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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wicklungselement zum Bilden eines Wicklungspakets, das zur Verwendung in einem Transformator, insbesondere in einen Multifrequenz-Transformator für Inverterstromquellen vorgesehen ist.
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Inverterstromquellen wandeln elektrische Energie aus dem Netz in die für die technische Anwendung notwendigen Strom- und Spannungsbereiche um. Ein Anwendungsbeispiel für einen entsprechenden MF-Transformator ist bspw. das Bolzenschweißen, bei dem die zur Verfügung stehende Netzspannung durch die Stromquelle derart umgesetzt wird, dass sie zum Aufschweißen von Bolzen auf Werkstücke, beispielsweise Bleche oder dergleichen genutzt werden kann.
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Durch den Einsatz neuer Bauelemente sowie höherer Umwandlungsfrequenzen konnte in den letzten Jahren die Weiterentwicklung derartiger Stromquellen so verbessert werden, dass deren Volumen und Gewicht abnahm. Auch der Wirkungsgrad liegt zwischenzeitlich in einem Bereich deutlich über 90% und wird weiterhin optimiert. Dies wiederum hat zur Folge, dass sich die verbleibende Verlustleistung auf immer kleinere Volumen konzentriert und auch dementsprechend schwierig abzuführen ist. Die Weiterentwicklung aller beteiligter Komponenten zur Verringerung auftretender Verlustleistung gewinnt daher zunehmend an Bedeutung.
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Ein wesentliches Bauteil eines Inverters ist der so genannte MF-Transformator. Der Kern eines derartigen Transformators besteht aus Ferrit, für die Wicklungen werden üblicherweise Litzen oder Bandleiter aus hochleitfähigen Materialien eingesetzt.
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Um eine gute Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung des Transformators mit geringem Streufluss zu erreichen, werden unterschiedlichste Wicklungsanordnungen, bei denen die Wicklungen in verschiedenster Weise verschachtelt sind, eingesetzt. Das Erzielen einer gleichmäßigen Stromdichte in diesen Leitern ist eine wesentliche Voraussetzung dafür, dass die Verlustleistungen in den Wicklungen verringert werden können. Der bei sehr hohen Frequenzen, wie sie bei derartigen Transformatoren verwendet werden, auftretende so genannte Proximity-Effekt sowie der Skin-Effekt führen jedoch zu sehr unsymmetrischen Stromdichteverteilungen in den Leitern. Unter dem Proximity-Effekt wird dabei das Auftreten von Wirbelströmen in elektrischen Leitern durch inhomogene magnetische Felder verstanden, der Skin-Effekt führt zu einer Stromverdrängung in elektrischen Leitern aufgrund der hohen Arbeitsfrequenzen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Möglichkeit zum Bilden eines Wicklungsaufbaus für einen Transformator zur Verfügung zu stellen, bei der beide oben genannte Effekte in flachen Leitern deutlich reduziert werden. Gleichzeitig soll ein kompakter Wicklungsaufbau erreicht werden, der durch die Verwendung einfach gestalteter Gleichteile einen kostengünstigen Aufbau ermöglicht sowie eine einfache Anpassung an unterschiedliche Anwendungen erlaubt.
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Die Aufgabe wird durch ein Wicklungselement zum Bilden eines Wicklungspakets für einen Transformator gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Gedanken, die Wicklungspakete eines Transformators durch einzelne Wicklungselemente zu bilden, welche übereinander angeordnet und miteinander leitend verbunden werden. Jedes Wicklungselement besteht hierbei aus einem plattenförmigen Element, welches eine hohe Leitfähigkeit aufweist und derart strukturiert ist, dass zwei übereinander liegende Windungen gebildet werden. Das Wicklungselement weist ferner Anschlusselemente auf und zwischen den beiden Windungen ist ein Isolierelement angeordnet.
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Vorzugsweise besteht das plattenförmige Element aus einem zumindest teilweise biegbaren Basisteil, insbesondere eine Folie, welches derart strukturiert ist, dass die beiden übereinander liegenden Windungen durch Falten des Basisteils um 180° gebildet werden. Alternativ hierzu kann allerdings auch vorgesehen sein, dass das plattenförmige Element aus zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Leiterplatten besteht, welche jeweils eine Beschichtung hoher Leitfähigkeit aufweisen, durch welche die Windungen gebildet werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist dabei das Wicklungselement derart strukturiert, dass die beiden Windungen jeweils eine geteilte parallele Stromführung aufweisen, wobei die parallele Stromführung einer Windung vorzugsweise gegenüber der Stromführung der anderen Windung vertauscht ausgebildet bzw. gespiegelt ist. Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, hat sich gezeigt, dass durch diese spezielle Strukturierung des Wicklungselements der Einfluss des Skin-Effekt sowie des Proximity-Effekts deutlich verringert werden kann. Ferner ist das erfindungsgemäße Entwicklungselement sehr einfach herzustellen, so dass letztendlich die Erstellung eines kompakten Wicklungspakets für einen Transformator deutlich vereinfacht wird.
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Das plattenförmige Element sowie das Isolierelement weisen vorzugsweise Öffnungen zum Durchführen eines magnetischen Kopplungselements, bspw. eines Ferritkerns auf. Die Strukturierung des Elements erfolgt dabei vorzugsweise durch ein gratfreies Verfahren, bspw. durch galvanisches Ätzen, Laserschneiden oder Wasserschneiden. Dabei kann das Element eine quadratische, runde, mehreckige oder ovale Form aufweisen.
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Zum Bilden eines Wicklungspakets, welches zur Verwendung in einem Transformator vorgesehen ist, werden dann mehrere derartige Wicklungselemente übereinander angeordnet und leitend miteinander verbunden. Dabei können die Wicklungselemente in Parallelschaltung oder in Serienschaltung miteinander verbunden werden.
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Erfindungsgemäß wird auch ein Transformator für eine Inverterstromquelle vorgeschlagen, der zwei nach der oben beschriebenen Vorgehensweise erstellte Wicklungspakete aufweist, welche magnetisch miteinander gekoppelt sind. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Wicklungselemente des ersten Wicklungspakets und die Wicklungselemente des zweiten Wicklungspakets alternierend übereinander angeordnet werden. Die Effizienz des Transformators wird hierdurch optimiert.
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Zwischen zwei übereinander angeordneten Wicklungselementen kann mindestens ein Isolierelement angeordnet sein. Dieses ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass es die Wicklungselemente seitlich umschließt.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
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1 die Ansicht eines Basisteils zum Bilden eines erfindungsgemäßen Wicklungselements in noch nicht gefalteter Form;
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2 schematisch den Stromfluss durch das Wicklungselement;
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3 schematisch das Einfügen des Isolierelements und Falten des Basisteils;
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4 das fertige Wicklungselement in seitlicher Ansicht.
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5a und 5b zwei alternative Möglichkeiten zum Verbinden mehrerer erfindungsgemäßer Wicklungselemente zu einem Wicklungspaket;
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6a und 6b Möglichkeiten zum Isolieren zwischen Primär- und Sekundärwicklung und
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7 eine alternative Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wicklungselements.
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Zentraler Bestandteil der Erfindung ist wie bereits erwähnt ein Wicklungselement, das gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung durch ein Basisteil gebildet wird, wie es beispielhaft in 1 dargestellt und mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Wie später ausführlich erläutert wird, werden mehrere dieser Wicklungselemente dann zu einer Transformator-Wicklung zusammen geschaltet.
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Das Basisteil 10 besteht aus einem gut leitfähigen Material und ist plattenförmig ausgebildet. Es weist eine hohe Flexibilität auf, die ein Falten ermöglicht. Dementsprechend werden bevorzugt leitfähige Folien zum Realisieren des Basisteils 10 bzw. des erfindungsgemäßen Wicklungselements verwendet. Diese Folien werden dann in entsprechender Weise strukturiert, so dass sich die in 1 dargestellte Konfiguration ergibt.
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Die Besonderheit des Basisteils 10 besteht darin, dass es in zwei Bereiche A und B unterteilt ist, welche zu einem späteren Zeitpunkt durch Falten übereinander gelegt werden. Beide Bereiche A und B sind spiegelsymmetrisch ausgestaltet und über Verbindungsbereiche 11 miteinander verbunden. Am Übergang dieser Verbindungsbereiche 11 sind kleine Löcher 12 ausgebildet, welche das Falten der Folie erleichtern. Ferner sind beide Bereiche A und B jeweils mit einem kammartigen Anschlussbereich 13 versehen, der später als Eingangsanschluss bzw. Ausgangsanschluss der Wicklungslage genutzt werden kann.
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Die Strukturierung des Basisteils 10 ist ferner derart, dass nach Faltung des Basisteils 10 um 180° der obere Bereich A und der untere Bereich B jeweils eine Windung der Wicklung bilden. Jede Windung ist hierbei in zwei parallele Leiter 15 und 16 aufgeteilt, wie 1 entnommen werden kann. Grund hierfür ist, dass aufgrund des oben erwähnten Skin-Effekts in Bandleitern die Stromdichte zu beiden Seiten eines Leiters ansteigt. Um eine gleichmäßige Stromverteilung im Leiter zu erzielen wird deshalb jeder Leiter in zwei oder auch mehrere schmalere Segmente getrennt. Hierdurch wird der Skin-Effekt deutlich reduziert, da auch die Leiterbreite reduziert wurde.
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Wird der Anschlussbereich 13 des oberen Bereichs A als Eingang des späteren Wicklungselements genutzt und bildet der Anschlussbereich 13 des unteren Bereichs B den Ausgang, so ergibt sich im Wicklungselement dann letztendlich ein Stromfluss, wie er in 2 schematisch dargestellt ist Es ergibt sich also eine parallele Stromführung mit den beiden Strömen I1 und I2 in den Bereichen 15 und 16, wobei die Anordnung im unteren Bereich B gespiegelt ist Das heißt, während der Stromfluss im oberen Bereich A derart ist, dass der Strom I1 im äußeren Bereich 15 fließt, erfolgt der Stromfluss dieses Parallelzweigs im unteren Bereich B an der Innenseite. Grund für diese spezielle Ausgestaltung ist folgender:
Durch unterschiedliche Durchflutung der Wicklungspakete können in den Bandleitern zusätzliche Wirbelstromverluste aufgrund des Proximity-Effekts stattfinden. Die Verringerung der Leiterbreite durch die Verwendung einzelner Leitersegmente verringert die Oberfläche des Leiters und damit die Fläche zur Einkopplung von Wirbelströmen. Die Wirbelströme werden durch diese Maßnahme also deutlich verringert. Die vertauschte bzw. gespiegelte Stromführung in den beiden Lagen A und B führt dann zu einer weiteren Verbesserung der magnetischen Durchflutung. Wie bereits erwähnt erfolgt der Wechsel einmal zwischen dem oberen Außenleiter und zusätzlich zwischen dem unteren Innenleiter sowie umgekehrt Dies hat zur Folge, dass die Durchflutung beider Windungszweige über zwei Windungen nahezu identisch ist, wodurch der Einfluss des Proximity-Effekts auf die Stromverteilung deutlich reduziert werden kann.
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Die Abführung auftretender Verlustwärme stellt wie bereits erwähnt ein Hauptproblem moderner MF-Transformatoren dar. Die Verringerung insbesondere der Leitungsverluste ist daher wesentlich für eine kompaktere Bauweise der Transformatoren. Durch die vorgeschlagene Lösung können auftretende Verluste bei gleichem Querschnitt deutlich reduziert werden. Die Arbeitstemperatur des Transformators ist dementsprechend bei gleicher Übertragungsleistung deutlich geringer, da weniger Verlustwärme abgeführt werden muss.
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Der letztendliche Zusammenbau eines Wicklungselements 1 ist dann in 3 dargestellt, wobei in einem ersten Schritt S1 zunächst ein Isolierelement 20 eingelegt und dann das Basisteil 10 in einem zweiten Schritt S2 gefaltet wird, wobei die Lage B hierfür entsprechend der Darstellung nach oben geklappt wird. Letztendlich werden hierdurch zwei Windungen einer Transformatorwicklung gebildet und es ergibt sich eine Anordnung, wie sie in seitlicher Ansicht. in 4 dargestellt ist.
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4 zeigt ein einzelnes Wicklungselement 1 mit der nunmehr oberen Lage B und der unteren Lage A, welche über die beiden Verbindungsbereiche 11 miteinander verbunden sind und ansonsten durch das Isolierelement 20 voneinander getrennt sind. Erkennbar sind ferner die Anschlussbereiche 13, welche ein Verbinden mehrerer derartiger Wicklungselemente 1 zu einer Transformatorwicklung ermöglichen.
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Anzumerken ist, dass die in 1 dargestellte Strukturierung des Basisteils 10 und damit die Geometrie für die einzelnen Windungen variiert werden kann. Denkbar wäre bspw. eine unterschiedliche Dicke für Primär- und Sekundärwicklungen. Auch könnten die einzelnen Windungen in mehr als zwei parallele Stromführungen unterteilt werden.
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Ferner könnte ein erfindungsgemäßes Wicklungselement auch dadurch gebildet werden, dass zwei Leiterplatten im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet und leitend miteinander verbunden werden. Beide Platten weisen dann wiederum eine leitende Beschichtung auf, durch welche die Windungen des Wicklungspakets gebildet werden. Die Leiterplatten werden wiederum durch ein Isolierelement voneinander getrennt, sind an ihrem Randbereich allerdings leiten miteinander verbunden und weisen ferner Anschlussbereich zum Verbinden mit weiteren Wicklungspaketen auf. Auch diese Variante ist herstellungstechnisch in einfacher Weise realisierbar, da alle Leiterplatten in identischer Weise ausgebildet sein können und lediglich jeweils zwei identische Platten zu einem Wicklungselement zusammengefügt werden müssen.
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Mehrere derartige Wicklungselemente 1 (in gefalteter Form oder in Form von Leiterplatten) können dann übereinander angeordnet und durch leitende Längs- oder Querstege 25 bzw. 26 miteinander verschaltet werden. Die Verbindung zwischen den Wicklungselementen 1 erfolgt hierbei an den bereits erwähnten – im dargestellten Beispiel kammartig ausgeführten – Anschlussbereichen 13. 5a zeigt hierbei eine Parallelschaltung von insgesamt fünf Wicklungselementen 1, während hingegen 5b eine Reihenschaltung darstellt. Üblicherweise werden hierbei die Wicklungselemente 1, welche der Primärwicklung des Transformators zugeordnet sind, sowie die Wicklungselemente 1 der Sekundärwicklung alternierend angeordnet, um eine optimale Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklungspaket zu erzielen. Durch diese hierbei letztendlich erzielte Anordnung der beiden Wicklungspakete wird dann ein magnetisches Kopplungselement, bspw. ein Ferritkern 30 geführt, wie dies in 5b schematisch angedeutet ist. Das Durchführen dieses Ferritkerns 30 wird dadurch ermöglicht, dass sowohl die beiden Lagen A und B der Wicklungselemente 1 als auch die Isolierelemente 20 entsprechende Öffnungen 17 bzw. 21 aufweisen (siehe 3).
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Um eine hohe Isolationsfestigkeit bei guter Kopplung zu erreichen, werden ferner zwischen Primär- und Sekundärwicklung Isolierkörper verwendet. Die 6a und 6b zeigen zwei mögliche Varianten zum Verwenden entsprechender Isolierkörper 35 bzw. 36. Bei der Variante gemäß 6a werden hierbei zwei gleichartig ausgebildete Isolierkörper 35 eingesetzt, welche somit eine doppelte Isolierlage bilden. Bei der Variante gemäß 6b hingegen wird eine Isolierung mit einem Einzelteil 36 erzielt. In beiden Fällen sind allerdings die Isolierkörper 35, 36 vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie am Außenrand die Wicklungselemente 1 umschließen und dementsprechend die Kriechstrecke zwischen Primär- und Sekundärwicklung vergrößern. Diese seitliche Umschließung kann dabei in unterschiedlicher geometrischer Form ausgeführt werden, wesentlich ist eine deutliche Verlängerung der Kriechstrecke.
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Letztendlich wird also durch die erfindungsgemäße Lösung die Realisierung eines Wicklungspakets für einen Transformator ermöglicht, welches zu einer sehr hohen Effizienz des Transformators führt. Der einfache Aufbau des Wicklungselements führt ferner dazu, dass eine kostengünstige Herstellung des gesamten Bauteils ermöglicht ist. Dabei kann das erfindungsgemäße Prinzip nicht nur auf quadratisch ausgeführte Wicklungselemente, wie sie in den bislang besprochenen Figuren dargestellt sind, angewendet werden. Stattdessen wäre auch eine elliptische, mehreckige oder andere geometrische Form, insbesondere eine Kreisform, wie sie in 7 dargestellt ist, denkbar.
