogenes Feld sehr hoher Flußdichte zu erzeugen. Der Konzentrator 1 ist deshalb im einfachsten Fall ein rechteckförmiger Stab aus weichmagnetischem Material mit sehr hoher zulässiger Flußdichte - vorzugsweise aus amor phem Metall. Ein Konzentrator 1 ist primär- als auch sekun därseitig vorgesehen. Durch die Anordnung einer Wicklung 4 im Bereich eines Konzentrators 1, siehe Fig. 2, wird deren Verlustleistung minimiert.The magnetic circuit of the transformer shown in Fig. 1 consists of three different parts, which are connected magically several times in series. The task of a concentrator 1 is to generate a field of very high flux density that is as homogeneous as possible. The concentrator 1 is therefore in the simplest case a rectangular rod made of soft magnetic material with a very high permissible flux density - preferably made of amorphous metal. A concentrator 1 is provided on the primary and secondary side. By arranging a winding 4 in the area of a concentrator 1 , see FIG. 2, its power loss is minimized.

Darüber hinaus ist es nicht notwendig, eine hohe Isolations spannung zwischen dem Konzentrator 1 und einer Wicklung 4 zu realisieren. Es ist im Sinne einer Optimierung von Raumbedarf und Fertigungsaufwand sogar möglich, einen beliebigen Punkt einer Wicklung 4 mit dem zugehörigen Konzentrator 1 galva nisch zu verbinden.In addition, it is not necessary to realize a high insulation voltage between the concentrator 1 and a winding 4 . It is even possible in the sense of an optimization of space requirements and production costs to galvanically connect any point of a winding 4 with the associated concentrator 1 .

Das magnetische Feld wird, jeweils von einem Konzentrator 1 ausgehend, von einem weiteren Kernteil, hier Diffusor 2 ge nannt, weitergeleitet. Aufgabe des Diffusors 2 ist es, außer halb des Konzentrators 1 die magnetische Flußdichte soweit zu reduzieren, dass die räumlichen Bereiche niedriger Permeabi lität im restlichen magnetischen Kreis möglichst geringe Aus wirkungen haben. Diese Bereiche sind insbesondere die Berei che von Isolierstellen zwischen Primär- und Sekundärseite, realisiert durch jeweils einen Isolator 3, und unvermeidliche Luftspalte an Fügestellen.The magnetic field, each starting from a concentrator 1 , from a further core part, here called diffuser 2 , is passed on. The task of the diffuser 2 is to reduce the magnetic flux density outside of the concentrator 1 to such an extent that the spatial areas of low permeability in the remaining magnetic circuit have the least possible effects. These areas are, in particular, the areas of insulation points between the primary and secondary sides, each realized by an insulator 3 , and unavoidable air gaps at joints.

An das weichmagnetische Material der Diffusoren 2 müssen nur geringe Anforderungen gestellt werden. Da sich die Material querschnittsfläche im Bereich vor dem Isolator ohne weiteres auf das z. B. Vierfache (verglichen mit dem Konzentrator 1) vergrößern lässt, kann man insbesondere Ferritmaterialien verwenden. Durch diesen Freiheitsgrad in der Materialwahl er geben sich erhebliche Vorteile bezüglich Gewicht, Kosten und der einfachen Materialbearbeitung gegenüber z. B. amorphen Metallen.Only slight requirements have to be made of the soft magnetic material of the diffusers 2 . Since the material cross-sectional area in the area in front of the insulator easily on the z. B. Quadruple (compared to the concentrator 1 ) can be used, in particular, ferrite materials. This degree of freedom in the choice of material, there are considerable advantages in terms of weight, costs and simple material processing compared to z. B. amorphous metals.

Aufgabe des Isolators 3 ist die elektrische Trennung der Pri mär- und Sekundärseite des Transformators. Er besteht deshalb im einfachsten Fall aus einer Platte geeigneten Isolationsma terials. Da - im Gegensatz zu konventionellen Transformatoren - keine Forderungen bezüglich der thermischen Leitfähigkeit des Isolationsmaterials bestehen, können Materialien extrem hoher Durchschlagsfestigkeit und niedriger Dielektrizi tätskonstante verwendet werden. Zwecks Verlängerung der Kriechstrecken der Isolationswege lassen sich die bekannten Maßnahmen wie Rillenstrukturen, Randstrukturen mit Wänden, Stegen usw. auf die Isolatoren 3 anwenden.The task of the insulator 3 is the electrical separation of the primary and secondary sides of the transformer. It therefore consists in the simplest case of a plate of suitable Isolationsma terials. Since - in contrast to conventional transformers - there are no requirements with regard to the thermal conductivity of the insulation material, materials with extremely high dielectric strength and a low dielectric constant can be used. To extend the creepage distances of the insulation paths, the known measures such as groove structures, edge structures with walls, webs, etc. can be applied to the insulators 3 .

Eine vorteilhafte Weiterführung der Erfindung besteht darin, die Diffusoren 2 und die Isolatoren 3 mehrfach im magnetischen Kreis in Reihe zu schalten und/oder konstruktiv zusam menzufassen, siehe Fig. 3. Die Wirkung des Diffusors 2 lässt sich dadurch bei extrem geringem Gewichtszuwachs weiter verbessern. Ein festes Zusammenfügen der Diffusoren 2 und der Isolatoren 3 - z. B. durch Verkleben unter Vakuum und Press druck - kann darüber hinaus vorteilhaft sein und die Isolati onsfähigkeit verbessern. Auf Grund der erwähnten, recht frei zügigen Auswahlmöglichkeiten bei den Materialien für die Dif fusoren 2 und die Isolatoren 3 sind entsprechende Verbin dungstechniken gut realisierbar.An advantageous development of the invention is to connect the diffusers 2 and the insulators 3 several times in series in the magnetic circuit and / or to combine them constructively, see FIG. 3. The effect of the diffuser 2 can thereby be further improved with an extremely low weight gain. A firm assembly of the diffusers 2 and the isolators 3 - z. B. by gluing under vacuum and press pressure - can also be advantageous and improve the insulation capacity. Due to the above-mentioned, quite free choice of materials for the diffusors 2 and the isolators 3 , corresponding connec tion techniques can be easily implemented.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht in der Tatsache, dass die Grenzflächen zwischen den Konzentratoren 1 und den Diffusoren 2 weder bezüglich der mechanischen Präzision noch der elektrischen Isolation kritisch sind. Deshalb können diese als mechanische Trennstellen zur Vereinfachung der Mon tage/Demontage verbleiben. Dadurch lässt sich auch die Wick lung 4 vorgefertigt auf den Konzentrator 1 aufschieben, was die Fertigung einer Wicklung 4 mit hohem Kupferfüllfaktor er leichtert.Another advantage of the arrangement lies in the fact that the interfaces between the concentrators 1 and the diffusers 2 are neither critical with regard to the mechanical precision nor the electrical insulation. Therefore, these can remain as mechanical separation points to simplify assembly / disassembly. Thereby the Wick can be lung four prefabricated on the concentrator 1 defer what the production of a winding 4 with a high copper fill it facilitates.

Die Kühlung der Anordnung kann, wegen der eindeutigen elekt rischen Trennung der Primär- und Sekundärseite, für beide Seiten völlig getrennt gewählt werden. Es können jeweils so wohl die weichmagnetischen Bauteile (Konzentratoren 1 und Diffusoren 2), als auch die Wicklungen 4 vorteilhaft gekühlt werden, da sie gut zugänglich und nicht durch z. B. durch di cke Isolationen oder Vergußmassen verdeckt sind. Diese Tatsa che kommt auch einer effektiven Luftkühlung entgegen. So ist bei der gezeigten Anordnung eine wesentlich einfachere Küh lung durch Wärmeleitung in eine äußere Kühlplatte 6 möglich, da die Wicklung 4, jedoch auch die magnetischen Teile (Kon zentratoren 1 und Diffusoren 2), gut zugänglich sind.The cooling of the arrangement can, because of the clear electrical separation of the primary and secondary side, be chosen completely separately for both sides. The soft magnetic components (concentrators 1 and diffusers 2 ) as well as the windings 4 can each be advantageously cooled because they are easily accessible and not caused by e.g. B. are covered by di cke insulation or casting compounds. This fact also helps effective air cooling. Thus, in the arrangement shown, a much simpler cooling by heat conduction into an outer cooling plate 6 is possible since the winding 4 , but also the magnetic parts (con centrators 1 and diffusers 2 ), are easily accessible.

Eine spezielle, vorteilhafte Ausführung für die Kühlung der Wicklung 4 ergibt sich, wenn diese aus einer um den Kon zentrator 1 gewickelten Blechfolie mit wärmeleitender Lagenisolation besteht. Diese Ausführungsform der Wicklung 4 stellt auch bezüglich minimaler elektrischer Verlustleistung ein Optimum dar. Bei dieser Ausführung der Wicklung 4 ist be reits durch das Anpressen einer Kühlplatte 6 und einer elekt risch isolierenden, wärmeleitenden Zwischenlage 5, siehe Fig. 4, eine gute Kühlung der Wicklung 4 erzielbar. Die Kühlplatte 6 wird in vielen Fällen bereits für die Kühlung der Halblei ter des Stromrichters vorhanden sein.A special, advantageous embodiment for the cooling of the winding 4 is obtained if it consists of a sheet metal foil wrapped around the concentrator 1 with heat-conducting layer insulation. This embodiment of the winding 4 also relative minimum electrical power loss optimum. In this embodiment, the winding 4 is be already by pressing a cooling plate 6 and a elekt driven insulating, heat conducting intermediate layer 5, see Fig. 4, a good cooling of the winding 4 achievable. The cooling plate 6 will already be available in many cases for cooling the semiconductor of the converter.

Die Anforderungen bezüglich der elektrischen Isolation der Zwischenlage 5 lassen sich minimal halten, da die Kühlplatten 6 für die Primär- und Sekundärseiten völlig getrennt sein können. (Falls beide Kühlplatten eine gemeinsame Kühlflüssig keit haben, muss selbstverständlich die Kühlflüssigkeit elektrisch isolierend sein.)The requirements with regard to the electrical insulation of the intermediate layer 5 can be kept to a minimum, since the cooling plates 6 for the primary and secondary sides can be completely separate. (If both cooling plates have a common cooling liquid, the cooling liquid must of course be electrically insulating.)

Die eindeutige elektrische Trennung von Primär- und Sekundär seite bietet jedoch auch bzgl. der Kühlung große Freiheits grade, z. B. Flüssigkeitskühlung der Primärseite und Luftküh lung der Sekundärseite.The clear electrical separation of primary and secondary However, the side also offers great freedom with regard to cooling straight, e.g. B. Liquid cooling of the primary side and air cooling development of the secondary side.

Bei höherer Leistungsdichte des Transformators wird i. a. eine intensivere Kühlung der Wicklung 4 erforderlich sein. Diese lässt sich bei Vorhandensein einer forcierten Flüssigkeits kühlung mit elektrisch isolierender Flüssigkeit in Form einer Innenleiterkühlung realisieren. Ähnliche Maßnahmen sind auch für die weichmagnetischen Bauteile (Konzentratoren 1 und Dif fusoren 2) durch flüssigkeitsdurchströmte Bohrungen reali sierbar und prinzipiell bereits bekannt.With a higher power density of the transformer, more intensive cooling of the winding 4 will generally be required. This can be achieved with the presence of forced liquid cooling with electrically insulating liquid in the form of an inner conductor cooling. Similar measures can also be implemented for the soft magnetic components (concentrators 1 and diffusers 2 ) through holes through which liquid flows and are already known in principle.

Claims

1. Transformer for high operating frequency and power, characterized in that its magnetic circuit consists of a primary and a secondary winding ( 4 ) carrying first core parts ( 1 ) and further core parts ( 2 ) and at least two, an electrical insulation between the Primary and the secondary side of the transformer effecting isolators ( 3 ) is closed, the first and the further core parts ( 1 , 2 ) being designed in such a way that a higher flux density prevails in the first core parts ( 1 ) than in the others Core parts ( 2 ).

2. Transformer according to claim 1, characterized in that the first core parts ( 1 ) consist of amorphous metal.

3. Transformer according to claim 1 or 2, characterized in that the further core parts ( 2 ) are made of ferrite.

4. Transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the further core parts ( 2 ) are glued to the insulators ( 3 ).

5. Transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the primary and / or seconds The winding consists of a metal foil.

6. Transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the layers of the primary and / or secondary winding are separated from one another by electrically insulating, good heat-conducting intermediate layers ( 5 ).

7. Transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the primary and / or secondary winding ( 4 ) is connected to a cooling plate ( 6 ).

8. Transformer according to claim 7 or 8, characterized in that the intermediate layers ( 5 ) with the cooling plate ( 6 ) are connected.

9. Transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the conductors of the primary and / or secondary winding ( 4 ) are internally cooled by a fluid.

10. Transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or further core parts ( 1 , 2 ) are internally cooled by a fluid.