DE102011075707A1

DE102011075707A1 - Transformator mit geblechter Wicklung

Info

Publication number: DE102011075707A1
Application number: DE201110075707
Authority: DE
Inventors: Matthias Knogl; Manfred Kronawitter; Norbert Ginglseder
Original assignee: Sumida Components and Modules GmbH
Current assignee: Sumida Components and Modules GmbH
Priority date: 2011-05-12
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2012-11-15
Also published as: EP2523198B1; EP2523198A1

Abstract

In einem Planartransformator mit einer geblechten Wicklung wird ein verbessertes Verhalten erreicht, indem Spulenkörper mit aufsetzbaren Isolationskappen vorgesehen werden. Im Zusammenwirken mit dem Spulenkörper sind somit die Kriech- und Luftstrecken sowie die Leitungsführung und Leitungslängen und auch die Isolationsabstände durch konstruktive Maßnahmen, d. h. durch die Geometrie des Spulenkörpers und der Isolationskappen, festgelegt.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Transformatoren, in denen relativ große Ströme auf der Eingangsseite oder der Ausgangsseite auftreten, so dass eine der beiden Wicklungen einen großen Leiterquerschnitt in Form geblechter Windungsabschnitte aufweist.
Der rasante Fortschritt in der Elektronik führt dazu, dass in vielen Bereichen Leistungselektronikbaugruppen eingesetzt werden, wobei in der Regel elektrische Energie auf verschiedenen Spannungspotentialen zu handhaben ist. Beispielsweise werden in der Kfz-Industrie zunehmend elektrische Verbraucher eingesetzt, etwa zur Versorgung der komplexen elektronischen Komponenten im Fahrzeug, zur Bereitstellung zusätzlicher Antriebsenergie, zur Speicherung von Bremsenergie und dergleichen, wobei in diesen Anwendungsfällen relativ große Leistungen im Bereich von einigen 100 Watt bis zu einigen Kilowatt oder höher mit zum teil sehr unterschiedlichen Betriebsspannungen zu verarbeiten sind. Auch in anderen Bereichen ist häufig eine Umsetzung von Spannungen und Strömen erforderlich, wobei auch bei Bedarf eine galvanische Entkopplung erforderlich ist. Dazu gehören beispielsweise Anwendungen in Wechselrichtern in Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen, Blockheizkraftwerken und dergleichen. Zu diesem Zweck werden häufig sogenannte Hochfrequenztransformatoren eingesetzt, die einen geeigneten magnetischen Kern und entsprechende Wicklungen aufweisen, so dass ein Betrieb bei Frequenzen von einigen 100 Hz bis zu einigen 100 Kilohertz und höher ermöglicht wird. Durch die Verwendung relativ hoher Taktfrequenzen in derartigen elektronischen Baugruppen kann das gesamte Bauvolumen der Transformatoren relativ klein gehalten werden, was insbesondere wichtig ist, um viele neue Anwendungszwecke zu erschließen und um auch die gesamten Herstellungskosten entsprechender elektronischer Bauteilgruppen gering zu halten.
Transformatoren, die hohe Eingangsspannungen oder Ausgangsspannungen bei hohen Ausgangsströmen bzw. Eingangsströmen liefern können, werden häufig in Form von Planartransformatoren aufgebaut, die eine Wicklung aufweisen, die in Form von Leiterblechen, etwa Kupferblechen, vorgesehen wird, so dass eine große Kupferoberfläche und ein großer Querschnitt zu geringen Gleichstromverlusten und auch Wechselstromverlusten führen. Durch die Verwendung derartiger Transformatoren mit einer geblechten Wicklung können zum einen relativ große Spannungsunterschiede erzeugt werden, wobei gleichzeitig auch ein sehr geringes Bauvolumen erreicht werden kann, so dass bei Betriebsfrequenz von ungefähr 100 Kilohertz Leistungen von 1 bis mehreren Kilowatt bei einem Bauteilvolumen von etwa 100 Kubikzentimetern verarbeitet werden können. Bei einer weiteren Verringerung der Bauteilgröße bzw. bei einer Erhöhung der zu verarbeiteten Leistung müssen insbesondere bei einem relativ großen Potentialunterschied zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung dabei genau definierte Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden, um die zuverlässige galvanische Entkopplung unter anspruchsvollen Bedingungen, wie sie etwa im Fahrzeugbereich, in Wechselrichtern von Photovoltaikanlagen, und dergleichen auftreten können, sicherzustellen. Insbesondere wird durch das Einrichten einer gewünschten hohen Isolationsfestigkeit jedoch unter Umständen das entsprechende Bauvolumen vergrößert und/oder ein entsprechender Aufwand bei der Herstellung der Transformatoren wächst deutlich an, etwa durch das Verwenden sehr teurer Materialien und dergleichen.
Unter Berücksichtigung dieser Sachlage ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen anzugeben, mit denen ein effizienter Aufbau eines Transformators insbesondere im Hinblick auf eine Leistungsverbesserung, etwa die Einhaltung von Isolationsstrecken mit hoher Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit, reduzierte Verluste, etc., ermöglicht wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen Transformator, der einen magnetischen Kern mit einem Mittelschenkel und Seitenschenkeln aufweist. Der Transformator umfasst ferner einen Spulenkörper mit einer zentralen Öffnung zum Umschließen des Mittelschenkels, wobei der Spulenkörper mehrere Auflageflächen zur Aufnahme einer ersten Wicklung mit geblechten Windungen und mehrere Wickelkammern zur Aufnahme einer zweiten Wicklung aufweist. Des weiteren ist in dem Transformator eine erste Isolationskappe vorgesehen, die an einer ersten nicht von den Seitenschenkeln abgedeckten Spulenkörperseite angebracht ist. Ferner ist eine zweite Isolationskappe vorgesehen, die an einer zweiten nicht von den Seitenschenkeln abgedeckten Spulenkörperseite angebracht ist. Der Transformator umfasst ferner eine erste Anschlussanordnung, die an der ersten Spulenkörperseite angeordnet und elektrisch mit der ersten Wicklung verbunden ist. Des weiteren ist eine zweite Anschlussanordnung vorgesehen, die an der zweiten Spulenkörperseite angeordnet und elektrisch mit der zweiten Wicklung verbunden ist.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Aufbau des Transformators sind Isolationskappen vorgesehen, die jeweils an den Anschlüssen der ersten und der zweiten Wicklung angebracht sind, so dass sich durch die Isolationskappen definierte Isolationsabstände im Bereich der Anschlussanordnungen erreichen lassen. D. h., die Isolationskappen repräsentieren Bauteilkomponenten, die etwa durch Spritzgussverfahren und dergleichen hergestellt sind, so dass deren Abmessungen und Formen mit einem hohen Grad an Reproduzierbarkeit vorgegeben sind. Damit sind im Zusammenwirken mit dem Spulenkörper genau definierte Abstände, etwa zwischen Kern und Anschlussleitungen für die erste und die zweite Wicklung vorgegeben. Daher können auch bei einem sehr kompakten Aufbau konstruktiv vorgegebene Abstände, Kriechstrecken, Luftstrecken und dergleichen vorgesehen werden, wobei etwa durch Auswahl des Materials der Isolationskappen, deren geometrische Gestaltung, und dergleichen ein hoher Grad an Flexibilität bei der Einstellung der gewünschten Eigenschaften mit hoher Reproduzierbarkeit gegeben ist, wobei auch entsprechende Toleranzen bei der Montage des Transformators gering bleiben.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die erste und die zweite Isolationskappe Aussparungen auf, die mit einem Vergussmaterial gefüllt sind. Durch das Vorsehen der Aussparungen kann damit ein entsprechendes Vergussmaterial, wie es typischerweise zum Vergießen der Transformatorkomponenten in einem Gehäuse eingesetzt wird, eine hohe mechanische Festigkeit erreicht werden, da durch die Aussparungen eine verbesserte Verbindung zwischen der Kappe und dem Vergussmaterial entsteht. Des weiteren wird durch die Aussparungen nicht nur die mechanische Kopplung der Isolationskappen und damit des gesamten Spulenkörpers an das Vergussmaterial und damit an das Gehäuse und den Kern des Transformators verbessert, sondern es wird auch eine verbesserte thermische Ankopplung des Transformatorinneren an das Vergussmaterial und schließlich an das Gehäuse ermöglicht. Dabei können vorzugsweise Vergussmaterialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingesetzt werden, so dass eine sehr effiziente Wärmeleitung vom Spulenkörper und somit den Wicklungen zum Gehäuse entsteht. Andererseits bieten die Isolationskappen in den Bereichen um die Aussparungen herum die gewünschte erhöhte Isolationsfestigkeit und bietet auch die mechanische Plattform zum Anbringen von entsprechenden Leitungen und dergleichen, so dass eine konstruktive Einstellung der zuvor genannten Kriech- und Luftstrecken sowie der Isolationsabstände erfolgt, wodurch der Einfluss von Montageungenauigkeiten verringert wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt die erste Isolationskappe eine Aufnahme zur Führung von Anschlussleitungen der zweiten Anschlussanordnung. Da die zweite Wicklung in der Regel eine höhere Spannung aufnimmt als die geblechte Wicklung, die typischerweise eine kleinere Anzahl an Windungen aufweist, ergibt sich durch die Ausbildung der Führung in der ersten Isolationskappe ein genau eingestellter Abstand und Verlauf der entsprechenden Anschlussdrähte für die höhere Betriebsspannung der zweiten Wicklung. Somit werden während der weiteren Montage des Transformators, etwa beim Einbringen in ein Gehäuse und beim Vergießen des Transformators mit dem Gehäuse mögliche Lageänderungen der Anschlussdrähte minimiert. Daher werden bereits bei der Konstruktion des Transformators gewünschte kleinere Abmessungen vorgesehen, wobei dennoch eine ausreichend hohe Isolationsfestigkeit sichergestellt ist. Des weiteren ergibt sich die Möglichkeit, die einzelnen Wicklungsabschnitte in den jeweiligen Wickelkammern mittels der Führung in der Isolationskappe in geeigneter Weise miteinander zu verbinden, so dass die gesamte Verschaltung der Wicklung mit hoher mechanischer Präzision erreicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Spulenkörper mehrere Spulenkörpersegmente auf, die zusammengesteckt sind, wobei jedes Spulenkörpersegment mindestens eine Wickelkammer und eine Auflagefläche aufweist. Durch diesen modularen Aufbau des Spulenkörpers können somit einzelne Windungen der geblechten Wicklung aufgebracht werden, so dass sich etwa ein umlaufender Windungsabschnitt ergibt, wobei durch die Segmente dennoch eine hohe mechanische Präzision bei der Positionierung der geblechten Windungsabschnitte gewährleistet ist. Ferner ermöglicht der modulare Aufbau das Vorsehen einer gewünschten Anzahl an Wickelkammern für die weitere Drahtwicklung, wobei durch die Segmente gleichzeitig eine Verschachtelung der ersten und der zweiten Wicklung erfolgt, so dass insgesamt eine hohe Effizienz auf Grund der intensiven Kopplung der ersten und der zweiten Wicklung ermöglicht wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Wickelkammer eines ersten Spulenkörpersegments eine Umfangslänge am Wickelkammerboden auf, die verschieden ist von einer zweiten Umfangslänge der Wickelkammer eines zweiten Spulenkörpersegments. Durch das Einrichten einer unterschiedlichen Umfangslänge der entsprechenden Wickelkammern in den jeweiligen Spulenkörpersegmenten ergibt sich damit auch eine unterschiedliche Leitungslänge bzw. Drahtlänge einer entsprechenden Wicklungslage der jeweiligen Wicklungsabschnitte, so dass damit ein Abgleich der Gesamtleitungslänge der Wicklungsabschnitte möglich ist. Beispielsweise können in Anwendungen, in denen Wicklungsabschnitte mit gleichen Windungszahlen vorzusehen sind, die parallel zu schalten sind, die unterschiedliche Länge der Zuleitungen durch geeignete Anpassung der Umfangslängen in den einzelnen Wickelkammer ausgeglichen werden. D. h. in vorteilhaften Ausführungsformen hat die Umfangslänge derjenigen Wickelkammer den größten Wert, die den kleinsten Abstand zu der Anschlußanordnung besitzt, während andere Wickelkammern mit einem größeren Abstand eine entsprechend geringere Umfangslänge besitzen, so dass die geringere Leitungslänge für jeweiligen Windungen in diesen Wicklungsabschnitten zumindest zu einem hohen Grade den längeren Leitungsweg zu der Anschlußanordnung kompensiert. Auf diese Weise können die Leitungslängen der jeweiligen Wicklungsabschnitte in den Wickelkammer einander angepaßt werden, so dass insgesamt die Wechselstromverluste aufgrund einer Reduzierung möglicher Ausgleichsströme geringer sind. Dabei wird in anschaulichen Ausführungsformen eine ”näherungsweise” gleich lange Leitungsführung für die einzelnen Wicklungsabschnitte erreicht, wobei diese so zu verstehen ist, dass eine Abweichung der Leitungslänge der jeweiligen Wicklungsabschnitte und den dazugehörigen Zuleitungen zu der Anschlußanordnung 10% oder kleiner ist im Vergleich zu der Wickelkammer, die die maximale Leitungslänge besitzt. Dabei ist auch die Möglichkeit enthalten, dass die Leitungslängen im Rahmen der Meßgenauigkeit gleich sind.
Die unterschiedliche Ausgestaltung der Umfangslängen der einzelnen Wickelkammern kann dabei bereits bei der Herstellung der einzelnen Spulenkörpersegmente erfolgen oder kann auch durch nachträgliches Justieren, etwa durch Einbringen von Materialabschnitten, etc., bei der Montage des Transformator verwirklicht werden.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen sind die Isolationskappen auf dem Spulenkörper aufgesteckt, d. h. bei der Montage sind die Isolationskappen als separate Einzelteile vorhanden, so dass eine effiziente Aufbringung der ersten und der zweiten Wicklung auf den eigentlichen Spulenkörper möglich ist, und nachfolgend durch das Anbringen der Isolationskappen die gewünschten Eigenschaften im Hinblick auf Isolationsfestigkeit und dergleichen mit hoher mechanischer Präzision eingestellt werden. Insbesondere bei Vorsehen des Spulenkörpers in Form von einzelnen Modulen, d. h. in Form einzelner Spulenkörpersegmente, können somit geeignet angepasste Isolationskappen in separaten Herstellungsvorgängen erzeugt werden, so dass sich unterschiedliche „Längen” des Spulenkörpers auf Grund des modularen Aufbaus verwenden lassen, wobei dann zu der gewünschten Länge auch eine geeignete Isolationskappe bereitgestellt werden kann, ohne dass ansonsten Änderungen im Montagevorgang erforderlich sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weisen eine oder mehrere der Auflageflächen eine Aussparung auf. Durch die Aussparungen in den Auflageflächen wird somit ein Teil der geblechten Windung auf der jeweiligen Auflagefläche freigelegt, so dass damit eine verbesserte mechanische und thermische Ankopplung der Wicklung an ein entsprechendes Vergussmaterial erfolgt. Auf diese Weise kann sowohl die mechanische Stabilität als auch das thermische Verhalten verbessert werden, da beispielsweise bei Verwendung eines gut thermisch leitenden Vergussmaterials eine effiziente Anbindung der geblechten Wicklung an das Vergussmaterial und damit an das Gehäuse sowie die weiteren Komponenten, etwa den Kern des Transformators, erfolgt.
In vorteilhaften Ausführungsformen sind die erste Wicklung und die zweite Wicklung miteinander verschachtelt, d. h. entlang einer Längsrichtung des Spulenkörpers sind Wicklungsabschnitte der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung abwechselnd vorgesehen, so dass eine intensive Kopplung der beiden Wicklungen entsteht.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Transformator bereitgestellt mit einem magnetischen Kern mit einem Mittelschenkel und mit Seitenschenkeln. Der Transformator umfasst ferner einen Spulenkörper mit einer zentralen Öffnungen zum Umschließen des Mittelschenkels, wobei der Spulenkörper mehrere Spulenkörpersegmente aufweist, und jedes Spulenkörpersegment eine oder mehrere Auflageflächen zur Aufnahme einer oder mehrerer geblechter Windungen einer ersten Wicklung und eine Wickelkammer mit einem Wickelkammerboden zur Aufnahme eines Wicklungsabschnitts einer zweiten Wicklung aufweist. Ferner ist eine erste Umfangslänge am Wickelkammerboden einer ersten Wickelkammer unterschiedlich zu einer zweiten Umfangslänge am Wickelkammerboden einer zweiten Wickelkammer. Der Transformator umfasst ferner eine erste Anschlußanordnung, die an der ersten Spulenkörperseite angeordnet und elektrisch mit der ersten Wicklung verbunden ist, und umfasst eine zweite Anschlußanordnung, die an der zweiten Spulenkörperseite angeordnet und elektrisch mit der zweiten Wicklung verbunden ist.
Der erfindungsgemäße Transformator gemäß diesem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine Verringerung der Wechselstromverluste durch geeignete Anpassung der Umfangslängen der Wickelkammern, die in den Spulenkörpersegmenten vorgesehen sind, die auch zur Aufnahme der geblechten Wicklungsabschnitte durch Bereitstellen der Auflageflächen dienen. D. h. durch die Anpassung der Umfangslängen können entsprechende Ausgleichsströme, die bei einer Parallelschaltung der einzelnen Wicklungsabschnitte der die höhere Spannung führenden Wicklung auftreten können, reduziert werden, da beispielsweise eine gewisse Kompensation der verschiedenen Leitungslängen, die in konventionellen Transformatoren, insbesondere durch den unterschiedlichen Abstand der einzelnen Wicklungsabschnitte von der Anschlußanordnung entstehen, erreicht wird. Durch die Kompensation der Längenunterschiede kann somit für ansonsten gleiche Wicklungsabschnitte, d. h. für Wicklungsabschnitte mit einer gleichen Anzahl an einzelnen Windungen, eine deutliche Verbesserung des Wechselstromverhaltens erreicht werden, wobei dennoch ein hoher Grad an Flexibilität gegeben ist, um die geblechte Wicklung mit den einzelnen Wicklungsabschnitten der „Hochspannungswicklung” in gewünschter Weise zu verschachteln, ohne dass damit nennenswerte störende Ausgleichsströme zwischen den einzelnen entlang der Längsrichtung des Mittelschenkels angeordneten Wicklungsabschnitten auftreten.
Vorteilhafterweise kann diese Gestaltung des erfindungsgemäßen Transformators auch mit weiteren Maßnahmen kombiniert werden, wie dies zuvor beschrieben ist, beispielsweise durch das Vorsehen von Isolationskappen für die Anschlußanordnungen, so dass im Zusammenwirken mit einem verbesserten Wechselstromverhalten auch gleichzeitig eine weitere Verhaltensverbesserung durch die genau Einstellung der Luft- und Kriechstrecken erreicht wird, wie dies auch bereits zuvor erläutert ist.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Auflegen eines Wicklungsabschnitts einer geblechten Wicklung des Transformators auf jeweils eine Auflagefläche eines Spulenkörpersegments. Ferner werden mehrere Spulenkörpersegmente zu einem Spulenkörper zusammengesetzt, der die geblechte Wicklung trägt. Es wird ein Wicklungsabschnitt auf eine Wickelkammer aufgebracht, die in jedem Spulenkörpersegment vorgesehen ist, um eine zweite Wicklung herzustellen. Das Verfahren umfasst ferner das Verbinden der einzelnen Wicklungsabschnitte der geblechten Wicklung und das Aufstecken einer ersten Isolationskappe und einer zweiten Isolationskappe auf den Spulenkörper. Schließlich wird ein Kern an dem Spulenkörper angebracht.
In diesem erfindungsgemäßen Montageverfahren wird ein segmentierter Spulenkörper bereitgestellt, so dass entsprechende Windungsabschnitte in der geblechten Wicklung bereits auf die jeweiligen Spulenkörpersegmente aufgebracht werden können, bevor die eigentliche Montage des Spulenkörpers erfolgt. Auf diese Weise können effizient umlaufende Windungen auf die Auflagenflächen aufgebracht werden, wobei die mechanische Positionierung und Fixierung auf Grund der Auflagefläche möglich ist. Des weiteren können bei Bedarf die Wicklungsabschnitte der zweiten Wicklung in die Wickelkammer vor dem Auflegen der geblechten Windungen eingebracht werden, während in anderen Ausführungsformen das Aufbringen der Wicklungsabschnitte der zweiten Wicklung nach dem Auflegen oder auch nach dem Zusammensetzen der einzelnen Spulenkörpersegmente erfolgt. Auf diese Weise kann eine sehr effiziente Verschachtelung der geblechten Wicklung mit der zweiten Wicklung erfolgen, wobei die entsprechende Aufteilung der Wicklungsabschnitte durch Auswahl der Anzahl der einzelnen Spulenkörpersegmente erfolgen kann. Damit besteht ein hoher Grad an Flexibilität bei der Gestaltung des Transformators, insbesondere für den gewünschten Grad an Verschachtelung der beiden Wicklungen, wobei dennoch der gesamte geometrische Aufbau des Spulenkörpers und der Wicklungen durch konstruktive Maßnahmen, d. h. durch die Gestalt der Spulenkörpersegmente so festgelegt ist, dass ein geringes Bauvolumen verwirklicht werden kann. Dabei sind die jeweiligen Luft- und Kriechstrecken durch die Form der Spulenkörpersegmente weitestgehend vorgegeben, wobei insbesondere im Zusammenwirken mit den nach dem Aufbringen der Wicklungen aufgesetzten Isolationskappen insgesamt reproduzierbar die Isolationseigenschaften des Transformators vorgegeben sind.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators bereitgestellt, wobei ein Blechpaket einer ersten Wicklung in einen Spulenkörper eingeführt wird, der mehrere gestapelte Auflageflächen zur Aufnahme jeweils eines Windungsabschnitts aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Aufbringen von Wicklungsabschnitten einer zweiten Wicklung auf den Spulenkörper, wobei mehrere Wickelkammern zur Aufnahme der zweiten Wicklung vorgesehen sind. Ferner wird das erste Blechpaket elektrisch angeschlossen, um damit die erste Wicklung herzustellen. Ferner wird eine erste Isolationskappe und eine zweite Isolationskappe auf den Spulenkörper aufgesteckt und es wird ein Kern an dem Spulenkörper angebracht.
In diesem Verfahren wird ein Blechpaket der ersten Wicklung effizient in den Spulenkörper eingeschoben, so dass die erste Wicklung nach dem entsprechenden elektrischen Anschließen der jeweiligen Windungsabschnitte bei geringem Montageaufwand hergestellt werden kann, wobei auf Grund der Ausbildung des Spulenkörpers und der nachfolgend angebrachten Isolationskappen ebenfalls, wie dies auch bereits zuvor erläutert ist, die Eigenschaften, insbesondere die Isolationseigenschaften, des Transformators durch konstruktive Maßnahmen, d. h. durch die geometrische Gestaltung des Spulenkörpers und die geometrische Gestaltung der Isolationskappen, festgelegt sind. Somit wird insgesamt ein sehr einfacher Montagevorgang ermöglicht, wobei dennoch ein hohes Maß an mechanischer Präzision gewährleistet ist.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren wird ferner eine Anschlussleitung für die zweite Wicklung mittels einer in der zweiten Isolationskappe vorgesehenen Führung angebracht, um dadurch einen genau definierten Isolationsabstand zum Kern einzuhalten. In weiteren Ausführungsformen werden die Isolationskappen nach dem Verbinden der ersten Wicklung aufgebracht, so dass diese auch eine geeignete Gestalt besitzen können, um entsprechende Anschlussleitungen zu decken. Auf diese Weise können ebenfalls genaue reproduzierbare Isolationsabstände verwirklicht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Spulenkörpers mit mehreren Spulenkörpersegmenten, wovon jedes eine oder mehrere Auflageflächen zur Aufnahme einer oder mehrerer geblechter Windungen einer ersten Wicklung und eine Wickelkammer mit einem Wickelkammerboden zur Aufnahme eines Wicklungsabschnitts einer zweiten Wicklung aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Einstellen einer Umfangslänge am Wickelkammerboden in jeder Wickelkammer in Abhängigkeit von der Position einer Wickelkammer im Spulenkörper. Des weiteren umfasst das Verfahren das Aufbringen einer gleichen Anzahl an Windungen in jeder Wickelkammer zum Herstellen eines jeweiligen Wicklungsabschnitts und das separate Verbinden jedes Wicklungsabschnitts mit einer Anschlußanordnung.
Dieses erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine effiziente Anpassung der Gesamtleitungslänge von Wicklungsabschnitten, die über den Spulenkörper hinweg verteilt sind und daher unterschiedliche Abstände zu der jeweiligen Anschlußanordnung besitzen, in der die einzelnen Wicklungsabschnitte parallel miteinander verschaltet werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben und gehen auch aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung hervor, in der auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
1a eine schematische perspektivische Ansicht eines Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
1b eine Aufrissansicht des Transformators gemäß einer Ausführungsform zeigt, wobei ein Spulenkörper zur Aufnahme eines Blechpakets ausgebildet ist und Isolationskappen an gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sind,
2a schematisch eine perspektivische Aufrissansicht des Transformators zeigt, wobei mehrere Spulenkörpersegmente in Verbindung mit den Isolationskappen vorgesehen sind, um einen modularen Aufbau des Spulenkörpers zu ermöglichen,
2b schematisch eine Ansicht eines Spulenkörpersegments mit einer Auflagefläche und einem Wickelraum zeigt,
2c schematisch eine Ansicht eines geblechten Wicklungsabschnitts mit zwei Windungen in kreisförmiger Gestalt mit dazwischen liegender Isolationsfolie,
2d und 2e zeigen ein Spulenkörpersegment mit geblechtem Wicklungsabschnitt mit zwei Windungen, die durch das Spulenkörpersegment selbst isoliert sind,
3a zeigt eine perspektivische Schemaansicht eines Transformators, in welchem die Wicklungsabschnitte durch Anpassung des Umfangs der Wickelkammern im Wechselstromverhalten verbessert sind und
3b zeigt eine schematische Seitenansicht, in der die unterschiedlichen Umfangslängen der Wickelkammern zum Längenabgleich der einzelnen Wicklungsabschnitte in Verbindung mit den Anschlussleitungen zur Anschlussanordnungen für die Wicklung gezeigt sind.
1a zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung eines Transformators 100, der beispielsweise abhängig von der einzusetzenden Schaltungstopologie einer entsprechenden elektronischen Baugruppe ein Bauvolumen von etwa 100 Kubikzentimeter oder deutlich weniger besitzt, wobei Leistungen von einem Kilowatt bis mehrere Kilowatt umgesetzt werden können. Der Transformator 100 umfasst ein schematisch angeordnetes Gehäuse 101, das in Form eines Kunststoffmaterials, eines Metallgehäuses, und dergleichen vorgesehen sein kann, abhängig von den gewünschten Eigenschaften im Hinblick auf die Storstrahlungsunterdrückung, und dergleichen. Ferner ist in dem Gehäuse 101 ein Vergussmaterial 102 vorgesehen, das in Form eines beliebigen geeigneten isolierenden Materials bereitgestellt werden kann, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein Vergussmaterial mit verbesserter thermischer Leitfähigkeit verwendet wird, um eine bessere thermische Ankopplung weiterer Komponenten des Transformators 100 an das Gehäuse 101 zu ermöglichen. Beispielsweise ist ein geeignetes Vergussmaterial mit hoher thermischer Leitfähigkeit SE4445CV.
Der Transformator 100 umfasst ferner einen Spulenkörper 110 sowie einen magnetischen Kern 103, der einen Teil des Spulenkörpers 110 umschließt und auch durch eine Öffnung im Spulenkörper verläuft, wie dies nachfolgend in Verbindung mit 1b detaillierter dargestellt ist. Ferner sind Anschlussanordnungen 106 und 105 vorgesehen, die als Verbindung zu entsprechenden Wicklungen dienen, die in 1a nicht gezeigt sind. Des Weiteren ist eine erste Isolationskappe 107 am Spulenkörper 110 angebracht und deckt in der gezeigten Ausführungsform einen Teil der Anschlussanordnung 106 ab. In ähnlicher Weise ist eine Isolationskappe 108 gegenüberliegend zur Kappe 107 am Spulenkörper 110 angebracht, wobei die Kappe 108 eine geeignete Gestalt aufweist, um u. a. eine präzise Führung von Anschlussdrähten der Anschlussanordnung 105 zu ermöglichen, wie dies auch nachfolgend detaillierter erläutert ist. Die Isolationskappen 107 und 108 sind somit an entsprechend gegenüberliegenden Seiten des Spulenkörpers 110 angebracht, die nicht von dem Kern 103 abgedeckt sind.
1b zeigt schematisch eine perspektivische Aufrissansicht des Transformators 100, wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen das Gehäuse 101 und die Vergussmasse 102 aus 1a nicht dargestellt sind. Wie gezeigt, ist der Kern 103 aus zwei Kernhälften 103A und 103B aufgebaut, etwa in Form eines E-Kerns. D. h., entsprechende Seitenschenkel 103S des Kerns 103 umschließen einen zentralen Teil des Spulenkörpers 110, während ein Mittelschenkel 103M durch eine Öffnung 113 des Spulenkörpers durchgreift, wobei, abhängig von der einzusetzenden Schaltungstopologie, auch ein Luftspalt im Mittelschenkel 103M und/oder in den Seitenschenkeln 103S vorgesehen sein kann. Der Spulenkörper 110, der in der dargestellten Ausführungsform eine allgemein rechteckige Form besitzt in anderen Ausführungsformen jedoch eine geeignete andere Form, etwa oval, rund, etc. besitzen kann, weist ferner mehrere Auflageflächen 111 auf, so dass auf diesen Auflageflächen 111 entsprechende Windungsabschnitte 121 einer Wicklung 120 angeordnet werden können. Wie dargestellt, bilden die Auflageflächen 111 geeignete „Taschen”, um damit jeweils eine von mehreren gestapelten Windungen 121 der Wicklung oder des Blechpakets 120 aufzunehmen. Die Wicklung 120 weist eine geeignete Anzahl an Windungsabschnitten 121, die somit in Verbindung mit der Anschlussanordnung 106 eine selbsttragende Wicklung repräsentieren, und damit so aufgebaut ist, wie dies zur Spannungs- und Stromumsetzung erforderlich ist. Dabei besitzt die Anschlussanordnung 106 eine entsprechende geeignete Gestaltung im Hinblick auf Verschaltung der jeweiligen Windungsabschnitte 121 derart, dass die gewünschten elektrischen Eigenschaften der Wicklung 120 erreicht werden. Wenn beispielsweise nur eine einzelne Windung erforderlich ist, so können alle Windungsabschnitte 121 durch die Anschlussleitungen der Anordnung 106 entsprechend parallel kontaktiert werden. Wenn eine andere Verschaltung der Windungsabschnitte 121 erforderlich ist, so können ggf. weitere Anschlussleitungen in der Anordnung 106 hinzugefügt werden, etwa nach dem Einführen der Wicklung 120 in den Spulenkörper 110, oder es werden entsprechende Verbindungen über eine elektronische Platine oder andere Anschlussmittel außerhalb des Transformators hergestellt.
Ferner besitzen, wie eingangs angedeutet ist, die Windungsabschnitte 121 einen geeigneten Querschnitt, beispielsweise einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei auf Grund der größeren Materialstärke die einzelnen Windungsabschnitte 121 im Wesentlichen eigenstabil sind, was in der vorliegenden Anmeldung auch als ein geblechter Windungsabschnitt bezeichnet wird. Auf Grund dieser Gestaltungsform weisen die Windungsabschnitte 121 einen geringen thermischen Widerstand auf, wobei auch eine relativ große Oberfläche erzeugt wird, so dass auch der entsprechende Wechselstromwiderstand bei höheren Taktfrequenzen gering bleibt. Insbesondere wird eine Breite 121B der Windungsabschnitte 121 so festgelegt, dass beim Aufliegen auf den Auflageflächen 111 lateral ein gewünschter Abstand zu den Seitenschenkeln 103S des Kerns 103 besteht. Der Abstand kann zusätzlich geeignet gesteuert werden durch Auswählen einer „Tiefe” 111B der Auflageflächen 111. D. h., die Tiefe 111B wird so gewählt, dass diese mindestens der Breite 121B entspricht, wobei die Tiefe 111B größer gewählt werden kann, wenn ggf. ein größerer Abstand zu dem Material des Kerns 103 gewünscht ist.
Des weiteren wird der Blechquerschnitt 121B bzw. die Tiefe 111B der Auflageflächen so gewählt, dass auch eine gewünschte Tiefe von Wickelkammern 112 entsteht, die im Spulenkörper 110 abwechselnd zu den Auflageflächen 111 vorgesehen sind, um entsprechende Wicklungsabschnitte einer zweiten Wicklung 130 aufzunehmen, die in der Regel wesentlich mehr Windungen enthält, so dass im Transformator relativ hohe Spannungen in kleine Spannungen und umgekehrt umgesetzt werden können. Somit definiert die Breite 111B der Auflageflächen 111 im Wesentlichen bei einem vorgegebenen Drahtquerschnitt der Wicklung 130 die Anzahl der möglichen Lagen und damit der Anzahl der Windungen der Wicklungsabschnitte der Wicklung 130. Andererseits wird eine „Breite” 112B der Wickelkammern 112 so festgelegt, dass zum einen ein gewünschter Kupferfüllfaktor im Spulenkörper 110 erreicht wird, und zum anderen auch die Anzahl der Wicklungsabschnitte der Wicklung 130 vorgegeben wird. Auf diese Weise wird ein hoher Grad an Verschachtelung der Wicklungen 120 und 130 sicher gestellt. Des weiteren ist somit die galvanische Trennung der Wicklung 120 und 130 im Wesentlichen durch die geometrische Gestaltung des Spulenkörpers 110 gegeben, so dass entsprechende Luft- und Kriechstrecken durch konstruktiv festgelegte Eigenschaften des Spulenkörpers 110 vorgegeben sind. Ferner weist der Spulenkörper 110 geeignete ausgebildete Führungen 114 auf, um damit die Drähte der Wicklung 130 in geeigneter Weise von einer Wickelkammer 112 in eine weitere Wickelkammer oder als separater Anschlussdraht zu der Anschlussanordnung 105 gemäß einem gewünschten Verschaltungsschema zu führen, so dass auch in diesem Falle eine genau definierte räumliche Positionierung gewährleistet ist.
Ferner sind die Isolationskappen 107 und 108 gezeigt, die nach Einführen des Blechpakets der Wicklung 120 in den Spulenkörper 110 an den gegenüberliegenden Seiten des Spulenkörpers 110 angebracht werden. In der gezeigten Ausführungsform besitzt beispielsweise die Isolationskappe 107 eine entsprechende Aussparung 107A, die somit für eine verbesserte mechanische und thermische Ankopplung des Spulenkörperinneren und damit der Wicklungen 120 und 130 an ein Vergussmaterial, etwa das Material 102 in 1a, sorgt, während andererseits die Anschlussanordnung 106 und auch die Enden der Windungen 121 in geeigneter Weise abgedeckt bleiben, so dass nach erfolgter mechanischer Ankopplung der Kappe 107 genau definierte Isolationsstrecken und Abstände vorgegeben sind. In ähnlicher Weise weist die Isolationskappe 108 Aussparungen bzw. Schlitze 108A, die ebenfalls eine verbesserte thermische und mechanische Ankopplung an ein Vergussmaterial ermöglichen, während gleichzeitig relevante Bereiche der Anschlussanordnung 105 abgedeckt bleiben. Des weiteren sind Führungen 108A und 108B vorgesehen, die zur Aufnahme und zur Führung von Drähten der Anschlussanordnung 105 dienen, so dass nach Anbringen der Kappe 108 und der Montage der Anschlussanordnung 105 die genaue Positionierung der Anschlussdrähte sichergestellt ist, die auch während der weiteren Verarbeitungsschritte beibehalten wird. Wie gezeigt können auch Anschlussdrähte der Anschlussanordnung 105 geeignet isoliert werden, etwa mittels Schrumpfschläuchen und dergleichen, wobei die Isolation an genau definierten Bereichen der Anschlussdrähte erfolgen kann, da durch die Kappe 108 eine genaue Positionierung der Anschlussdrähte der Anordnung 105 garantiert ist.
Bei der Herstellung des Transformators 100 werden somit die einzelnen Komponenten, d. h. der Spulenkörper 110, die Isolationskappen 107 und 108 mittels geeigneter Verfahren, etwa Spritzgussverfahren, und dergleichen hergestellt, so dass Materialzusammensetzung und geometrische Gestalt dieser Komponenten mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit gegeben sind. Des weiteren wird auch die Wicklung bzw. das Blechpaket 120 separat in Verbindung mit der Anschlussanordnung 106 vorbereitet. Das Paket 120 wird mit der Seite der Anschlussanordnung 106 in den Spulenkörper 110 eingeschoben und ist somit in seiner Lage auf Grund der Auflageflächen 111 genau positioniert. Vor oder nach dem Einbringen der Wicklung 120 kann die Wicklung 130 aufgebracht werden, wobei beliebig geeignete Wickel- und Kontaktierungsverfahren angewendet werden können.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen weisen die Auflageflächen 111 entsprechende Aussparungen 111E auf, so dass nach dem Einführen des Blechpakets 120 Bereiche einzelner Windungen 121 freiliegen, während dennoch eine präzise mechanische Fixierung erfolgt ist. Diese freiliegenden Flächen der Windungen 121 bieten somit eine größere Fläche zur Anbindung an ein Vergussmaterial, so dass zum einen eine innige mechanische Verbindung zwischen Spulenkörper 110 und Wicklung 120 erfolgt, während andererseits auch eine gute thermische Anbindung an das Vergussmaterial erreicht wird, das insbesondere mit höherer Wärmeleitfähigkeit vorgesehen werden kann, so dass insgesamt ein sehr effizienter Wärmefluss von innen nach außen im Transformator 100 gegeben ist.
Die Isolationskappen 108 werden sodann aufgesteckt und schließlich wird der Kern 103 zusammengefügt und mechanisch fixiert, woraufhin die gesamte Anordnung in ein Gehäuse eingebracht und mit Vergussmaterial vergossen wird, wie dies auch in 1a gezeigt ist.
2a zeigt schematisch eine perspektivische Aufrissansicht eines Transformators 200, der im Endzustand eine ähnliche Konfiguration aufweisen kann, wie dies auch für den Transformator 100 in 1a gezeigt ist. D. h., im fertig montierten Zustand ist der Transformator 200 ggf. in einem Gehäuse untergebracht, das mit einem geeigneten Vergussmaterial ausgefüllt ist. im Hinblick auf die Baugröße und die elektrischen Eigenschaften des Transformators 200 gelten die gleichen Anmerkungen, wie sie auch zuvor dargelegt sind. Insbesondere kann der Transformator 200 für Leistungsanwendungen eingesetzt werden, in denen Leistungen im Bereich von mehreren 100 Watt bis zu mehreren Kilowatt und mehr bei geringem Bauvolumen gehandhabt werden müssen. Wie gezeigt, umfasst der Transformator 200 einen Kern 203, der etwa aus Kernhälften 203A, 203B aufgebaut ist. Des weiteren ist ein modularer Spulenkörper 210 vorgesehen, der mehrere Spulenkörpersegmente 210A, ..., 210D aufweist. Die Spulenkörpersegmente 210A, ..., 210D weisen jeweils eine Auflagefläche 211 auf, die so gestaltet ist, dass entsprechende Wicklungsabschnitte 221 einer Wicklung 220, die wiederum als geblechte Wicklung zu verstehen ist, zwischen zwei der Spulenkörpersegmente 210A, ..., 210D fixiert ist. Im Hinblick auf die Abmessungen der Auflageflächen 211 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den Auflageflächen des Spulenkörpers 210 des Transformators 100 beschrieben sind. Ferner besitzt jedes der Spulenkörpersegmente 210A, ..., 210D einen Wickelraum 212, der zur Aufnahme eines Wicklungsabschnitts einer zweiten Wicklung (nicht gezeigt) dient. Auch hier gelten die gleichen Kriterien wie sie zuvor für die Wickelkammern 112 des Transformators 110 beschrieben sind.
2b zeigt schematisch eine vergrößerte Darstellung des Spulenkörpersegments 210B, in dem die Auflagefläche 211 so dargestellt ist, dass diese eine wirksame Breite 211B zur Aufnahme eines Windungsabschnitts der geblechten Wicklung aufweist. Des weiteren ist die Wickelkammer 212 gezeigt, deren Höhe durch die Breite 211B gegeben und so festgelegt ist, dass eine gewünschte Anzahl an Wicklungslagen und damit an Windungen für den entsprechenden Wicklungsabschnitt der zweiten Wicklung (nicht gezeigt) entsteht, wobei dennoch eine insgesamt hoher Füllgrad des zusammengesetzten Spulenkörpers erreicht wird. Ferner sind Führungen 214 vorgesehen, die eine präzise Führung von Wickeldrähten von einer Wickelkammer zu einer anderen oder zu einer Anschlussanordnung ermöglichen, so dass entsprechende Isolationsabstände in präziser Weise vorgegeben sind.
Es sei wieder auf 2a verwiesen, in der ferner Anschlussanordnungen 205 für die Wicklungsabschnitte in den Wickelkammern 212 und eine Anschlussanordnung 206 zur Verschaltung der einzelnen Windungsabschnitte 221 vorgesehen sind. Des weiteren ist eine Isolationskappe 207 vorgesehen, die an der Seite der Anschlussanordnung 206 an den Spulenkörper anzubringen ist, während eine Isolationskappe 208 an der Seite der Anschlussanordnung 205 an dem modularen Spulenkörper anzubringen ist. Im Hinblick auf die geometrische Gestaltung der Kappen 207, 208 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor auch für die Isolationskappen des Transformators 100 beschrieben sind. Insbesondere weist die Kappe 208 Führungen 208B und 208C auf, um Anschlussdrähte der Anschlussanordnung 205 in geeigneter Weise zu führen und zu positionieren, wie dies auch zuvor erläutert ist.
Bei der Montage des Transformators 200 können somit die einzelnen Spulenkörpersegmente 210A, ..., 210D sowie die Isolationskappen 207 und 208 in geeigneter Weise separat hergestellt werden, wobei insbesondere die Größe der Kappen 207, 208 auf die gewünschte Anzahl an Spulenkörpersegmenten angepasst wird, die im Transformator 200 vorzusehen ist. Des weiteren werden die Windungsabschnitte 221 bereitgestellt und werden einzeln zunächst auf jeweils eines der Spulenkörpersegmente aufgebracht, die dann wiederum mechanisch zusammengesteckt werden, so dass die gewünschte Anzahl an Windungen für die geblechte Wicklung entsteht. Des weiteren wird durch das Zusammensetzen einer gewünschten Anzahl der Segmente der Spulenkörper 210 hergestellt, bei dem die Segmente bereits bewickelt sind oder dieser so bewickelt werden kann, dass in den Wickelkammern 212 die jeweiligen Wicklungsabschnitte der weiteren Wicklung, die der Einfachheit nicht gezeigt ist, aufgebracht sind. Auch die Anschlussanordnungen 205 und 206 können so dann montiert werden, so dass sich die gewünschte Verschaltung der einzelnen Wicklungen ergibt. Daraufhin werden die Isolationskappen 207, 208 aufgesetzt und ergeben somit die gewünschten Isolationsabstände, wie dies auch zuvor erläutert ist. Nach Einsetzen des Kernes 203 kann sodann die resultierende Anordnung in ein Gehäuse eingebracht und vergossen werden.
2c zeigt schematisch einen Teil des Transformators 200, d. h. einen der Abschnitte 221 der geblechten Wicklung 220 (siehe 2a), wobei der Abschnitt 221 in 2c zwei Windungen 221A, 221B aufweist. Um eine zuverlässige elektrische Isolation der beiden Windungen 221A, 221B zu erreichen, ist in der dargestellten Ausführungsform eine Isolationsfolie 225 vorgesehen, die somit einen direkten mechanischen Kontakt der beiden Windungen 221A, 221B verhindert. Ferner ist in der gezeigten Ausführungsform eine andere Geometrie für die Windungen 221 im Vergleich zu den zuvor dargestellten Ausführungsformen vorgesehen, etwa in Form einer kreisförmigen Geometrie, so dass auch eine entsprechende kreisförmige Gestaltung des Spulenkörpers sowie bei Bedarf auch der magnetischen Komponenten des Transformators 200 vorzusehen ist.
2d zeigt schematisch einen Teils des Transformators 200 gemäß einer weiteren Ausführungsform, in der ein Spulenkörpersegment 210A mit einer im Wesentlichen ovalen bzw. kreisförmigen Geometrie entsprechend dem gewünschten gesamten geometrischen Aufbau des Transformators 200 dargestellt ist. Ferner ist in der dargestellten Ausführungsform das Spulenkörpersegment 210A so gestaltet, dass es als Auflagefläche bzw. Anlagefläche für den geblechten Wicklungsabschnitt 221 und damit als effiziente Isolation für die einzelnen Windung 221A, 221B dient. D. h. die Isolierung der Windungen 221A, 221B erfolgt durch das Spulenkörpersegment 210A selbst und ist somit durch konstruktive Maßnahmen festgelegt, wobei das Material des Segments 210A als effizientes Isolationsmaterial dient. Wie gezeigt ist ferner eine Halterung 214 vorgesehen, in der entsprechende Anschlußdrähte von Wicklungsabschnitten geführt werden können, wobei jeweils ein einzelner Wicklungsabschnitt in der Wickelkammer 212 vorzusehen ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind Anschlußleitungen 235 eines in 2d nicht sichtbaren Wicklungsabschnittes dargestellt. Ferner ist in einigen Ausführungsformen eine Einkerbung bzw. ein Schlitz 214S in den Halterungen 214 vorgesehen, so dass beim Bewickeln des Spulenkörpersegments 210A die Wickeldrähte im Schlitz 214S mechanisch fixiert werden können, so dass sich eine sehr effiziente automatische Bewicklung erreichen lässt, ohne dass konventionelle Befestigungsverfahren mittels Klebebändern, etc. erforderlich sind. Nach erfolgter Bewicklung des Segments 210A kann sodann der Wicklungsabschnitt 221 aufgeschoben werden, so dass beispielsweise die Windung 221A auf der Auflagefläche 211 aufliegt und somit in geeigneter Weise positioniert ist.
2e zeigt schematisch das Spulenkörpersegment 210A mit dem aufgeschobenen Wicklungsabschnitt 221 und dem Anschlußdrähten 235 eines Wicklungsabschnitts 230A, der in der Wickelkammer 212 (nicht sichtbar) untergebracht ist.
Die Ausführungsformen des Transformators 200 in den 2d und 2e zeigen im Wesentlichen kreisförmige Geometrien, etwa für die Öffnung 213 des Spulenkörpersegments 210A, wobei auch der äußere Umriss des Spulenkörpersegments 210A im Wesentlichen eine Kreisform aufweist, mit Ausnahme der Halterungen 214. Es sollte jedoch beachtet werden, dass auch andere geometrische Gestaltungsformen, etwa eine ovale Gestalt für die Mittelöffnung 213 und/oder die äußere Form des Segments 210A oder auch Kombinationen von im wesentlichen rechteckförmigen Geometrien mit im wesentlichen runden Geometrien verwendet werden können.
3a zeigt eine perspektivische schematische Darstellung, teilweise im Aufriss, eines Transformators 300, in welchem eine weitere Verbesserung des elektrischen Verhaltens erreicht wird, etwa zusätzlich oder alternativ zu den bereits mit Bezug zu den Transformatoren 100 und 200 beschriebenen Maßnahmen, indem das Wechelstromverhalten verbessert wird. Der Transformator 300 weist, in ähnlicher Weise, wie dies bereits zuvor für die Bauelemente 100 und 200 beschrieben ist, einen magnetischen Kern auf, wobei in der dargestellten Aufrißansicht lediglich eine Kernhälfte 303B gezeigt ist. Ferner ist ein Spulenkörper 310 vorgesehen, der mehrere Spulenkörpersegmente 310A, ... 310G umfasst, die in der dargestellten Aufrißansicht entlang einer Längsrichtung eines Mittelschenkels 303M angeordnet sind. Die Spulenkörpersegmente weisen jeweils eine zentrale Öffnung 313A, ... 313G auf (313B bis 313G in den Fig. nicht dargestellt). Es sollte beachtet werden, dass in der Darstellung der 3a die Abstände der Segmente 310A, ... 310G noch nicht der endgültigen Positionierung dieser Segmente entsprechen. Im Hinblick auf eine geeignete geometrische Gestaltung der Segmente 310A, ... 310G sei auch auf die Ausführungen im Hinblick auf die Transformatoren 100 und 200 verwiesen. Insbesondere besitzen die Segmente 310A, ... 310G eine entsprechende Auflagefläche 311, möglicherweise in Verbindung mit einer gegenüberliegenden Anlagefläche zur Aufnahme eines geblechten Wicklungsabschnitts mit einer oder mehreren Windungen, wie dies auch zuvor bereits erläutert ist. Des weiteren ist in jedem Spulenkörpersegment 310A, ... 310G eine Wickelkammer 312 vorgesehen, die für das Segment 310A teilweise in einer Aufrißansicht gezeigt ist. Wie dies auch bereits zuvor erläutert ist, hängt die ”Tiefe” der Wickelkammer 312 von der Breite der Auflagefläche 311 ab, wobei die nutzbare Tiefe der Wickelkammer 312 auch durch einen Wickelkammerboden 315 festgelegt wird. D. h., wenn der Wickelkammerboden 315 in geeigneter Weise nach außen hin verlagert wird, ergibt sich eine größere Umfangslänge 315U, die somit wiederum die Leitungslänge festlegt, die für das Erzeugen einer einzelnen Windung in der Wickelkammer 312 erforderlich ist. In der dargestellten Ausführungsform ist beispielsweise die Umfangslänge 315U für das Segment 310A so festgelegt, dass diese größer ist als die entsprechende Umfangslänge für alle nachfolgenden Segmente 310b, ... 310G, um damit eine geeignete Anpassung der Leitungslängen für Wicklungsabschnitte zu erreichen, die in den jeweiligen Wickelkammern 312 der Segmente 310A, ... 310G herzustellen sind.
In dem vorliegenden Beispiel ist also bei einer fest vorgegebenen Windungszahl pro Wicklungsabschnitt in jeder der Kammern 312 ein größerer Umfang jeder einzelnen Windung eingerichtet, so dass insgesamt eine größere Drahtlänge für das Erzeugen der vorgegebenen Anzahl von Windungen notwendig ist. Diese notwendige Drahtlänge nimmt für die nachfolgenden Spulenkörpersegmente ab, bis schließlich in der dargestellten Ausführungsform in dem Spulenkörpersegment 310G die geringste Umfangslänge pro Windung verwirklicht ist. Andererseits wird etwa der Wicklungsabschnitt in dem Segment 310G über entsprechende Verbindungsleitungen über die Halterungen 314 nach oben zu einer nicht gezeigten Anschlußanordnung geführt, so dass der in dem Segment 310G zu erzeugende Wicklungsabschnitt die größte Leitungslänge für die Zuleitung zu der Anschlußanordnung besitzt. Andererseits hat ein Wicklungsabschnitt, der in dem Segment 310A zu erzeugen ist, die kürzeste Verbindungsleitung, so dass an an dem Anschlußpunkt, an dem alle Verbindungsleitungen zusammengeführt sind, eine gewisse Kompensation der unterschiedlichen Verbindungsleitungslängen dadurch erfolgen kann, dass die jeweiligen zugehörigen Leitungslängen für die Windungen der Wicklungsabschnitte in komplementärer Weise vorgesehen sind. D. h. für das Segment 310A ist die Verbindungsleitung am kürzesten, während die Leitungslänge für die einzelnen Windungen des zugehörigen Wicklungsabschnitts aufgrund der größten Umfangslänge 315U am größten ist, so dass sich insgesamt eine Leitungslänge ergibt, die vergleichbar ist mit dem Wicklungsabschnitt für das Segment 310G, das zwar die kleinste Leitungslänge für die eigentlichen Windungen besitzt, das jedoch die größte Länge der zugehörigen Verbindungsleitungen aufweist. Analoges gilt auch für die dazwischen liegenden Segmente, so dass eine effiziente Angleichung der Gesamtleitungslängen aller Wicklungsabschnitte gelingt.
Durch eine entsprechende Anpassung der Umfangslängen 315U in den jeweiligen Spulenkörpersegmente 310A, ... 310G kann somit eine effiziente Angleichung des Leitungswiderstands und somit der Wechselstromeigenschaften erreicht werden. Dazu wird eben die entsprechende Umfangslänge 315U in Abhängigkeit der aktuellen Position des zugehörigen Segments so eingestellt, dass sich die gewünschte Angleichung der Gesamtleitungslänge ergibt. Auf diese Weise können beispielsweise näherungsweise gleiche Leitungslängen für jeden Wicklungsabschnitt in den jeweiligen Segmenten 310A, ... 310G erhalten werden. „Näherungsweise gleich” ist so zu verstehen ist, dass eine Abweichung von einer maximalen Leitungslänge, die in einem der Segmente 310A, ... 310G verwickelt ist, 10% oder weniger beträgt für alle anderen Wicklungsabschnitte. Selbstverständlich können auch andere Werte für die diversen Leitungslängen eingestellt werden, so dass sich eine größere Abweichung als 10% ergibt, wenn dies für das Gesamtverhalten des Transformators 300 als geeignet erachtet wird.
Für die geeignete Wahl der jeweiligen Umfangslängen 315U kann somit zunächst die Position des zugehörigen Segments 310A, ... 310G bestimmt werden, etwa durch einfache Längenmessung, und es wird daraus eine geeignete ”Aufpolsterung” des jeweiligen Wickelkammerbodens 315 ermittelt für eine vorgegebene Anzahl an Windungen und einen vorgegebenen Drahtdurchmesser, so dass sich die gewünschte Angleichung der jeweiligen Leitungslängen ergibt. Die Einstellung der jeweiligen Umfangslängen 315U kann dabei bereits bei der Herstellung der Segmente 310A, ... 310G erfolgen, indem eben unterschiedliche Spritzgußformen und dergleichen verwendet werden, während in anderen Ausführungsformen eine entsprechende nachträgliche Anpassung ausgehend von Segmenten, die eine minimale Umfangslänge besitzen, bewerkstelligt wird. Dazu kann entsprechendes Material in geeigneter Weise nachträglich aufgebracht werden, um die gewünschte Vergrößerung der Umfangslänge in positionsabhängiger Weise zu erhalten, wie dies auch zuvor erläutert ist.
Nach erfolgter Anpassung der Umfangslängen 315U kann die Bewicklung durch automatisierte Verfahren stattfinden, wobei beispielsweise entsprechende Spalte 314S in Halterungen 314 genutzt werden können, um die Drahtenden beim automatisierten Wickelvorgang mechanische zu fixieren, wie dies bereits auch zuvor mit Bezug zu dem Transformator 200 beschrieben ist.
3b zeigt schematisch eine Seitenschnittansicht eines Teils des Transformators 300. Wie gezeigt sind die Spulenkörpersegmente, von denen die Segmente 310A, ... 310D dargestellt sind, in einer geeigneten räumlichen Beziehung zueinander angeordnet, sodass ein Wicklungsabschnitt 330A einer Wicklung 330 einen kleinsten Abstand zu einer Anschlußanordnung 305 aufweist. D. h. eine Leitungslänge von Verbindungsleitungen 335A des Wicklungsabschnitts 330A zu der Anschlußanordnung 305 ist für alle gezeigten Spulenkörpersegmente am kürzesten. Andererseits ist die Länge einer Verbindungsleitung 335D eines Wicklungsabschnitts 330D in dem Segment 310D am längsten. In ähnlicher Weise sind die Abstände von Leitungsabschnitte 330B, 330C in den Segmenten 310B bzw. 310C entsprechend größer als für das Segment 310A und kleiner als für das Segment 310D. Über geeignete Maßnahmen an der Segmentstruktur, z. B. die Form und Lage von Ausnehmungen 338A (bzw. 238A in der 2e) im Innenumfang der zentralen Öffnungen kann man eine Verwechslung der einzelnen Spulenkörpersegmente ausschließen.
Bei einer vorgegeben Anzahl von Windungen und einer vorgegebenen Drahtgeometrie können somit entsprechende Leitungsunterschiede kompensiert werden, indem entsprechend die Wickelkammerböden 315D, ... 315A zunehmend nach ”außen” verlegt werden, etwa „aufgepolstert” werden, so dass damit die entsprechenden Umfangslängen zunehmen, so dass sich für das Segment 310A die größte Umfangslänge und damit der größte Umfang für die jeweiligen Windungen des Abschnitts 330A ergeben. In ähnlicher Weise wird für das in 3b gezeigte Beispiel der kleinste Umfang pro Windung für die Wicklungsabschnitt 330D erhalten, so dass eine effektive Angleichung der Gesamtdrahtlänge für alle Wicklungsabschnitte 330A, ... 330D inklusive der zugehörigen Verbindungsleitungen 335A, ... 335D erreicht wird. Daraus ergibt sich ein verbessertes Wechselstromverhalten, so dass bei gleicher Baugröße eine geringere Verlustleistung auftritt und somit insgesamt eine höhere Leistung durch den Transformator übertragen werden kann.
Zu beachten ist, dass die Ausführungsformen des Transformators 300 auch in ähnlicher Weise aufgebaut werden können, wie dies im Zusammenhang mit den Transformatoren 100 und 200 beschrieben ist, so dass insbesondere auch für den Transformator 300 gut definierte Kriech- und Luftstrecken erhalten werden, und insbesondere auch geeignete Isolationskappen vorgesehen werden können, wie dies auch zuvor erläutert ist.
Die vorliegende Erfindung stellt somit Transformatoren und Herstellungsverfahren bereit, in denen Isolationsabstände und/oder Leitungslängen konstruktiv durch die Geometrie des Spulenkörpers und der Isolationskappen eingestellt werden. Gleichzeitig werden die Kappen mit entsprechende Aussparungen bzw. Schlitze vorgesehen, so dass eine geeignete mechanische und thermische Ankopplung an ein Gehäuse erreicht wird. Die Ausbildung von geeigneten Führungen im Spulenkörper in Verbindung mit einer Anpassung der Umfangslängen ermöglicht eine präzise Drahtführung und Einstellung der Drahtlänge der Wicklung, so dass beispielsweise der Wechselstromwiderstand in den einzelnen Wickelkammern annähernd gleich ist, was insgesamt die Wechselstromverluste des Trafos gering hält. Auch können die Spulenkörper bzw. die Auflageflächen für die geblechte Wicklung geeignet gestaltet sein, so dass sich eine gut thermische und mechanische Ankopplung an das Vergussmaterial ergibt. Des weiteren können Anschlussdrähte, etwa für die Drahtwicklung, an genau definierten Stellen isoliert werden, so dass der Materialaufwand gering bleibt. Insgesamt wird durch die verschachtelte Anordnung der geblechten Wicklung und der Drahtwicklung eine sehr hohe Effizienz erreicht, wobei in dem beschriebenen modularen System der Grad der Kopplung, d. h. die Anzahl der einzelnen Wicklungsabschnitte in sehr flexibler Weise vorgegeben werden kann.

Claims

Transformator mit einem magnetischen Kern (103, 203) mit einem Mittelschenkel (103M, 303) Mund Seitenschenkeln (103S), einem Spulenkörper (110, 210, 310) mit einer zentralen Öffnung (113, 213 313A) zum Umschließen des Mittelschenkels (103M, 303M), wobei der Spulenkörper (110, 210, 310) mehrere Auflageflächen (111, 211, 311) zur Aufnahme einer ersten Wicklung (120, 220) mit geblechten Windungen (121, 221) und mehrere Wickelkammern (112, 212, 312) zur Aufnahme einer zweiten Wicklung (130, 330) aufweist, einer ersten Isolationskappe (108, 208), die an einer ersten nicht von den Seitenschenkeln abgedeckten Spulenkörperseite des Spulenkörpers (110, 210, 310) angebracht ist, einer zweiten Isolationskappe (107, 207), die an einer zweiten nicht von den Seitenschenkeln abgedeckten Spulenkörperseite des Spulenkörpers (110, 210, 310) angebracht ist, einer ersten Anschlussanordnung (106, 206), die an der ersten Spulenkörperseite angeordnet und elektrisch mit der ersten Wicklung (120, 220) verbunden ist und einer zweiten Anschlussanordnung (105, 205, 305), die an der zweiten Spulenkörperseite angeordnet und elektrisch mit der zweiten Wicklung (130, 330) verbunden ist.
Transformator nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Isolationskappe (108, 107) Aussparungen (107A, 108A) aufweisen, die mit einem Vergussmaterial (102) gefüllt sind.
Transformator nach Anspruch 2, wobei das Vergussmaterial ein Material mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit ist zur thermischen Kopplung der Wicklungen mit dem Kern über die Aussparungen.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Isolationskappe eine Aufnahme (108B, 108C) zur Führung von Anschlussleitungen (335) der ersten Anschlussanordnung aufweist.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spulenkörper mehrere Spulenkörpersegmente (210A, ..., 210D, 310A, ..., 310G) aufweist, die zusammengesteckt sind, wobei jedes Spulenkörpersegment mindestens eine Wickelkammer (112, 212, 312) und eine Auflagefläche (111, 211, 311) aufweist.
Transformator nach Anspruch 5, wobei die Wickelkammer (312, 312A) eines ersten Spulenkörpersegments (310, 310A) eine erste Umfangslänge (315U) am Wickelkammerboden (315) aufweist, die verschieden ist von einer zweiten Umfangslänge (315U) der Wickelkammer (312, 312D) eines zweiten Spulenkörpersegments (310, 310D).
Transformator nach Anspruch 6, wobei die Umfangslängen der Wickelkammern von drei order mehr Spulenkörpersegmenten verschieden sind.
Transformator nach Anspruch 7, wobei die Umfangslängen der Wickelkammern aller Spulenkörpersegmente verschieden sind.
Transformator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Umfangslänge der Wickelkammer desjenigen Spulenkörpersegments (310A), das den kleinsten Abstand zur zweiten Anschlussanordnung (305) besitzt, am größten ist.
Transformator nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Umfangslänge der Wickelkammer desjenigen Spulenkörpersegments (310G), das den größten Abstand zur zweiten Anschlussanordnung (305) besitzt, am kleinsten ist.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Isolationskappe auf den Spulenkörper aufgesteckt sind.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere der Auflageflächen eine Aussparung aufweisen.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Wicklung ineinander verschachtelt sind.
Transformator mit einem magnetischen Kern (103, 203, 303B) mit einem Mittelschenkel und Seitenschenkeln, einem Spulenkörper (110, 210, 310) mit einer zentralen Öffnung (113, 313A) zum Umschließen des Mittelschenkels (103M, 303M), wobei der Spulenkörper mehrere Spulenkörpersegmente (210, 310) aufweist und jedes Spulenkörpersegment eine oder mehrere Auflageflächen (111, 211, 311) zur Aufnahme einer oder mehrerer geblechten Windungen (121, 221, 321A) einer ersten Wicklung (120, 220) und eine Wickelkammer (112, 212, 312) mit einem Wickelkammerboden (315) zur Aufnahme eines Wicklungsabschnitts (330A, ..., 330D) einer zweiten Wicklung (130) aufweist und wobei eine erste Umfangslänge (315U) am Wickelkammerboden (315) einer ersten Wickelkammer unterschiedlich ist zu einer zweiten Umfangslänge am Wickelkammerboden einer zweiten Wickelkammer, einer ersten Anschlussanordnung (106, 206), die an der ersten Spulenkörperseite angeordnet und elektrisch mit der ersten Wicklung verbunden (120, 220) ist und einer zweiten Anschlussanordnung (105, 205, 305), die an der zweiten Spulenkörperseite angeordnet und elektrisch mit der zweiten Wicklung (130) verbunden ist.
Transformator nach Anspruch 14, wobei die erste Wickelkammer einen geringeren Abstand zu der ersten Anschlussanordnung besitzt als die zweite Wickelkammer und die erste Umfangslänge größer ist als die zweite Umfangslänge.
Transformator nach Anspruch 14 oder 15, wobei die Anzahl der Windungen für jeden Wicklungsabschnitt der zweiten Wicklung gleich ist.
Transformator nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Umfangslängen aller Wickelkammern unterschiedlich sind.
Transformator nach einem der Ansprüche 14 bis 17, der ferner eine erste Isolationskappe, die an einer ersten nicht von den Seitenschenkeln abgedeckten Spulenkörperseite des Spulenkörpers angebracht ist, und eine zweite Isolationskappe, die an einer zweiten nicht von den Seitenschenkeln abgedeckten Spulenkörperseite des Spulenkörpers angebracht ist, aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Transformators, mit Auflegen eines Wicklungsabschnitts einer geblechten Wicklung des Transformators auf jeweils eine Auflagefläche eines Spulenkörpersegments, Zusammensetzen mehrerer Spulenkörpersegmente zu einem Spulenkörper, der die geblechte Wicklung aufweist, Aufbringen eines Wicklungsabschnitts auf eine Wickelkammer, die in jedem Spulenkörpersegment vorgesehen ist, um eine zweite Wicklung herzustellen, Verbinden der einzelnen Wicklungsabschnitte der geblechten Wicklung, Aufstecken einer ersten Isolationskappe und einer zweiten Isolationskappe auf den Spulenkörper und Anbringen eines Kerns an dem Spulenkörper.
Verfahren zur Herstellung eines Transformators, mit Einführen eines Blechpakets einer ersten Wicklung in einen Spulenkörper, der mehrere gestapelte Auflageflächen zur Aufnahme jeweils eines Windungsabschnitts aufweist, Aufbringen von Wicklungsabschnitten einer zweiten Wicklung auf den Spulenkörper, wobei mehrere Wickelkammern zur Aufnahme der zweiten Wicklung vorgesehen sind, Verbinden des Blechpakets, um die erste Wicklung herzustellen, Aufstecken einer ersten Isolationskappe und einer zweiten Isolationskappe auf den Spulenkörper und Anbringen eines Kerns an dem Spulenkörper.
Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, wobei ferner eine Anschlussleitung für die zweite Wicklung mittels einer in der zweiten Isolationskappe vorgesehenen Führung angebracht wird, um durch einen durch die Führung vorgegebenen Isolationsabstand zum Kern einzuhalten.
Verfahren zur Herstellung eines Transformators, mit: Bereitstellen eines Spulenkörpers mit mehreren Spulenkörpersegmenten, wovon jedes eine oder mehrere Auflageflächen zur Aufnahme einer oder mehrerer geblechten Windungen einer ersten Wicklung und eine Wickelkammer mit einem Wickelkammerboden zur Aufnahme eines Wicklungsabschnitts einer zweiten Wicklung aufweist, Einstellen einer Umfangslänge am Wickelkammerboden in jeder Wickelkammer in Abhängigkeit der Position einer Wickelkammer im Spulenkörper, Aufbringen einer gleichen Anzahl an Windungen in jeder Wickelkammer zum Herstellen eines jeweiligen Wicklungsabschnitts und separates Verbinden jedes Wicklungsabschnitts mit einer Anschlussanordnung.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die Umfangslänge am Wickelkammerboden in jeder Wickelkammer so eingestellt wird, dass eine Gesamtleitungslänge jedes Wicklungsabschnitts einschließlich der Verbindung mit der Anschlussanordnung für alle Wicklungsabschnitte näherungsweise gleich ist.