DE102007001233A1

DE102007001233A1 - Windungselement für eine Spulenwicklung und Transformatoranordnung

Info

Publication number: DE102007001233A1
Application number: DE102007001233A
Authority: DE
Inventors: Anton Solar; Thomas Klinger; Beno Klopcic; Rado Lisjak; Ciril Markelj
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-01-08
Filing date: 2007-01-08
Publication date: 2008-07-10
Also published as: US20100156583A1; WO2008083839A1; US7978040B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windungselement (200) zur Stromleitung als Bestandteil einer Spulenwicklung (132, 133; 408, 409), insbesondere einer (Schweiß-)Transformatorwicklung, aufweisend Befestigungsmittel (205) zum Befestigen des Windungselements (200) an einem Trägerbauteil (402, 403, 404). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Transformatoranordnung (100; 600), insbesondere Schweißtransformatoranordnung, mit einer Primärwicklung (132; 408) und einer Sekundärwicklung (133; 409), wobei die Primärwicklung (132; 408) und/oder Sekundärwicklung (133; 409) wenigstens ein erfindungsgemäßes Windungselement (200) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Windungselement zur Stromleitung als Bestandteil einer Spulenwicklung sowie eine Transformatoranordnung mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung.
Obwohl die Erfindung nachfolgend im wesentlichen unter Bezugnahme auf Widerstandsschweißsysteme beschrieben ist, ist sie nicht auf eine derartige Anwendung beschränkt.
Bei bekannten Transformatoranordnungen, insbesondere Schweißtransformatoranordnungen für Widerstandsschweißsysteme, die eine relativ hohe Ausgangsleistung bereitstellen müssen, besteht das Bedürfnis, insbesondere die elektrischen Komponenten des Sekundär- bzw. Ausgangskreises ausreichend zu kühlen. Es ist beispielsweise bekannt, umgeformte Kupferrohre als Sekundärwicklung zu verwenden, wobei während des Betriebs ein Kühlfluid bzw. Kühlmedium durch die Kupferrohre geleitet wird, um die Wicklung ausreichend zu kühlen. Um die schwache mechanische Festigkeit dieser Konstruktion zu verbessern, werden die Kupferrohre üblicherweise an Trägerbauteile wie z. B. die Flächen zum An schluss der Wicklung angeschweißt. Durch den Schweißvorgang wird dem Material jedoch Wärme zugeführt, was die mechanischen Eigenschaften des Materials negativ beeinflusst und auch zu Oxidation von Bereichen führen kann, die danach aufwendig gereinigt werden müssen.
Auch im Bereich des Ausgangsgleichrichters ist aufgrund des relativ hohen Leistungsverlustes an den Gleichrichterdioden eine ausreichende Kühlung notwendig. Bekannte Lösungen, bei denen die Gleichrichterdioden mittels Kühlkörpern gekühlt werden, weisen den Nachteil auf, dass die Wärmeabfuhr und damit indirekt die Ausgangsleistung der Transformatoranordnung durch die relativ kleinen Kühlflächen eingeschränkt wird. Als Verbesserung wird in der DE 103 34 354 A1 ein Flüssigkeitskühler für Leistungshalbleiter vorgeschlagen, bei dem zwei voneinander elektrisch isolierte Kontaktstücke, zwischen denen das Leistungshalbleiterelement angeordnet ist, an ihren dem Leistungshalbleiterelement zugewandten Innenflächen eine zum Leistungshalbleiterelement offene Nut aufweisen, welche als Kühlkanal dient. Bei dieser Lösung steht der Leistungshalbleiter mit dem Kühlmedium in unmittelbarem Kontakt, was zu Korrosion führen kann und einen erhöhten Abdichtungsaufwand nach sich zieht. Außerdem können punktuelle Bereiche mit stark erhöhtem Wärmeauftreten (sog. "hot spots") nur schlecht gekühlt werden, soweit sie außerhalb des direkten Kontaktbereichs zwischen Halbleiter und Kühlmedium liegen.
Auch die herkömmliche Anordnung und Ausrichtung der Gleichrichterdiodenebene in Hauptstromrichtung erschwert aufgrund der schlechten Zugänglichkeit die Kühlung und gestaltet die Konstruktion relativ preisaufwendig, da zur Stromführung teure Strombänder wie z. B. Lamellenbänder notwendig sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Windungselement und eine Transformatoranordnung anzugeben, die einfacher und effektiver zu kühlen sind und eine robuste und stabile, aber dennoch preisgünstige Bauart aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Windungselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Transformatoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Das erfindungsgemäße Windungselement dient zur Stromleitung, beispielsweise als Bestandteil einer Spulenwicklung, insbesondere bei einer (Schweiß-)Transformatoranordnung. Das Windungselement weist Befestigungsmittel zum Befestigen des Windungselements an einem Trägerbauteil auf. Als Trägerbauteil kann insbesondere ein Anschlussbauteil beispielsweise einer Gleichrichterbaugruppe innerhalb einer Transformatoranordnung vorgesehen sein. Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine sichere und robuste Befestigungsmöglichkeit ohne materialverändernde bzw. -beeinflussende Nebenwirkungen erreicht, wobei zusätzlich durch eine vorteilhafte massive Ausgestaltung des Windungselement ein gute Wärmeleitfähigkeit erzielt werden kann. Durch die vorgesehenen Befestigungsmittel ist es möglich, das Windungselement ohne Wärmezufuhr, wie sie z. B. bei einem Schweiß- oder Lötvorgang notwendig ist, an einem Trägerbauteil zu befestigen. Darüber hinaus entfällt die Abkühlung und Reinigung der Konstruktion nach der Montage.
Vorteilhafterweise ist wenigstens ein innerer Hohlraum zum Aufnehmen eines Kühlfluids vorgesehen. Das Kühlfluid, insbesondere Wasser, kann im Inneren des Windungselements zir kulieren und dadurch die entstehende Wärme gut abführen. Damit wird die Kühlbarkeit deutlich verbessert, womit höhere elektrische Leistungen erreichbar sind.
Die Befestigungsmittel sind vorteilhafterweise als Schraubbefestigungsmittel, insbesondere als Gewindebohrung ausgeführt. Damit kann das Windungselement auf einfache Weise fest mit dem Trägerbauteil verbunden werden, wobei zusätzlich zur Vermeidung von Wärmeeintrag auch eine Wiederentfernbarkeit, beispielsweise zu Reparatur- oder Wartungszwecken, möglich ist. Durch die Anschraubmöglichkeit können aufwendigere und damit teurere Herstellung- bzw. Montageverfahren vermieden werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Windungselement E-förmig mit einem Rücken und drei Schenkeln ausgebildet. Es versteht sich, dass daneben ebenso eine C-förmige oder andersartige Ausgestaltung möglich ist. Bei einer E-förmigen Ausgestaltung kann das Windungselement besonders robust ausgestaltet werden und ist besonders stabil beispielsweise an den drei Schenkeln mit dem Trägerbauteil verbindbar. Bei einer E-förmigen Ausgestaltung existieren zwei Öffnungen zwischen den drei Schenkeln, welche beispielsweise mit einem Eisenkern ausgefüllt werden können. Weiterhin gewährleistet eine E-förmige Ausgestaltung aufgrund der Dimensionierung eine niedrige Impedanz des Windungselements in einem mittleren Frequenzbereich, wie er insbesondere bei Widerstandsschweißtransformatoren auftritt. Ein E-förmiges Windungselement kann aufgrund seiner massiven Form beispielsweise mittels Schrauben auf einfache Art an der übrigen Konstruktion befestigt werden, wodurch die Montage in Vergleich zu bekannten Systemen, bei denen der Zusammenbau durch Hartlöten oder Schweißen bewerkstelligt wird, vereinfacht und verbilligt wird.
Vorteilhafterweise ist das Windungselement aus einem massiven, insbesondere einstückigen, Materialelement hergestellt. Es kann sich dabei insbesondere um einen Materialblock bzw. um ein Materialblech handeln. Der Hohlraum bzw. die Kühlleitungen können in das Materialelement gebohrt oder gefräst werden, wobei Öffnungen, die nur aus Herstellungsgründen existieren und für den späteren Kühlkreislauf unnötig sind, durch geeignetes Dichtmaterial verschlossen werden können. Als Material bietet sich insbesondere Kupfer oder Aluminium an, da es einen geringen elektrischen Widerstand und gleichzeitig eine hohe thermische Leitfähigkeit besitzt.
Eine erfindungsgemäße Transformatoranordnung, insbesondere eine Schweißtransformatoranordnung, weist eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung auf. Die Primärwicklung und/oder Sekundärwicklung umfasst wenigstens ein erfindungsgemäßes Windungselement.
Durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Windungselements bei einer Transformatoranordnung gestaltet sich der Zusammenbau wesentlich einfacher, da aufgrund der vorgesehenen Befestigungsmittel ein Schweiß- oder Lötvorgang vermieden werden kann. Darüber hinaus kann die Kühlung einer Transformatoranordnung wesentlich vereinfacht werden. Im übrigen wird ausdrücklich auf die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Windungselement genannten Vorteile verwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sekundärwicklung eine Ausgangsgleichrichteranordnung nachgeschaltet, wobei die Sekundärwicklung wenigstens ein erfindungsgemäßes Windungselement umfasst. Damit kann insbesondere eine Transformatoranordnung mit Ausgangsgleichrichteranordnung verbessert werden.
Es ist zweckmäßig, wenn das wenigstens eine Windungselement an der Ausgangsgleichrichteranordnung insbesondere mittels einer Schraubverbindung befestigt ist. Durch eine Verbindung des Windungselements und damit der Sekundärwicklung mit der Ausgangsgleichrichteranordnung kann vorteilhafterweise auf zusätzliche Leitungen zur Stromführung verzichtet werden. Eine Schraubverbindung macht die Befestigung besonders stabil und darüber hinaus lösbar. Insgesamt können dadurch die Herstellungs- und Montagekosten verringert werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ausgangsgleichrichteranordnung wenigstens eine Gleichrichterbaugruppe, bei der eine scheibenförmige Gleichrichterdiode zwischen zwei Kontaktplatten angeordnet ist, wobei wenigstens eine Kontaktplatte auf ihrer der Gleichrichterdiode abgewandten Seite mit einem Kühlfluid beaufschlagbar ist. Damit kann eine effektive Kühlung der Gleichrichterdiode erreicht werden, ohne dass die Gleichrichterdiode unmittelbar mit dem Kühlfluid in Verbindung steht. Die Kontaktplatte wird vom Kühlfluid gekühlt und trägt dazu bei, die Gleichrichterdiode insbesondere vor Korrosion zu schützen und darüber hinaus eine gleichmäßige Kühlung der Diode zu gewährleisten, da ein bevorzugtes Kontaktplattenmaterial wie z. B. Kupfer oder Aluminium eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Halbleitermaterial, üblicherweise Silizium, besitzt. Somit können insbesondere die weiter oben beschriebenen "hot spots" effektiver gekühlt werden. Die Kontaktplatte wirkt zugleich als Stromleitungskontakt und als Kühlfläche. Insbesondere bei Gleichrichterdioden, an denen üblicherweise eine relativ hohe Leistung abfällt, ist eine effektive Kühlung nötig, die bei der beschriebenen Ausgestaltung erreicht wird. Da kein direkter Kontakt zwischen der Gleichrichterdiode und dem Kühlfluid besteht, kann die Abdichtung vereinfacht werden, da insbesondere bei einem Defekt nur die Diode zwischen den Kontaktplatten ausgewechselt werden muss und kein Zugriff auf das Dichtungsmaterial nötig ist. Es bietet sich an, das Kühlfluid durch Kühlkanäle auf der der Gleichrichterdiode abgewandten Seite der Kontaktplatte zu führen, wobei die Fläche zwischen dem Kühlfluid und der Kontaktplatte im Bereich der Diode möglichst groß sein sollte. Gleichzeitig sollte die Ausgestaltung und Anordnung der Kanäle einen möglichst geringen Einfluss auf die Gleichmäßigkeit der Stromdichte durch die Diode nehmen. Weiterhin sollte bei der Ausgestaltung der Kanäle darauf geachtet werden, einen möglichst geringen Druckabfall beim Durchfluss des Kühlfluids durch die Kanäle zu erreichen, was beispielsweise durch einen möglichst großen Kanalquerschnitt und durch Parallelzweige möglich ist.
Es ist von Vorteil, wenn wenigstens eine Kontaktplatte mittels einer Federkraft auf die Gleichrichterdiode gedrückt wird. Damit ist für die Diode eine vorgebbare schwebende Einspannung erzielbar, wodurch insbesondere die vom Diodenhersteller geforderten Einspannungskräfte für derartige Dioden, die aufgrund der Ausdehnung bei Temperatur möglichst wenig schwanken dürfen, und ein möglichst gleichmäßiger Druck auf die Diodenflächen gewährleistet werden. Damit können ein geringerer Widerstand zwischen den Dioden und den Kontaktplatten, eine möglichst gleichmäßige Stromdichte durch die Dioden sowie eine gleichmäßige, flächige Kühlung der Dioden mittels der Kontaktplatten gewährleistet werden.
Vorteilhafterweise weist die Gleichrichterbaugruppe zwei, mit wenigstens einem Hohlraum versehene Anschlusselemente, die jeweils mit einer der Kontaktplatten in Verbindung stehen, auf, wobei der wenigstens eine Hohlraum zum Aufnehmen eines Kühlfluids ausgebildet ist. Damit kann eine äußerst kompakte und robuste Bauart erzielt werden, bei der nur wenige stabile Bauteile nötig sind, um eine geschlossene Stromleitungs- und Kühlfunktionalität zu erzielen. Insbesondere ist eines der Anschlusselemente direkt an die Sekundärwicklung bzw. ein entsprechendes Trägerbauteil anschließbar, wodurch weitere elektrische oder mechanische Bauteile vermieden werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform steht wenigstens ein Hohlraum des wenigstens einen Windungselements mit wenigstens einem Hohlraum der wenigstens einen Gleichrichterbaugruppe in Verbindung. Damit kann ein zusammenhängender Kühlkreislauf gebildet werden, was die Kühlfluidführung wesentlich vereinfacht.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Hauptstromrichtung von der Sekundärwicklung zur Gleichrichterbaugruppe im wesentlichen senkrecht auf der Haupterstreckungsebene der scheibenförmigen Gleichrichterdiode steht. In diesem Fall kann die Gleichrichterdiode bzw. Gleichrichterbaugruppe direkt mit der Sekundärwicklung verbunden werden, wodurch teure Stromverbindungen wie z. B. ein Lamellenband eingespart werden können. Weiterhin wird durch diese Ausgestaltung der notwendige Bauraum reduziert. Die Transformatoranordnung kann kleiner ausfallen und preiswerter hergestellt werden.
Zweckmäßigerweise umfasst die Primärwicklung wenigstens ein selbsttragendes Spulenelement, bei dem eine bandförmige Leitung in zwei verbundenen, nebeneinander angeordneten, gegenläufigen Wicklungen geführt ist. Durch die selbsttragende Bauart kann auf einen Spulen- bzw. Wickelkörper ver zichtet werden. Dadurch ist eine höherer Füllfaktor und ein größerer Leitungsquerschnitt erzielbar. Zusätzlich kann das Spulenelement einfacher gekühlt werden, da es besser an die vorhandene Konstruktion anpassbar ist. Schließlich sinken die Herstellungskosten.
Es bietet sich an, den Querschnitt der bandförmigen Leitung so auszugestalten, dass das selbstragende Spulenelement eine niedrige Impedanz bei Mittelfrequenzen aufweist. Damit kann das Spulenelement vorteilhaft für Widerstandsschweißtransformatoren verwendet werden. Beispielsweise kann ein Querschnitt von ca. 1 mm × 8 mm bei einer Windungszahl von ca. 9 bis 10 pro gegenläufiger Wicklung verwendet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sekundärwicklung vier Windungselemente und/oder die Ausgangsgleichrichteranordnung zwei Gleichrichterbaugruppen und/oder die Primärwicklung sechs selbsttragende Spulenelemente. Damit ist eine Mittelfrequenzschweißtransformatoranordnung bereitstellbar, die besonders robust baut, einfach zu montieren ist und eine gute Kühlbarkeit bietet.
Es ist besonders bevorzugt, wenn die Sekundärwicklung einen Eisenkern, der von der Primärwicklung umgeben wird, mittels der Windungselemente haltert und an der Ausgangsgleichrichteranordnung angeschraubt ist. Auf diese Weise kann die gesamte Transformatoranordnung mit nur wenigen Schrauben zusammengesetzt werden, ohne dass ein Schweiß- oder Lötvorgang notwendig wäre. Die Ausgangsgleichrichteranordnung stützt die Sekundärwicklung, welche wiederum den Eisenkern hält, wobei der Eisenkern wiederum die Primärwicklung trägt. Die gesamte Konstruktion des Transformators ist durch Verschraubungen montierbar, so dass keine Wärme zugeführt werden muss und damit eine Veränderung, insbesondere Verschlechterung, der mechanischen Materialeigenschaften vermieden wird. Die gesamte Anordnung ist auf engem Raum mit gutem thermischen Kontakt verbunden, was die Kühlbarkeit signifikant verbessert. Die Kontakt- und Verbindungsflächen der Konstruktion können vor der Verschraubung entsprechend bearbeitet und/oder behandelt werden, um eine Oxidation der Kontaktflächen, die zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Konstruktion führen würde, zu vermeiden.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
Figurenbeschreibung
1 zeigt einen elektrischen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Transformators;
2 zeigt eine schematische Konstruktionsansicht einer bevorzugten Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Windungselements;
3 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung eines selbstragenden Spulenelements zur Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Transformatoranordnung;
4 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer Wicklungsanordnung einer erfindungsgemäßen Transformatoranordnung;
5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung einer Gleichrichterbaugruppe zur Verwendung mit einer erfindungsgemäßen Transformatoranordnung aus verschiedenen Ansichten; und
6 zeigt eine Explosionsansicht einer bevorzugten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Transformatoranordnung.
In 1 ist ein elektrisches Schaltbild einer Schweißtransformatoranordnung schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Die Schweißtransformatoranordnung 100 weist einen Primärkreis 110 und einen Sekundärkreis 120 auf, die über einen Transformator 130 verbunden sind. Eine Primärwicklung 132 des Transformators 130 mit einer Windungszahl N₁ ist in den Primärkreis 110, eine Sekundärwicklung 133 des Transformators 130 mit einer Windungszahl N₂ + N₃ ist in den Sekundärkreis 120 geschaltet. Der Transformator 130 weist weiterhin einen Transformatorkern 131 auf. Der Primärkreis 110 wird mit einer Primärspannung U₁ im Mittelfrequenzbereich betrieben.
Der Sekundärkreis 120 ist als Gleichrichteranordnung ausgebildet und stellt die Transformatorausgangsspannung U₂ bereit. Zu diesem Zweck weist die Sekundärwicklung 133 einen Mittelabgriff A auf, der mit dem negativen Ausgang (–) der Anordnung 100 verbunden ist. Ausgehend vom Mittelabgriff A ist die Sekundärwicklung 133 in zwei Teilwicklungen mit den Wicklungszahlen N₂ und N₃ aufgeteilt, die mit den Wicklungsabgriffen B bzw. C verbunden sind. Den Wicklungsab griffen B und C sind zwei Gleichrichterdioden 134 nachgeschaltet, deren Ausgänge gemeinsam mit dem positiven Ausgang (+) der Anordnung 100 verbunden sind.
Die Sekundärwicklung 133 weist wenigstens ein bevorzugtes Windungselement, wie es unter Bezugnahme auf 2 detaillierter beschrieben wird, als Bestandteil auf. Ebenso weist die Primärwicklung 132 vorteilhafterweise wenigstens ein selbsttragendes Spulenelement auf, wie es unter Bezugnahme auf 3 nachfolgend näher erläutert wird.
In 2 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines Windungselements in einer ebenen Schnittansicht dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Das Windungselement 200 besteht aus einem massiven, einstückigen Kupferblock 201, der eine E-förmige Ausgestaltung mit einem Rücken 202 und drei Schenkeln 203 aufweist. Zwischen den Schenkeln 203 befinden sich zwei Öffnungen 204, in denen bei der beschriebenen bevorzugten Ausgestaltung ein Eisenkern, wie er beispielsweise in 4 mit 401 bezeichnet ist, verläuft.
Das Windungselement 200 weist Befestigungsmittel auf, die als Gewindebohrungen 205 ausgebildet sind. Mittels der bevorzugten Gewindebohrungen 205 ist eine robuste und zuverlässige Befestigung des Windungselements 200 an einem Trägerbauteil, insbesondere einem Bauteil einer Ausgangsgleichrichteranordnung, möglich. Weiterhin weist das Windungselement 200 als Bohrungen bzw. Kühlkanäle 206 ausgebildete Hohlräume zum Aufnehmen eines Kühlfluids auf. Die Bohrungen 206 sind so im Inneren des Windungselements 200 angeordnet, dass sie eine zusammenhängende Kühlfluidleitung bzw. einen Kühlkreislauf bilden. Eine Öffnung 207 der Bohrung 206, die längs innerhalb des Rückens 202 des Windungselements verläuft und zum Verbinden der in den Schenkeln 203 verlaufenden Kühlkanäle bzw. Bohrungen vorgesehen ist, ist mit einem Verschlusselement nach außen abgedichtet. Die weiteren Öffnungen 208 der Kühlkanäle 206 sind mit umgebenden Aussparungen zur Aufnahme von Dichtungselementen versehen und dienen als Zu- und Ableitungen für das Kühlfluid.
In 3 ist eine bevorzugte Ausgestaltung eines selbsttragenden Spulenelements 300 in einer Seitenansicht und einer Schnittansicht A-A schematisch dargestellt und insgesamt mit 300 bezeichnet. Das Spulenelement 300 ist aus einem rechteckförmigen Leitungsband 301 gewickelt und besteht aus zwei gegenläufig gewickelten und nebeneinander befindlichen Wicklungen 302 und 303. Die Wicklungsachse des Spulenelements 300 verläuft durch eine Öffnung 304, durch die vorteilhafterweise ein Transformatorkern geführt wird. Das Spulenelement 300 wird von der Spulenmitte ausgehend gewickelt, wobei sowohl die erste Wicklung 302 als auch die zweite Wicklung 303 von der Mitte ausgehend nach außen gewickelt werden, so dass sich die Stromanschlüsse der jeweiligen Wicklungen an der Außenseite der jeweiligen Wicklung befinden und eine einfache Zugänglichkeit bieten. Dennoch ist die Stromrichtung in beiden Wicklungen gleich, so dass ein Magnetfeld in Richtung der Wicklungsachse erzeugt wird. Das Spulenelement 300 ist durch die beschriebene Ausgestaltung selbsttragend ausgeführt, wodurch auf einen Spulenkörper verzichtet werden kann.
In 4 ist eine Explosionsansicht einer bevorzugten Wicklungsanordnung eines Transformators schematisch dargestellt und insgesamt mit 400 bezeichnet. Die Primärwicklung 408 der Wicklungsanordnung 400 umfasst sechs selbsttragende Spulenelemente 300, wie sie unter Bezugnahme auf 3 ausführlich erläutert wurden. Die sechs Spulenelemente 300 der Primärwicklung 408 sind teilweise parallel und teilwei se seriell verschaltet. Zum Anlegen der Primärspannung U₁ sind zwei Anschlussklemmen 406 vorgesehen. Die Sekundärwicklung 409 umfasst vier E-förmige Windungselemente 200, wie sie unter Bezugnahme auf 4 ausführlich erläutert wurden.
Zum Zusammenbau der Wicklungsanordnung 400 wird ein Eisenkern 401 durch die Öffnungen 204 der Windungselemente 200 sowie durch die Öffnungen 304 der Spulenelemente 300 geführt, wobei die Spulenelemente 300 und die Windungselemente 200 abwechselnd nebeneinander angeordnet und ausgerichtet sind. Die Windungselemente 200 sind an als Anschlussstücke 402, 403, 404 ausgebildeten Trägerbauteilen befestigt. Bei der dargestellten bevorzugten Ausgestaltung sind die Windungselemente 200 mittels Schrauben 405, von denen aus Übersichtlichkeitsgründen nicht alle mit Bezugszeichen versehen sind, an den Anschlussstücken 402 bis 404 angeschraubt. Die Anschlussstücke 402 bis 404 weisen dazu Öffnungen auf, durch die die Schrauben 405 geführt und in die Gewindebohrungen 205 der Windungselemente 200 eingeschraubt sind. Die Anschlussstücke 402 bis 404 weisen darüber hinaus Öffnungen 407 auf, die über vorgesehene Leitungskanäle mit den Öffnungen 208 der Windungselemente 200 verbunden sind, um einen Kühlkreislauf für das Kühlfluid zu schaffen.
Die Anschlussstücke 402 bis 404 entsprechen den in 1 dargestellten Abgriffen A, B, C. Das Anschlussstück 402 entspricht dem Mittelabgriff A, die Anschlussstücke 403, 404 entsprechen den Wicklungsabgriffen B bzw. C. Die Anschlussstücke 402 bis 404 können insbesondere Teil einer Halbleiter- bzw. Gleichrichteranordnung sein, wie sie beispielsweise unter Bezugnahme auf 6 beschrieben wird.
In 5 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer Gleichrichterbaugruppe aus unterschiedlichen Ansichten dargestellt und insgesamt mit 500 bezeichnet. In der Mitte der Baugruppe 500 ist eine scheibenförmige Gleichrichterdiode 501 angeordnet, die die elektrische Funktionalität der Gleichrichterbaugruppe 500 bereitstellt. An die Diode 501 schließen sich beidseitig Kontaktplatten 502 an, die zugleich elektrische Kontakte und Kühlflächen für die Diode bilden. Die Diode 501 ist somit zwischen zwei Kühlkörpern eingebunden, die mit einem Kühlfluid, das bevorzugt durch Kühlkanäle bzw. Kühlleitungen strömt, in Verbindung stehen. An den der Diode 501 abgewandten Seiten der Kontaktplatten 502 sind Dichtungsringe 503 angeordnet, um ein Austreten des Kühlfluids zu verhindern. Die Dichtungsringe 503 sind in zugehörigen Nuten 508 angeordnet, die in Anschlusselemente 504a, 504b gefräst sind.
Das Anschlusselement 504b weist einen gebohrten Zu-/Ablauf 507 für das Kühlfluid auf, das in einen als Kühlleitung bzw. Kühlkanal 506 ausgebildeten Hohlraum gelangen und dort zirkulieren kann. Der Kühlkanal 506 ist so hergestellt, dass die Fläche zwischen dem Kühlfluid und der Kontaktplatte 502 im Bereich der Anlagefläche der Diode möglichst groß ist, wobei zugleich die Verteilung der Kanäle einen möglichst geringen Einfluss auf die Gleichmäßigkeit der Stromdichte durch die Diode hat. Beim Durchfluss des Kühlfluids durch das Anschlusselement ist der Druckabfall gering, da ein möglichst großer Kanalquerschnitt und Parallelzweige vorgesehen sind. Das Kühlfluid verlässt das Anschlusselement 504b durch eine gebohrte und an der Unterseite des Anschlusselements 504b verschlossene Öffnung 510. Von der Öffnung 510 gelangt das Kühlfluid über ein Verbindungselement 509 in das Anschlusselement 504a, das ähnlich wie das Anschlusselement 504b aufgebaut ist und ebenso Kühlkanäle zum Aufnehmen und Leiten des Kühlfluids aufweist. Das Kühlfluid durchströmt das Anschlusselement 504a und erreicht anschließend über weitere dafür vorgesehene Hohlräume bzw. Kanäle die angeschlossenen Windungselemente 200.
Die Gleichrichterbaugruppe 500 weist weiterhin ein Befestigungs- und Federelement 505 auf, das dazu dient, die Baugruppe 500 zu befestigen und die Bauteile mit einer vorgebbaren Federkraft zu beaufschlagen. Damit wird eine vorgebbare schwebende Einspannung, mittels derer eine vom Diodenhersteller vorgegebene Einspannungskraft für die Gleichrichterdiode 501 bereitstellbar ist, sowie ein möglichst gleichmäßiger Druck auf die Diode 501 und damit eine möglichst gleichmäßige Stromdichte durch die Diode gewährleistet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung einer Schweißtransformatoranordnung ist in 6 in zerlegter Ansicht dargestellt und insgesamt mit 600 bezeichnet. Die Transformatoranordnung 600 weist zwei im wesentlichen gleich aufgebaute Gleichrichterbaugruppen 500 auf, die jeweils an der in der 5 rechts befindlichen Außenseite des Anschlusselements 504a mit den Anschlussstücken 403 bzw. 404 einer Wicklungsanordnung 400 verbunden sind. Dadurch steht die Hauptstromrichtung von der Sekundärwicklung zur Gleichrichterbaugruppe, die in 6 im wesentlichen von oben nach unten verläuft, im wesentlichen senkrecht auf der Haupterstreckungsebene der scheibenförmigen Gleichrichterdiode, wodurch die Gleichrichterbaugruppen 500 über die Anschlussstücke 403, 404 direkt ohne zusätzliche teure Stromleitungsbänder mit der Sekundärwicklung verbunden werden können. Die zwei Anschlusselemente 504b der beiden Gleichrichterbaugruppen werden miteinander elektrisch verbunden und stellen den positiven Ausgang der Transformatoranordnung dar.
Ein Transformatorgehäuse 601 ist als säulenförmiger Hohlkörper realisiert, wie er beispielsweise in der EP 1 584 404 A1 näher beschrieben ist. An der in 6 oberen Außenseite des Transformatorsgehäuses 601 sind die elektrischen Anschlüsse für die Primärspannung erkennbar. Innerhalb des Transformatorgehäuses 601 ist die Wicklungsanordnung 400 gemäß 4 angeordnet. Die Wicklungsanordnung 400 ist fast vollständig innerhalb des Gehäuses 601 angeordnet, so dass außenseitig nur die Anschlussstücke 404 und 402 sichtbar sind.
Das Anschlussstück 402 stellt den Mittelabgriff A der Sekundärwicklung dar und ist mit einer Anschlussplatte 602, die den negativen Ausgangsanschluss des Transformators 600 darstellt, verbunden. Die Anschlussstücke 404 (sichtbar) und 403 (nicht sichtbar) sind jeweils mit einer Gleichrichterbaugruppe 500 verbunden, wie sie in 5 näher erläutert wurde. Die beiden Anschlusselemente 504b der beiden Gleichrichterbaugruppen 500 sind gemeinsam mit einer Anschlussplatte 603 verbunden, die den positiven Ausgangsanschluss des Transformators 600 darstellt. Die Anschlussstücke 402 bis 404 stellen zusammen mit den beiden Gleichrichterbaugruppen 500 und optional den Anschlussplatten 602, 603 eine Ausgangsgleichrichteranordnung 604 dar.
Die gesamte Transformatoranordnung 600 einschließlich der Ausgangsgleichrichteranordnung 604 ist vorteilhafter-weise durch Verschraubung zusammengebaut, was insbesondere unter einem zeitlichen Aspekt gegenüber herkömmlichen verschweißten Konstruktionen erhebliche Vorteile bei der Herstellung bietet. Es ist bei geschweißten Konstruktionen notwendig, diese nach dem Schweißvorgang abzukühlen, oxidierte Schichten zu entfernen und die Oberfläche nachzubehandeln. Über dies führt eine Erwärmung auf hohe Temperaturen zu einer Veränderung von mechanischen Eigenschaften der Kupferlegierung, aus der die Konstruktion bevorzugt besteht. Die Kontakt- und Verbindungsflächen der Konstruktion sind vor der Verschraubung entsprechend bearbeitet und/oder behandelt, um eine Oxidation der Kontaktflächen, die zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften der Konstruktion führen würde, zu vermeiden.
Es versteht sich, dass in den dargestellten Figuren nur besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind. Daneben sind im Rahmen dieser Erfindung andere Ausführungsformen denkbar.

100: Transformatoranordnung
110: Primärkreis
120: Sekundärkreis
130: Transformator
131: Transformatorkern
132: Primärwicklung
133: Sekundärwicklung
200: Windungselement
201: Kupferblock
202: Rücken
203: Schenkel
204: Öffnung
205: Gewindebohrung
206: Kühlkanal
207: Öffnung
208: Öffnung
300: Spulenelement
302, 303: Wicklung
400: Wicklungsanordnung
401: Eisenkern
402, 403, 404: Anschlussstück
405: Schraube
406: Anschlussklemme
407: Öffnung
408: Primärwicklung
409: Sekundärwicklung
500: Gleichrichterbaugruppe
501: Gleichrichterdiode
502: Kontaktplatte
503: Dichtungsring
504a, 504b: Anschlusselement
506: Kühlkanal
507: Zu-/Ablauf
508: Nut
509: Verbindungselement
510: Öffnung
600: Schweißtransformatoranordnung
601: Transformatorgehäuse
602: Anschlussplatte (–)
603: Anschlussplatte (+)
604: Ausgangsgleichrichteranordnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10334354 A1 [0004]
- EP 1584404 A1 [0047]

Claims

Windungselement (200) zur Stromleitung als Bestandteil einer Spulenwicklung (132, 133; 408, 409), insbesondere einer Transformatorwicklung oder Schweißtransformatorwicklung, gekennzeichnet, durch Befestigungsmittel (205) zum Befestigen des Windungselements (200) an einem Trägerbauteil (402, 403, 404).
Windungselement (200) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch wenigstens einen in seinem Inneren ausgebildeten Hohlraum (206) zum Aufnehmen eines Kühlfluids.
Windungselement (200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmittel (205) als Schraubbefestigungsmittel, insbesondere als Gewindebohrung, ausgeführt sind.
Windungselement (200) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass es E-förmig mit einem Rücken (202) und drei Schenkeln (203) und/oder aus einem massiven, insbesondere einstückigen, Materialelement (201) hergestellt ist.
Transformatoranordnung (100; 600), insbesondere Schweißtransformatoranordnung, mit einer Primärwicklung (132; 408) und einer Sekundärwicklung (133; 409), dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (132; 408) und/oder Sekundärwicklung (133; 409) wenigstens ein Windungselement (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärwicklung (133; 409) eine Ausgangsgleichrichteranordnung (604) nachgeschaltet ist und die Sekundärwicklung (133; 409) wenigstens ein Windungselement (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Windungselement (200) an der Ausgangsgleichrichteranordnung (604) insbesondere mittels einer Schraubverbindung (205; 405) befestigt ist.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsgleichrichteranordnung (604) wenigstens eine Gleichrichterbaugruppe (500) umfasst, bei der eine scheibenförmige Gleichrichterdiode (501) zwischen zwei Kontaktplatten (502) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Kontaktplatte (502) auf ihrer der Gleichrichterdiode (501) abgewandten Seite mit einem Kühlfluid beaufschlagbar ist.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kontaktplatte (502) mittels einer Federkraft auf die Gleichrichterdiode (501) gedrückt wird.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterbaugruppe (500) zwei, mit wenigstens einem Hohlraum (506, 507, 510) versehene Anschlusselemente (504a, 504b), die jeweils mit einer der Kontaktplatten (502) in Verbindung stehen, aufweist, wobei der wenigstens eine Hohlraum (506, 507, 510) zum Aufnehmen eines Kühlfluids ausgebildet ist.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Hohlraum (206) des wenigstens einen Windungselements (200) und wenigstens ein Hohlraum (506, 507, 510) der wenigstens einen Gleichrichterbaugruppe (500) miteinander in Verbindung stehen.
Transformatoranordnung (100; 600) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptstromrichtung von der Sekundärwicklung (133; 409) zur Gleichrichterbaugruppe (500) im wesentlichen senkrecht auf der Haupterstreckungsebene der scheibenförmigen Gleichrichterdiode (501) steht.
Transformatoranordnung (100; 600) nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärwicklung (132; 408) wenigstens ein selbsttragendes Spulenelement (300) umfasst, bei dem eine bandförmige Leitung (301) in zwei verbundenen, nebeneinander angeordneten, gegenläufigen Wicklungen (302, 303) geführt ist.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der bandförmigen Leitung (301) so ausgestaltet ist, dass das selbsttragende Spulenelement (300) eine niedrige Impedanz bei Mittelfrequenzen aufweist.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 6 oder 7 und/oder einem der Ansprüche 8 bis 12 und/oder Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (133; 409) vier Windungselemente (200) und/oder die Ausgangsgleichrichteranordnung (604) zwei Gleichrichterbaugruppen (500) und/oder die Primärwicklung (132; 408) sechs selbstragende Spulenelemente (300) umfasst.
Transformatoranordnung (100; 600) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärwicklung (133; 409) einen Eisenkern (401), der von der Primärwicklung (132; 408) umgeben wird, mittels der Windungselemente (200) haltert und an der Ausgangsgleichrichteranordnung (604) angeschraubt ist.