DE102011082046A1

DE102011082046A1 - Transformator und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011082046A1
Application number: DE102011082046A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schekulin Dirk; Silvia Gross-Käufler; Chriss Härtsch; Alex ITTEN; Piere Cavin; Thomas Bisig
Original assignee: Schmidhauser AG
Current assignee: Schmidhauser AG
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-07
Also published as: CN104054145A; US20140300438A1; EP2751814B1; US10734151B2; WO2013030031A1; CN109346296A; EP2751814A1

Abstract

Bei einem Transformator (1) für getaktete Stromversorgungen mit einem magnetisierbaren Kern (2) mit einer Wicklungsachse (3), mindestens einer Primärwicklung (4a, 4b), die durch einen Primärwicklungsleiter gebildet ist, der die Wicklungsachse des Kerns zumindest teilweise umschließt, und mindestens einer Sekundärwicklung (5a, 5b), die durch einen Sekundärwicklungsleiter (6a, 6b) gebildet ist, umschließt der Sekundärwicklungsleiter den Primärwicklungsleiter, die Sekundärwicklung ist einlagig gebildet und ein Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters ist rechteckförmig, insbesondere quadratisch.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator und ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
Hochfrequenztransformatoren für hohe Ausgangsströme sind überwiegend planare Konstruktionen mit gestanzten Blechen für die Sekundärwicklung. Die Primärwicklung wird meistens ebenfalls geblecht oder auch mit Litze realisiert.
Die korrekte elektrische Verbindung der Bleche untereinander ist mit hohem Aufwand verbunden.
Ein weiteres Problem ist die Kühlung des Bauteils, da die Verlustwärme der Wicklungen überwiegend durch einen umschließenden Ferritkern abgeleitet werden muss. Ferrit-Material ist jedoch ein schlechter Wärmeleiter und eine vollflächige beidseitige thermische Anbindung an einen Kühlkörper ist schwer zu realisieren.
Problematisch ist zudem die Implementierung der erforderlichen Isolationsabstände ohne eine übermäßige Vergrößerung der Streuinduktivitäten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator und ein zugehöriges Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die eine effiziente Kühlung des Transformators mit möglichst geringem Aufwand ermöglichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Transformator nach Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 12. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Wortlaut hiermit zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.
Der Transformator ist bevorzugt für getaktete Stromversorgungen geeignet oder vorgesehen und weist auf: einen magnetisierbaren Kern, insbesondere einen Ferrit-Kern, mit einer Wicklungsachse, mindestens eine Primärwicklung, die durch einen Primärwicklungsleiter gebildet ist, insbesondere in Form von mehrfach isolierter Hochfrequenzlitze, der die Wicklungsachse des Kerns bzw. einen Schenkel des Kerns, durch den die Wicklungsachse verläuft, zumindest teilweise umschließt, und mindestens eine Sekundärwicklung, die durch einen Sekundärwicklungsleiter gebildet ist. Der Sekundärwicklungsleiter umschließt den Primärwicklungsleiter, d.h. der Sekundärwicklungsleiter und der Primärwicklungsleiter bilden unterschiedliche Wicklungslagen über der Wicklungsachse, die Sekundärwicklung ist einlagig gebildet und ein Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters ist rechteckförmig, insbesondere quadratisch. Aufgrund des Querschnitts und der dadurch bedingten Außenkontur kann die Sekundärwicklung sehr einfach und mit geringem thermischem Widerstand beispielsweise an eine kühlende Fläche angekoppelt werden. Der Querschnitt der insbesondere massiven Wicklung bzw. des massiven Leiters wird dabei bewusst überdimensioniert, so dass ein effizienter Wärmefluss innerhalb der Wicklung möglich ist.
In einer Weiterbildung ist der Sekundärwicklungsleiter massiv ausgebildet, d.h. er ist beispielsweise nicht durch Litzen, Bleche oder dergleichen aufgebaut.
In einer Weiterbildung ist die mindestens eine Sekundärwicklung aus einem massiven Materialblock gebildet, welcher zur Bildung des Sekundärwicklungsleiters strukturiert ist, insbesondere durch Bohren, Sägen und/oder Fräsen strukturiert ist. Alternativ ist die mindestens eine Sekundärwicklung aus einem Druckgussformteil gebildet.
In einer Weiterbildung weist der Transformator eine Nenn-Leistung auf, wobei der (minimale) Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters derart dimensioniert ist, dass eine Strombelastbarkeit des Sekundärwicklungsleiters größer ist als für die Nenn-Leistung erforderlich, d.h. der Querschnitt des Leiters ist bezogen auf die Nenn-Leistung überdimensioniert
In einer Weiterbildung besteht der Sekundärwicklungsleiter aus Kupfer oder Titan, besonders bevorzugt aus Aluminium.
In einer Weiterbildung ist ein flächiges Kühlelement vorgesehen, welches thermisch mit der Sekundärwicklung, insbesondere mit der von der Wicklungsachse des Kerns abgewandten Seite der Sekundärwicklung, gekoppelt ist. Bevorzugt ist ein wärmeleitender elektrischer Isolator vorgesehen, der zwischen dem Kühlelement und der Sekundärwicklung angeordnet ist. Bevorzugt ist der elektrische Isolator eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie.
In einer Weiterbildung bildet die Sekundärwicklung einen Kühlkörper.
In einer Weiterbildung sind ein Abstand zwischen der Primärwicklung und dem Kern und ein Abstand zwischen der Sekundärwicklung und der Primärwicklung derart gewählt, dass Streuverluste minimiert sind. Mit anderen Worten liegt die Primärwicklung möglichst dicht über dem Kern und die Sekundärwicklung liegt möglichst dicht über der Primärwicklung, so dass sich minimale Verlustanteile durch Streufelder sowie eine gute thermische Kopplung des Systems ergeben.
Bei dem Verfahren zur Herstellung des oben genannten Transformators wird die Sekundärwicklung aus einem massiven Materialblock gebildet, welcher zur Bildung des Leiters strukturiert wird, insbesondere durch materialabtragendes Bearbeiten in Form von Bohren, Sägen und/oder Fräsen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Hierbei zeigt schematisch:
1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Transformators,
2 eine Explosionsdarstellung des in 1 gezeigten Transformators und
3 ein elektrisches Ersatzschaltbild des in 1 und 2 gezeigten Transformators.
1 zeigt einen Transformator 1 für getaktete Stromversorgungen mit einem magnetisierbaren Ferrit-Kern 2 mit einem Schenkel, der eine Wicklungsachse 3 definiert, einer ersten Primärwicklung 4a (siehe 2), die durch einen ersten Primärwicklungsleiter aus mehrfach isolierter Hochfrequenzlitze gebildet ist, die die Wicklungsachse 3 des Kerns 2 unmittelbar umschließt, einer zweiten Primärwicklung 4b, die durch einen zweiten Primärwicklungsleiter aus mehrfach isolierter Hochfrequenzlitze gebildet ist, die die Wicklungsachse 3 des Kerns 2 unmittelbar umschließt, wobei die erste Primärwicklung 4a und die zweite Primärwicklung 4b axial benachbart auf dem Schenkel angeordnet sind, einer ersten massiven Sekundärwicklung 5a aus Aluminium, die durch einen ersten Sekundärwicklungsleiter 6a gebildet ist, und einer zweiten massiven Sekundärwicklung 5b aus Aluminium, die durch einen zweiten Sekundärwicklungsleiter 6b gebildet ist
Weiter sind Bohrungen 9a und 9b als Anschlüsse für die erste bzw. zweite Sekundärwicklung 5a bzw. 5b vorgesehen.
Isolationselemente 10 dienen zum elektrischen Isolieren zwischen Primär- und Sekundärkreis.
Die Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b umschließen ihren zugehörigen Primärwicklungsleiter, so dass sie axial benachbart auf dem Schenkel angeordnet sind. Die Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b sind jeweils einlagig gebildet und weisen jeweils in Wicklungsrichtung einen rechteckförmigen Querschnitt auf, der in Wicklungsrichtung veränderlich ist.
Der Transformator weist eine spezifische Nenn-Leistung auf, wobei der Querschnitt der Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b derart dimensioniert ist, dass deren Strombelastbarkeit größer ist als für die Nenn-Leistung erforderlich.
Zur effizienten Kühlung ist weiter ein flächiges Kühlelement 7 vorgesehen, welches thermisch mit der von der Wicklungsachse 3 des Kerns 2 abgewandten Seite bzw. Oberfläche der Sekundärwicklungen 5a und 5b zu koppeln ist, wobei zwischen dem Kühlelement 7 und den Sekundärwicklungen 5a und 5b ein wärmeleitender elektrischer Isolator in Form einer elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie 8 vorgesehen ist. Entsprechende Kühlelemente können auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Sekundärwicklungen 5a und 5b vorgesehen sein.
Die Sekundärwicklungen 5a und 5b sind jeweils aus einem massiven Aluminium-Materialblock gebildet, welcher geeignet durch Bohren, Sägen, Funkenerodieren und/oder Fräsen strukturiert ist.
Der Querschnitt der Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b bzw. deren minimaler Querschnitt über die gesamte Wicklung ist derart dimensioniert, dass bei gegebener Arbeitsfrequenz die durch Stromverdrängung wirksame Ersatzfläche (Skin-Tiefe) deutlich kleiner ist als der geometrische Querschnitt der massiven Sekundärwicklungsleiter 6a und 6b. Dadurch fließt der dominierende Wechselstrom-Verlustanteil im Außenbereich der Wicklung in Richtung des Kernbereichs der Wicklung und schließlich längs der Wicklung zur thermischen Senke in Form des Kühlelements 7.
2 zeigt zur Verdeutlichung eine Explosionsdarstellung des in 1 gezeigten Transformators.
3 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild des in 1 und 2 gezeigten Transformators 1 mit den Primärwicklungen 4a und 4b und den Sekundärwicklungen 5a und 5b.
Die gezeigten Ausführungsformen weisen massive sekundärseitige Wicklungen 5a und 5b auf, die direkt über den Primärwicklungen 4a bzw. 4b aus mehrfach isolierter Hochfrequenzlitze liegen. Die Primärwicklungen 4a und 4b sind mit minimalem Abstand über dem Ferritkern 2 angeordnet.
Durch gerade Oberflächen der massiven Sekundärwicklungen 5a und 5b ist eine einfache und effiziente Ankopplung an die Kühlfläche 7 möglich. Der (minimale) Querschnitt der massiven Sekundärwicklungen 5a und 5b wird dabei bewusst überdimensioniert, um so einen effizienten Wärmefluss innerhalb der Sekundärwicklungen 5a und 5b zu erreichen.
Die Isolation der Wicklungen 5a und 5b gegen die Kühlfläche 7 erfolgt mit einer dünnen Wärmeleitfolie 8 oder keramischen Material.
Aufgrund der minimalen Abstände zwischen den Wicklungen 4a, 4b, 5a und 5b und dem Transformatorkern 2 wird einerseits eine optimale Kühlung gewährleistet und andererseits werden die Streuflüsse minimiert bzw. die Kopplung zwischen Primär· und Sekundärseite maximiert.
Die gezeigten Ausführungsformen ermöglichen eine einfache Kühlung des Transformators 1 über die thermisch gut ankoppelbaren massiven Sekundärwicklungen 5a und 5b.
Der Transformatorkern 2 kann ebenfalls sehr einfach thermisch angekoppelt werden, so dass eine optimale Kühlung des Gesamtbauteils möglich ist. Weiterhin kann durch den großen Querschnitt der Sekundärwicklungen 5a und 5b Aluminium eingesetzt werden, das Gewicht und Kosten spart.
Der Transformator 1 für getaktete Stromversorgungen weist mindestens eine massive (Sekundär-)Wicklung auf, deren Querschnitt derart gewählt ist, dass ein Transport der im Betrieb entstehenden Verlustwärme hin zu einer flächigen Wärmesenke möglich ist, ohne dass zusätzliche Kühlmittel erforderlich sind.
Es versteht sich, dass auch lediglich eine einzelne oder mehr als zwei Primär- und Sekundärwicklung(en) vorgesehen sein kann/können.

Claims

Transformator (1) für getaktete Stromversorgungen mit – einem magnetisierbaren Kern (2) mit einer Wicklungsachse (3), – mindestens einer Primärwicklung (4a, 4b), die durch einen Primärwicklungsleiter gebildet ist, der die Wicklungsachse des Kerns zumindest teilweise umschließt, und – mindestens einer Sekundärwicklung (5a, 5b), die durch einen Sekundärwicklungsleiter (6a, 6b) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sekundärwicklungsleiter den Primärwicklungsleiter umschließt, – die Sekundärwicklung einlagig gebildet ist und – ein Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters rechteckförmig, insbesondere quadratisch, ist.
Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sekundärwicklungsleiter massiv ausgebildet ist.
Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine Sekundärwicklung aus einem massiven Materialblock gebildet ist, welcher zur Bildung des Sekundärwicklungsleiters strukturiert ist, insbesondere durch ein materialabtragendes Bearbeiten strukturiert ist, insbesondere durch Bohren, Sägen, Fräsen und/oder Funkenerodieren strukturiert ist.
Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine Sekundärwicklung aus einem Druckgussformteil gebildet ist.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Transformator eine Nenn-Leistung aufweist, wobei der Querschnitt des Sekundärwicklungsleiters derart dimensioniert ist, dass eine Strombelastbarkeit des Sekundärwicklungsleiters größer ist als für die Nenn-Leistung erforderlich.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Sekundärwicklungsleiter aus Aluminium, Kupfer oder Titan besteht.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – ein flächiges Kühlelement (7), welches thermisch mit der Sekundärwicklung, insbesondere mit der von der Wicklungsachse des Kerns abgewandten Seite der Sekundärwicklung, gekoppelt ist.
Transformator nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch – einen wärmeleitenden, elektrischen Isolator (8), der zwischen dem Kühlelement und der Sekundärwicklung angeordnet ist.
Transformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – der elektrische Isolator eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie ist.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sekundärwicklung einen Kühlkörper bildet.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Abstand zwischen der Primärwicklung und dem Kern und ein Abstand zwischen der Sekundärwicklung und der Primärwicklung derart gewählt sind, dass Streuverluste minimiert sind.
Verfahren zur Herstellung eines Transformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Sekundärwicklung aus einem massiven Materialblock gebildet wird, welcher zur Bildung des Leiters strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass – das Strukturieren ein materialabtragendes Bearbeiten des Materialblocks umfasst, insbesondere in Form von Bohren, Sägen, Fräsen und/oder Funkenerodieren.