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Die vorliegendende Erfindung bezieht sich auf einen Piezotransformator mit mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Ausgangsphasen.
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Stand der Technik
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In der Elektrotechnik ist die Transformation einer Wechselspannung einer bestimmten Spannungsstärke in eine Wechselspannung einer anderen Spannungsstärke eine wichtige Aufgabe. Häufig muss zum Beispiel die Netzspannung, welche üblicherweise 220 Volt oder 110 Volt beträgt, auf die Betriebsspannung elektrischer Geräte transformiert werden. Dabei kann die Betriebsspannung tiefer als die Netzspannung, zum Beispiel bei 12 Volt, oder höher als die Netzspannung, zum Beispiel bei 400 Volt, liegen.
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Ferner ist eine galvanische Trennung zwischen der netzseitigen Spannungsversorgung und den spannungsführenden Teilen in einem elektrischen Gerät erwünscht und häufig auch vorgeschrieben.
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Heute übliche Vorrichtungen zur Transformation von Wechselspannung sind zum Beispiel magnetische Transformatoren, in welchen zwei elektrische Spulen magnetisch über einen Magnetkern miteinander gekoppelt sind. Dabei bestimmt das Windungsverhältnis der Eingangsspule zu dem Windungsverhältnis der Ausgangsspule das Verhältnis der Spannungstransformation.
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Eine weitere Möglichkeit zur Spannungstransformation bieten Piezotransformatoren, welche auf einer rein mechanischen Kopplung eines Eingangswandlers mit einem Ausgangswandler basieren. Dabei bestehen der Eingangswandler sowie der Ausgangswandler aus einem piezoelektrischen Material, welches entweder in Schwingung versetzt werden kann, wenn eine Wechselspannung an das Element angelegt wird, oder welches eine Wechselspannung erzeugen kann, wenn das Element mechanisch in Schwingung versetzt wird. Koppelt man nun ein Eingangselement, welches über eine Wechselspannung in mechanische Schwingung versetzt wird, mechanisch mit einem Ausgangselement, welches durch das Eingangselement in Schwingung versetzt wird, so erzeugt das Ausgangselement eine Wechselspannung, welche einer Spannung mit der Frequenz der Eingangsspannung an dem Eingangselement entspricht Das Transformationsverhältnis der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung wird dabei durch die mechanische Konstruktion des Piezotransformators bestimmt.
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Piezotransformatoren bieten dabei eine sehr hohe Effizienz von bis zu 90%, ein sehr hohes Transformationsverhältnis von bis zu 1/1000 sowie eine geringe Größe.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Piezotransformator mit einem eingangsseitigen piezoelektrischen Wandler, einem ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler mit mindestens zwei Phasen, mindestens einer ersten elektrisch nicht leitenden Schicht, welche zwischen dem eingangsseitigen piezoelektrischen Wandler und dem ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler angeordnet ist und welche den eingangsseitigen piezoelektrischen Wandler und den ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler mechanisch miteinander koppelt, und mindestens einer zweiten elektrisch nicht leitenden Schicht, welche zwischen den Phasen des ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandlers angeordnet ist.
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Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines Piezotransformators mit den Schritten Verbinden eines eingangsseitigen piezoelektrischen Wandlers mit einer ersten elektrisch nicht leitenden Schicht, Verbinden von mindestens zwei Phasen zu einem ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler, wobei zwischen den mindestens zwei Phasen eine zweite elektrisch nicht leitende Schicht vorgesehen wird, und Verbinden der ersten nicht leitenden Schicht mit dem ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler offenbart.
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Schließlich ist ein Inverter mit einem erfindungsgemäßen Piezotransformator vorgesehen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass zwei piezokeramische Schichten durch Vorsehen einer elektrisch nicht leitenden Schicht zwischen diesen zwei piezokeramischen Schichten galvanisch voneinander isoliert werden können.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht nun darin, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und einen einzelnen piezokeramischen Transformator vorzusehen, dessen ausgangsseitiger piezoelektrischer Wandler mindestens zwei Phasen aufweist, wobei diese zwei Phasen durch eine elektrische nicht leitende Schicht voneinander isoliert werden.
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Die Anordnung einer elektrisch isolierenden Schicht zwischen zwei Phasen des ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandlers ermöglicht es, zwei voneinander unabhängige Wechselspannungen mit einem einzigen Transformator bereitzustellen. Diese zwei bereitgestellten Spannungen können aufgrund der galvanischen Isolation zwischen den zwei Phasen in einem elektrischen Gerät, wie zum Beispiel einen Inverter, dazu genutzt werden, unterschiedliche Bestandteile des elektrischen Gerätes zu betreiben, welche voneinander unterschiedliche Bezugsspannungen aufweisen können.
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Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.
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In einer Ausführungsform sind die mindestens zwei Phasen parallel angeordnet.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die mindestens zwei Phasen in Serie angeordnet.
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Eine Anordnung der Phasen entweder parallel oder in Serie erlaubt es, die mechanische Konstruktion des Piezotransformators den Anforderungen der jeweiligen Anwendung sowie den Eigenschaften des verwendeten piezokeramischen Materials anzupassen.
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In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens drei Phasen vorgesehen und zwischen zwei benachbarten Phasen ist jeweils eine zweite elektrisch nicht leitende Schicht vorgesehen. Werden mindestens drei voneinander isolierte Phasen vorgesehen, so wird es möglich mit Hilfe des Piezotransformators Bauelemente einer elektrischen Vorrichtung anzusteuern, welche mehrere voneinander unabhängige Phasen aufweist. Dies ist zum Beispiel bei Invertern für mehrphasige Elektromotoren der Fall. Steuert ein solcher Inverter einen mehrphasigen Elektromotor an, so variert das Massepotential jeder einzelnen Phase abhängig von dem momentanen Zustand des Elektromotors. Um die unabhängigen Phasen ansteuern zu können, benötigt man daher für jede Phase eine Spannungsversorgung mit einer unabhängigen Masse. Durch einen efindungsgmäßen Piezotransformator können diese Spannungen einfach und effizient bereitgestellt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die erste elektrisch nicht leitende Schicht und/oder die zweite elektrisch nicht leitende Schicht eine Keramikschicht auf. Werden die nicht leitenden Schichten als Keramikschichten vorgesehen, so ist es möglich, diese gemeinsam mit den piezoelektrischen Wandlern bzw. den Phasen in einem gemeinsamen Prozess herzustellen. Dadurch wird eine effiziente und kostengünstige Herstellung des Piezotransformators ermöglicht.
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In noch einer Ausführungsform können die nichtleitenden Schichten auch als Bestandteile der Piezokeramiken des Eingangswandlers und des Ausgangswandlers ausgebildet sein. Die Isolationsspannung kann dabei durch eine geeignete Dimensionierung der Piezokermiken eingestellt werden.
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In weiteren Ausführungsformen können die nicht leitenden Schichten auch aus anderen Materialien, zum Beispiel Kunststoffen, bestehen. Diese Materialien können in Abhängigkeit der jeweiligen Anwendung und der benötigten Isolationsspannung ausgewählt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen die erste elektrisch nicht leitende Schicht und/oder die zweite elektrisch nicht leitende Schicht eine Isolationsspannung von 1 kV bis 10 kV, insbesondere von 2 kV bis 6 kV und insbesondere auch von 2,8 kV auf. Das Vorsehen unterschiedlicher Isolationsspannungen ermöglicht es, den Piezotransformator an die jeweils vorherrschenden Einsatzbedingungen anzupassen und unterschiedliche Anforderungen, technischer Art ebenso wie gesetzlicher Art, erfüllen zu können.
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In noch einer weiteren Ausführungsform weisen der eingangsseitige piezoelektrische Wandler und/oder die Phasen des ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandlers eine Nennspannung von 12 V bis 1000 V, insbesondere von 250 V bis 800 V, insbesondere auch von 300 V bis 500 V auf. Werden unterschiedliche Eingangsspannungen für den Piezotransformator vorgesehen, so kann dieser in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. Das Vorsehen unterschiedlicher Ausgangsspannungen ermöglicht es, unterschiedliche elektrische Vorrichtungen mit dem Piezotransformator zu versorgen. So kann dieser zum Beispiel als sehr effizienter Spannungswandler zur Versorgung von Niedervoltvorrichtungen wie zum Beispiel Mikrocontrollern eingesetzt werden, andererseits kann der Piezotransformator auch zur Versorgung von Leuchstoffröhren in zum Beispiel LCD-Bildschirmen, mit einer Nennspannung von bis zu 400 V, eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weisen der eingangsseitige piezoelektrische Wandler und jede der Phasen unterschiedliche Nennspannungen auf oder weisen der eingangsseitige piezoelektrische Wandler und jede der Phasen die gleiche Nennspannung auf oder weist der eingangsseitige piezoelektrische Wandler eine andere Nennspannung auf als die mindestens zwei Phasen, welche jeweils die gleiche Nennspannung aufweisen.
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Werden nicht nur für den Piezotransformator als ganzes unterschiedliche Nennspannungen vorgesehen, sondern auch für die einzelnen Phasen sowie den eingangsseitigen piezoelektrischen Wandler unterschiedliche elektrische Spannungen vorgesehen, so wird eine sehr flexible Anpassung des Piezotransformators an unterschiedliche Anwendungen möglich, was einen Einsatz des Piezotransformators in einer Vielzahl von Anwendungen ermöglicht.
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In einer weiteren Ausführungsform werden der eingangsseitige piezoelektrische Wandler, die erste elektrisch nicht leitende Schicht, sowie die mindestens zwei Phasen des ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandlers mittels Sintern verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform können die genannten Elemente durch Kleben, Löten oder dergelichen verbunden werden.
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Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
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1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Piezotransformators;
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2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Piezotransformators;
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3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Piezotransformators;
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4 eine Ausführungsform eines Inverters mit einem erfindungsgemäßen Piezotransformator.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.
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In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt und können in unterschiedlichen Ausführungsformen in anderem Maßstab zueinander stehen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Piezotransformators 1. Dabei zeigt 1 mit dem Bezugszeichen 2 einen eingangsseitigen piezoelektrischen Wandler, welcher mechanisch mit einer ersten elektrisch nicht leitenden Schicht 4 gekoppelt ist. Die erste elektrisch nicht leitende Schicht 4 ist wiederum mit einem ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandler 3 verbunden, welcher aus einer ersten Phase 3a und einer zweiten Phase 3b besteht, welche durch eine zweite elektrisch nicht leitende Schicht 3c voneinander isoliert sind. Die zwei Phasen 3a und 3b sind dabei gemeinsam mit der zweiten elektrisch nicht leitenden Schicht 3c parallel gegnüber dem eingangsseiteigen piezoelektrischen Wandler 2 und der ersten elektrisch nicht leitenden Schicht 4 angeordnet.
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In einem Piezotranformator 1, wie er in 1 argestellt ist, wird der eingangsseitige piezoelektrische Wandler 2 mit einer Spannungsquelle verbunden, welche diesen mittels einer Wechselspannung in mechanische Schwingungen versetzt. Da der eingangsseitige piezoelektrische Wandler 2 über die erste elektrisch nicht leitende Schicht 4 mechanisch mit den Ausgangsphasen 3a und 3b des ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandlers 3 gekoppelt ist, wird die mechanische Schwingung des eingangsseitigen piezoelektrischen Wandlers 2 auf die Phasen 3a und 3b übertragen. Die mechanische Schwingung bewirkt in den Phasen 3a und 3b eine Größenänderung, welche wiederum durch die Piezokeramik der Phasen 3a und 3b in eine elektrische Spannung umgewandelt wird. Die Größe der Spannung ist dabei sowohl von der Eingangsspannung als auch von der mechanischen Konstruktion des Piezotransformators 1 abhängig.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform sind sowohl die Phasen 3a und 3b, die piezoelektrischen Wandler 2 und 3 als auch die elektrisch nicht leitenden Schichten 3c und 4 aus Keramikmaterialien vorgesehen. In weiteren Ausführungsformen können die nicht leitenden Schichten auch aus anderen Materialien, zum Beispiel Kunststoffen, Glas, oder dergleichen vorgesehen werden. Es kann abhängig von der benötigten Isolationsspannung und dem konkreten Anwendungsfall jeweils das geeignete Isolationsmaterial ausgewählt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die erste nicht leitende Schicht 4 nicht als separate Schicht vorgesehen, sondern integraler Bestandteil des eingangsseitigen piezoelektrischen Wandlers 2. Eine gewünschte Isolationsspannung kann durch geeignete Dimensionierung der Piezokeramik des eingangsseitigen piezoelektrischen Wandlers 2 vorgesehen werden. In solch einem Fall dient die Piezokeramik des eingangsseitigen piezoelektrischen Wandlers 2 nicht nur als Schwingungserzeugendes Element sonder isoliert auch den eingangsseiteigen piezokermaischen Wandler elektrisch von dem ausgangsseiteigen piezoelektrischen Wandler.
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Der in 1 dargestellte Piezotransformator 1 ist für eine Eingangsnennspannung von 12 V und für eine Ausgangsspannung der beiden Phasen 3a, 3b von 5 V vorgesehen. In einer weiteren Ausführungsform kann der in 1 dargestellte Piezotransformator 1 beispielsweise für eine eingangsseitige Nennspannung von mehr als 12 V zum Beispiel von 24 V oder 220 V vorgesehen sein. In noch weiteren Ausführungsformen kann der Piezotransformator 1 aus 1 beispielsweise auch für eine Ausgangsnennspannung der beiden Phasen von 3,3 V, 12 V, 42 V, aber auch für wesentlich höhere Spannungen von zum Beispiel über 500 V vorgesehen sein. Der in 1 dargestellte Piezotransformator 1 ist ferner für Leistungen von bis zu 15 W ausgelegt. Durch eine geeignete Materialkombination oder Materialauswahl kann in weiteren Ausführungsbeispielen ein Piezotransformator 1 für höhere Leistungen ausgelegt werden.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Piezotransformators. Der in 2 dargestellte Piezotransformator 1 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Piezotransformator 1 dahingehend, dass der ausgangsseitige piezoelektrische Wandler 3 drei Phasen 5, 6 und 7 aufweist. Zwischen jeder der drei Phasen 5, 6 und 7 ist eine elektrisch nicht leitende Schicht 13, 14 vorgesehen. Ferner unterscheidet sich der in 2 dargestellte Piezotransformator 1 von dem in 1 dargestellten Piezotransformator 1 dahingehend, als dass der in 2 dargestellte Piezotransformator für eine Eingangsnennspannung von 400 V ausgebildet ist. Die ausgangsseitige Spannung der drei Phasen 5, 6 und 7 beträgt jeweils 12 V.
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Ein derart ausgeführter Piezotransformator ermöglicht es, zum Beispiel in einem Fahrzeug, unabhängig von einem bereits im Fahrzeug vorhandenen 12 V Bordnetz ein zweites 12 V Bordnetz aufzubauen, welches aus der Hochvoltbatterie des Elektrofahrzeugs gespeist wird. Dieses zweite 12 V Bordnetz kann nun zur Ansteuerung des Inverters für die Elektromaschine und zum Betrieb der notwendigen Sensorik der Elektromaschine eingesetzt werden. Somit wird ein von dem bereits vorhandenen 12 V Bordnetz des Fahrzeugs unabhängiger Betrieb der Elektromaschine ermöglicht.
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In weiteren Ausführungsformen kann die eingangsseitige Nennspannung des Piezotransformators 1 an andere Spannungen der Fahrzeughochvoltbatterie angepasst sein. Zum Beispiel kann die eingangsseitige Nennspannung des Piezotransformators 1 zwischen 250 V und 500 V betragen, insbesondere kann die eingangsseitige Nennspannung auch 250 V bis 800 V oder bis zu 1000 V betragen.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Piezotransformators 1. Dabei unterscheidet sich der in 3 dargestellte Piezotransformator 1 von dem in 2 dargestellten Piezotransformator 1 dahingehend, als dass die drei Phasen 10, 11 und 12 des ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandlers 3 nicht, wie in 2 parallel, sondern in Serie angeordnet sind. Ein solcher Piezotransformator 1 kann an bestimmte Materialkombinationen bzw. erwünschte Eingangs- bzw. Ausgangsnennspannungen angepasst werden. Dadurch wird ein flexibler Einsatz des gezeigten Piezotransformators 1 möglich.
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4 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Inverters 17. Dabei weist der erfindungsgemäße Inverter 17 in 4 einen erfindungsgemäßen Piezotransformator 1 auf, wie er in 2 dargestellt ist. Der Piezotransformator 1 in 4 weist an jeder Phase 5, 6 und 7 des ausgangsseitigen piezoelektrischen Wandlers 3 zwei Kontakte 20–25 auf, an welchen die erzeugte Wechselspannung abgegriffen wird.
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Von den Kontakten 20–25 der Phasen 5, 6 und 7 wird die Wechselspannung je einem von drei Gleichrichtern 30, 31 und 32 zugeführt. Jeder der Gleichrichter 30, 31 und 32 versorgt die Ansteuerelektronik 35, 36 und 37 zum Ansteuern der Treiberbausteine einer der Phasen eines Elektromotors.
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Der eingangsseitige piezokeramische Wandler 2 des Piezotransformators 1 in dem Inverter 17 aus 4 ist mit einem Wechselrichter 34 gekoppelt, welcher die Spannung einer Hochvoltbatterie 33 in eine Wechselspannung wandelt.
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Der Inverter 17 aus 4 wandelt eine Eingangsspannung von 400 V, wie sie die Hochvoltbatterie 33 eines Elektrofahrzeugs zur Verfügung stellt, in eine 12 V Ausgangsspannung, welche der Motorelektronik zugeführt wird.
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Der Inverter 17 aus 4 ermöglicht es damit, die Elekronik, welche die Treiberbausteine der Motorphasen beinhaltet, unabhängig von einem im Fahrzeug vorhandenen 12 V Bordnetz zu versorgen und die Versorgungsspannung für diese Elektronik aus der Hochvoltbatterie 33 des Fahrzeugs zu gewinnen. Dadurch wird es möglich, den Elektromotor des Elektrofahrzeugs unabhängig und autark von dem bereits vorhandenen 12 V Bordnetz und der vorhandenen 12 V Batterie des Fahrzeugs zu betreiben. Ein Fehler in dem vorhandenen 12 V Bordnetz oder der 12 V Batterie des Fahrzeugs führt somit nicht zu einem Ausfall der Elektromaschine. Das Elektrofahrzeug könnte in einem solchen Fall trotzdem weiterbewegt werden.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung im Bezug auf einen Inverter für Elektrofahrzeuge beschrieben wurde, ist diese nicht auf den Einsatz in Elektrofahrzeugen beschränkt. Vielmehr kann ein erfindungsgemäßer Piezotransformator in jeder Anwendung zum Einsatz kommen, welche eine Transformation von Wechselspannung von einem Spannungsniveau auf ein anderes Spannungsniveau erfordert.
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Aufgrund seiner geringen Baugröße und des geringen Gewichts eignet sich ein erfindungsgemäßer Piezotransformator insbesondere auch für den Einsatz in Luft- und Raumfahrt sowie in Anwendungen, welche ein besonders niedriges Gewicht oder Volumen der eingesetzten Bauteile erfordert.
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Soll eine höhere Leistung bereitgestellt werden, als dies mittels eines einzelnen Piezotransformators 1 möglich ist, so können mehrere erfidnungsgemäße Piezotransformatoren 1 parallel betrieben werden.
