DE102012106260A1 - Mehrphasen-Streufeld-Transformator zum Speichern und Filtern - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Streufeld-Transformator zum Speichern von Energie und zum Filtern von Strömen mit einer Anzahl von 2·n + 1 Phasen, wobei n eine natürliche Zahl ist, umfassend einen Kern (11, 12, 13, 14) mit 2·n + 1 ersten Jochen (11), wobei auf jedem ersten Joch eine Wicklung (2) angeordnet ist, und mit wenigstens einem zweiten Joch (12), das mit dem übrigen Kern (13, 14) über einen Luftspalt (3) verbunden ist und/oder einen Luftspalt (3) aufweist, wobei der Kern (11, 12, 13, 14) des Transformators 2·n zweite Joche (12) aufweist, die abwechselnd mit den ersten Jochen (11) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Transformator zum Speichern von Energie und zum Filtern von Strömen in einem DC/DC-Wandler mit einer Anzahl von 2·n + 1 Phasen, wobei n eine natürliche Zahl ist, umfassend einen Kern mit 2·n + 1 ersten Jochen, wobei auf jedem ersten Joch eine Wicklung angeordnet ist, und mit wenigstens einem zweiten Joch, das mit dem übrigen Kern über einen Luftspalt verbunden ist und/oder einen Luftspalt aufweist.
  • In dem Aufsatz „Coupled Inductor Design Optimization for Fast-Response Low-Voltage DC-DC Converters" von Jieli Li und C. R. Sullivan, IEEE Applied Power Electronics Conference, März 2002 ist eine solche Transformatoranordnung beschrieben.
  • Die Transformatoranordnung hat einen Kern, der ähnlich einer Leiter aufgebaut ist. Die Sprossen dieses leiterartigen Kerns werden durch die ersten Joche des Transformators gebildet. Neben den ersten Jochen ist das zweite Joch vorgesehen, welches den für das Speichern von Energie notwendigen Luftspalt hat. Der Transformator kann so in ein Mehrphasensystem eingebunden werden, dass jede Wicklung von einem Strom einer der Phasen durchflossen wird, wie es bei stromkompensierten Mehrphasen-Transformatoren bekannt ist.
  • Während bei einer geraden Anzahl von Phasen und somit einer geraden Anzahl von Wicklungen und ersten Jochen der Kern so gestaltet sein kann, dass die ersten Joche symmetrisch zu dem zweiten Joch angeordnet sind, ist dies bei einer ungeraden Anzahl von Jochen nicht möglich. Das zweite Joch kann nicht in der Mitte eines symmetrischen Kerns angeordnet sein. Dieses hat Nachteile für elektromagnetische Störaussendungen und kann zu ungewollten Einschwingvorgängen führen.
  • Hier setzt die vorliegende Erfindung an.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Transformator der eingangs genannten Art zu verbessern, so dass eine bessere EMV erreicht wird und Einschwingvorgänge unterbleiben oder nur stark gemindert auftreten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kern des Transformators eine Anzahl von 2·n zweiten Jochen aufweist, die abwechselnd mit den ersten Jochen angeordnet sind.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich einen symmetrischen Kern und somit auch einen symmetrischen Transformator aufzubauen. Bei einem erfindungsgemäßen Transformator ist ein erstes Joch in der Mitte angeordnet. Symmetrisch zu diesem ersten Joch sind die zweiten Joche und die übrigen ersten Joche angeordnet, wobei dem mittleren ersten Joch zunächst zweite Joche angeordnet sind an die sich die weiteren ersten und zweiten Joche im Wechsel anschließen.
  • Die ersten Joche und die zweiten Joche sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Die die Joche verbindenden Teile des Kerns sind vorteilhaft ebenfalls parallel zueinander angeordnet.
  • Erfindungsgemäß ist es möglich, dass alle Luftspalte die gleiche Ausdehnung haben.
  • Der Kern des Transformators ist vorzugsweise weichmagnetisch.
  • Die Wicklungen können Planarwicklungen sein. Ebenso ist es möglich, dass die Wicklungen aus Draht gewickelt sind.
  • Jedes erste Joch kann ohne Luftspalt mit dem übrigen Kern verbunden sein. Ebenso ist vorzugsweise innerhalb der ersten Joche kein Luftspalt vorgesehen.
  • Jedes erste Joch kann alternativ mit einem Spalt, insbesondere mit einem Luftspalt mit dem übrigen Kern verbunden sein und/oder innerhalb der ersten Joche kann ein Spalt, insbesondere mit einem Luftspalt vorgesehen sein, wobei dieser Spalt im Vergleich mit den den zweiten Jochen zugeordneten Luftspalten sehr klein ist.
  • Erfindungsgemäß kann ein mittleres der ersten Joche über einen Spalt mit dem übrigen Kern verbunden sein und/oder innerhalb des mittleren ersten Jochs kann ein Spalt vorgesehen sein, der größer ist als der Spalt an oder in den übrigen ersten Jochen. Die Breite des Spalts an oder in dem mittleren ersten Joch kann 100µm betragen.
  • Die Spalte an oder in den ersten Jochen, einschließlich des mittleren ersten Jochs, können mit wenigstens einem superparamagnetischen, ferrimagnetischen oder einem ferromagnetischen, insbesondere wenigstens einem weichmagnetischen Festkörper ganz oder teilweise ausgefüllt sein. Bei dem Festkörper kann es sich beispielsweise um eine Folie handeln. Möglich ist auch, dass als Festkörper Kugeln vorgesehen sind, die in einen Klebstoff eingelagert sind. Der oder die Festkörper können aus Glas bestehen.
  • Ein Vorteil von Spalten in oder an den ersten Jochen ist, dass durch die Wahl der Spaltbreite die Induktivität der Wicklungen eingestellt werden kann. Insbesondere durch die Wahl eines Spaltes an oder in dem ersten mittleren Joch der größer ist als die Spalte in oder an den übrigen ersten Jochen kann erreicht werden, dass die Induktivität aller Wicklungen gleich groß ist, was das Einschwingverhalten nach einer Spannungs- oder Laständerung nochmals verbessert.
  • Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1 einen Schnitt durch einen Transformator mit Drahtwicklungen in schematischer Darstellung,
  • 2 einen Schnitt durch einen Transformator mit auf Schaltungsträgern angeordneten Leiterbahnen als Planarwicklungen und
  • 3 einen Schnitt durch einen Transformator mit Drahtwicklungen und Spalten an ersten Jochen in schematischer Darstellung
  • Die in den 1, 2 und 3 dargestellten Transformatoren weisen einen Kern 11, 12, 13, 14 auf, der aus ersten Jochen 11, zweiten Jochen 12, einem festen Seitenteil 13 und einem aufgesetzten Seitenteil 14 besteht. Die Joche 11, 12 sind fest mit dem festen Seitenteil 13 verbunden und kragen im Winkel von ungefähr 90° vom festen Seitenteil 13 aus. Der Kern hat drei erste Joche 11, von denen eines in der Mitte angeordnet ist. Parallel zu diesem mittigen ersten Joch 11 sind die übrigen Joche 11, 12 angeordnet und zwar abwechselnd auf jeder Seite ein zweites Joch 12 und ein erstes Joch 11.
  • Auf allen ersten Jochen 11 sind Wicklungen 2 angeordnet, die eine gleiche Windungszahl haben, wie es von stromkompensierten Mehrphasen-Transformatoren bekannt ist.
  • Die zweiten Joche 12 sind von dem festen Seitenteil aus betrachtet kürzer ausgebildet als die ersten Joche 11. Dieses führt dazu, dass sich zwischen den zweiten Jochen 12 und dem aufgesetzten Seitenteil 14 ein Luftspalt befindet, in welchem, wie es bei Speicher-Transformatoren üblich ist, Energie gespeichert werden kann. Die ersten Joche 11 liegen dagegen unmittelbar an dem aufgesetzten Seitenteil an.
  • Die in den 1 und 2 dargestellten Transformatoren unterscheiden sich voneinander im Wesentlichen durch die Ausbildung der Wicklungen. Während die bei dem Transformator gemäß 1 verwendeten Wicklungen Drahtwicklungen sind, handelt es sich bei den Wicklungen des Transformators gemäß 2 um auf einem Schaltungsträger aufgebrachte Leiterbahnen, also um sogenannte Planarwicklungen.
  • Die in den 1 und 3 dargestellten Transformatoren unterscheiden sich voneinander im Wesentlichen durch mit Klebstoff eingeklebte Glaskugeln in Spalten 4, die zwischen den ersten Jochen 11 und dem aufgesetzten Seitenteil vorgesehen sind. Der Spalt 4, der an dem mittleren ersten Joch 11a vorsehen ist, ist dabei geringfügig größer als die Spalte 4, die zwischen den übrigen ersten Jochen 11 und dem aufgesetzten Seitenteil 14 vorgesehen ist. Insbesondere durch den geringfügig größeren Spalt 4 zwischen dem mittleren ersten Joch 11a und dem aufgesetzten Seitenteil 14 kann erreicht werden, dass die Induktivitäten der Wickelungen 2 des Transformators gleich sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 11
    erste Joche des Kerns
    11a
    mittleres erstes Joch des Kerns
    12
    zweite Joche des Kerns
    13
    festes Seitenteil des Kerns
    14
    aufgesetztes Seitenteil des Kerns
    2
    Wicklungen
    3
    Luftspalte
    4
    Spalte
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • „Coupled Inductor Design Optimization for Fast-Response Low-Voltage DC-DC Converters” von Jieli Li und C. R. Sullivan, IEEE Applied Power Electronics Conference, März 2002 [0002]

Claims (13)

  1. Mehrphasen-Streufeld-Transformator zum Speichern von Energie und zum Filtern von Strömen mit einer Anzahl von 2·n + 1 Phasen, wobei n eine natürliche Zahl > 0 ist, umfassend einen Kern (11, 11a, 12, 13, 14) mit 2·n + 1 ersten Jochen (11, 11a), wobei auf jedem ersten Joch eine Wicklung (2) angeordnet ist, und mit wenigstens einem zweiten Joch (12), das mit dem übrigen Kern (13, 14) über einen Luftspalt (3) verbunden ist und/oder einen Luftspalt (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (11, 12, 13, 14) des Transformators 2·n zweite Joche (12) aufweist, die abwechselnd mit den ersten Jochen (11, 11a) angeordnet sind.
  2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Joche (11) und die zweiten Joche (12) parallel zueinander angeordnet sind.
  3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Luftspalte (3) die gleiche Ausdehnung haben.
  4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (11, 11a, 12, 13, 14) weichmagnetisch ist.
  5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2) Planarwicklungen sind.
  6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2) aus Draht gewickelt sind.
  7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste Joch (11) ohne Luftspalt mit dem übrigen Kern (13, 14) verbunden ist und auch innerhalb der ersten Joche (11) keine Luftspalte vorgesehen sind.
  8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste Joch (11, 11a) über einen Spalt (4) mit dem übrigen Kern (13, 14) verbunden ist und/oder innerhalb der ersten Joche (11) ein Spalt (4) vorgesehen ist, wobei dieser Spalt (4) im Vergleich mit den zweiten Jochen (12) zugeordneten Luftspalten sehr klein ist.
  9. Transformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittleres der ersten Joche (11, 11a) über einen Spalt (4) mit dem übrigen Kern (13, 14) verbunden ist und/oder innerhalb des mittleren ersten Jochs (11a) ein Spalt (4) vorgesehen ist, der größer ist als die Spalte (4) an oder in den übrigen ersten Jochen.
  10. Transformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte (4) an oder in den ersten Jochen, einschließlich des mittleren ersten Jochs (11a) mit einem weichmagnetischen Festkörper ganz oder teilweise ausgefüllt sind, wobei der weichmagnetische Festkörper ferro oder ferrimagnetisch oder superparamagnetisch sein kann.
  11. Transformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Spalte mit einem Kleber gefüllt sind.
  12. Transformator nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber mit einem weichmagnetischen Material gefüllt ist.
  13. Transformator nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial des Klebers zu Kugeln mit geformt ist, wobei die Kugeln einen Durchmesser haben, die den kleineren Spalten entspricht.
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