DE102013007850B4

DE102013007850B4 - Transformatoranordnung

Info

Publication number: DE102013007850B4
Application number: DE102013007850.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Kutz; Nils-Malte Jahn; Tim Geiß; Alexander Kist
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2023-08-10
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: DE102013007850A1

Abstract

Transformatoranordnung,wobei eine Primärwicklung (2) in einem ersten Spulenkern (1) aufgenommen ist,wobei eine Sekundärwicklung (5) in einem zweiten Spulenkern (1) aufgenommen istwobei zwischen dem ersten und zweiten Spulenkern (1) Trägermaterial einer Leiterplatte (3) angeordnet ist,wobeiein jeweiliger Wicklungsdrahtendbereich der Primärwicklung (2) mit einem jeweiligen Anschlusselement (4) elektrisch verbunden ist,wobei das jeweilige Anschlusselement (4) mit dem Spulenkern (1) der Primärwicklung (2) verbunden ist an der Außenseite des Spulenkerns (1),und/oder dassein jeweiliger Wicklungsdrahtendbereich der Sekundärwicklung (5) mit einem jeweiligen Anschlusselement (4) elektrisch verbunden ist,wobei das jeweilige Anschlusselement (4) mit dem Spulenkern (1) der Sekundärwicklung (5) verbunden ist an der Außenseite des Spulenkerns (1),wobei der zwischen den Spulenkern (1) zwischengeordnete Leiterplattenabschnitt, also der von den Spulenkernen jeweils abgedeckte Abschnitt der Leiterplatte (3), keine Leiterbahnen der Leiterplatte (3) aufweist, also nur Trägermaterial der Leiterplatte (3) aufweist.wobei der jeweilige Spulenkern (1) topfförmig ausgeführt ist und die jeweilige Wicklung in den Topf eingelegt ist,wobei die Wicklungen der Transformatoranordnung jeweils Teil eines Resonanzkreises sind, dessen Kondensator oder Kondensatoren jeweils mit dem Spulenkern (1) wärmeleitend verbunden sind, so dass der Spulenkern (1) als Kühlkörper für den jeweiligen Kondensator fungiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Transformatoranordnung.
Es ist allgemein bekannt, dass eine Transformatoranordnung primärseitig eine Primärwicklung aufweist und sekundärseitig eine Sekundärwicklung aufweist, wobei die Sekundärwicklung induktiv gekoppelt ist mit der Primärwicklung. Die Sekundärwicklung ist galvanisch entkoppelt von der Primärwicklung.
Aus der WO 02/ 082 626 A1 ist als nächstliegender Stand der Technik eine Vorrichtung zur Transformation einer Primärspannung in eine Sekundärspannung mit mindestens einem Schaltnetzteil.
Aus der KR 10 2001 0 045 690 A1 ist eine SMD-verwendbare Spule bekannt.
Aus der WO 2011/ 154 993 A1 ist ein Übertrager bekannt.
Aus der EP 1 257 153 A2 ist ein Betriebsgerät für Lichtquellen mit kostengünstigen Wickelgüter bekannt.
Aus der DE 10 2010 029 470 A1 ist ein galvanischer Isolator bekannt.
Aus der DE 10 2012 218 513 A1 ist eine Induktionsvorrichtung bekannt.
Aus der WO 01/ 56 045 A1 ist ein Übertrager bekannt, der ein Isoliermittel aufweist, das durch eine Leiterplatte geformt ist.
Aus der US 4 985 922 A ist eine Signalübertragung durch eine Wand bekannt.
Aus der DE 37 00 488 A1 ist eine Leistungsübertrager mit ferromagnetischer Kern bekannt.
Aus der JP H06- 132 146 A ist ein Übertrager für eine elektronische Schaltung bekannt.
Aus der FR 2 160 688 A1 ist ein Übertrager bekannt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Transformatoranordnung weiterzubilden, wobei eine möglichst kostengünstige Herstellung ermöglicht ist
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Transformatoranordnung nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale der Erfindung bei der Transformatoranordnung sind unter anderem, dass
eine Primärwicklung in einem ersten Spulenkern aufgenommen ist,
wobei eine Sekundärwicklung in einem zweiten Spulenkern aufgenommen ist
wobei zwischen dem ersten und zweiten Spulenkern Trägermaterial einer Leiterplatte angeordnet ist.
Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Isolationsabstand gewährleistbar ist. Somit ist eine räumlich nahe Anordnung ermöglicht, als Isolationsmaterial ein Abschnitt einer sowieso vorhandenen Leiterplatte verwendbar, die außerdem noch die primärseitigen und die sekundärseitigen Anteile der Transformatoranordnung trägt.
Erfindungsgemäß ist ein jeweiliger Wicklungsdrahtendbereich der Primärwicklung mit einem jeweiligen Anschlusselement verbunden ist, insbesondere elektrisch verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden,
wobei das jeweilige Anschlusselement mit dem Spulenkern der Primärwicklung verbunden ist, insbesondere an der Außenseite des Spulenkerns,
und/oder
ein jeweiliger Wicklungsdrahtendbereich der Sekundärwicklung ist mit einem jeweiligen Anschlusselement verbunden, insbesondere elektrisch verbunden, insbesondere stoffschlüssig verbunden,
wobei das jeweilige Anschlusselement mit dem Spulenkern der Sekundärwicklung verbunden ist, insbesondere an der Außenseite des Spulenkerns. Von Vorteil ist dabei, dass eine SMD-Montage ermöglicht ist. Somit ist ein bloßes Aufsetzen auf die Leiterplatte notwendig und eine nachfolgende stoffschlüssige Verbindung herstellbar. Auf diese Weise fungiert die Leiterplatte nicht nur als Tragteil für die Transformatoranordnung, sondern auch als Isolationsmittel zur möglichst weitgehenden galvanischen Entkopplung. Außerdem weist die Leiterplatte Bauelemente auf, welche wiederum mit der Transformatoranordnung elektrisch verschaltet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das jeweilige Anschlusselement einen Biegeabschnitt auf, welcher auf einer Leiterbahn der Leiterplatte anliegt, insbesondere also abschnittsweise parallel verläuft, insbesondere tangential zur Oberfläche der Leiterplatte verläuft,
und/oder dass das Anschlusselement derartig geformt ist, dass der jeweilige Spulenkern samt Anschlusselement als SMD-Bauteil verwendbar ist, insbesondere die Leiterplatte mit ihm als SMD-Bauteil bestückt ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine SMD-Montage in einfacher Weise erreichbar ist.
Erfindungsgemäß weist der zwischen den Spulenkern zwischengeordnete Leiterplattenabschnitt, insbesondere also der von den Spulenkernen jeweils abgedeckte Abschnitt der Leiterplatte, keine Leiterbahnen auf, insbesondere nur Trägermaterial aufweist. Von Vorteil ist dabei, dass ein hoher Isolationsabstand erreichbar ist und somit eine galvanische Entkopplung trotz hoher Spannung zwischen Primärseite und Sekundärseite der Transformatoranordnung.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der jeweilige Spulenkern aus Ferrit oder aus Kunststoff gefertigt. Von Vorteil ist dabei, dass eine entsprechende Induktivität erreichbar ist. Bei Verwendung von Ferrit liegt auch eine abschirmende Wirkung vor.
Erfindungsgemäß ist der jeweilige Spulenkern topfförmig ausgeführt und die jeweilige Wicklung ist in den Topf eingelegt. Von Vorteil ist dabei, dass die Wicklung vollständig aufgenommen ist im Spulenkern.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Trägermaterial der Leiterplatte ein glasfaserverstärkter Kunststoff, insbesondere ein FR4,
und/oder dass die Wicklung jeweils aus Kupferlackdraht, also außenisoliertem Kupferdraht, gefertigt ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine einfache Herstellung ausführbar ist. Dabei ist die Leiterplatte einerseits mit Bauelementen bestückt und andererseits trägt sie die Transformatoranordnung
Erfindungsgemäß sind die Wicklungen der Transformatoranordnung jeweils Teil eines Resonanzkreises, dessen Kondensator oder Kondensatoren jeweils mit dem Spulenkern wärmeleitend verbunden sind, so dass der Spulenkern als Kühlkörper für den jeweiligen Kondensator fungiert. Von Vorteil ist dabei, dass eine sehr kompakte Anordnung herstellbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung speist ein Wechselrichter den Resonanzkreis der Primärseite, insbesondere also der die Primärwicklung umfassende Resonanzkreis. Von Vorteil ist dabei, dass hohe Spannungen entstehen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung speist der Resonanzkreis der Sekundärseite, insbesondere also der die Sekundärwicklung umfassende Resonanzkreis, einen Gleichrichter, insbesondere aus dem ein Verbraucher versorgbar ist. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei einer Leiterplatte mit hoher Wandstärke und somit eine entsprechend schwache ein hoher Wirkungsgrad bei der transformatorischen Übertragung erreichbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Kondensator eines Resonanzkreises mit dem Spulenkern der entsprechenden Wicklung des Resonanzreises wärmeleitend verbunden, so dass der Spulenkern als Kühlkörper für den Kondensator fungiert,
insbesondere wobei der Spulenkern aus Metall und/oder Ferrit gefertigt ist. Von Vorteil ist dabei, dass eine kompakte Anordnung herstellbar ist, da die Entwärmung und die Haltefunktion vom gleichen Teil, nämlich Spulenkern, ausführbar ist.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:

In der 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Transformatoranordnung gezeigt.
In der 2 ist ein zugehöriger Schaltplan gezeigt, in welchem der Transformator verwendet wird.

Wie in 1 gezeigt, wird zwischen Primärseite und Sekundärseite des Transformators das Trägermaterial einer Leiterplatte 3 vorgesehen.
In dem zwischen Primärseite und Sekundärseite angeordneten Bereich der Leiterplatte 3 sind keine metallischen Leiterbahnen und auch keine Ausnehmungen vorgesehen. Somit ist die Wandstärke der Leiterplatte 3 in diesem Zwischenbereich konstant.
Der Isolationsabstand zwischen Primärseite und Sekundärseite ist mittels der Leiterplatte 3 bestimmt. Die Leiterplatte weist in anderen Bereichen nicht nur Trägermaterial, sondern auch metallische Leiterbahnen auf. Da in dem Zwischenbereich also nur Trägermaterial vorgesehen ist, ist ein hoher Isolationsabstand erreichbar.
Die Primärseite besteht aus einem Spulenkern 1, der vorzugsweise aus Ferrit gefertigt ist, und einer darin eingelegten Primärwicklung 2, deren Anschlüsse aus dem Spulenkern herausgeführt sind und an ein jeweiliges Anschlusselement 4 geführt ist. Dabei sind die Anschlusselemente 4 mit dem Spulenkern verbunden und mit einem Biegeabschnitt an die Leiterplatte anliegend geformt, so dass eine SMD-Montage ermöglicht ist. Dabei liegt der jeweilige Biegeabschnitt auf einer jeweiligen Leiterbahn auf und ist mit dieser lötverbunden.
Auf diese Weise ist also die Primärseite des Transformators SMD-montierbar, also als surface mounted device, also oberflächenmontiertes Bauteil, und entsprechend auf der Leiterplatte verwendbar.
Die Sekundärseite des Transformators ist entsprechend aufgebaut. Wiederum ist eine Sekundärwicklung 5 in einen Spulenkern 1 eingelegt und die Anschlüsse sind auf Anschlusselemente 4 herausgeführt, die wiederum einen sich an einen jeweiligen metallischen Bereich sich anschmiegenden Biegeabschnitt aufweisen, so dass eine SMD-Montage ermöglicht ist.
Das trägermaterial der Leiterplatte erzeugt dabei einen hohen Isolationsabstand zwischen Primärseite 20 und Sekundärseite 21.
Wie in 2 gezeigt, ist der Transformator für hohe Spannungsspitzen verwendbar.
Dabei ist die Primärwicklung 2 Teil eines von einem Wechselrichter 22 gespeisten Resonanzkreises 23 und die Sekundärwicklung 5 Teil eines von Resonanzkreises 24, welcher einen Gleichrichter 25 speist.
Vorzugsweise werden die Kondensatoren der Resonanzkreise am jeweiligen Spulenkern 1 integriert und dabei derart verbunden mit dem jeweiligen Spulenkern 1, dass die Wärme des jeweiligen Kondensators an den jeweiligen Spulenkern 1 abgeführt wird und somit der Spulenkern 1 als Kühlkörper für den jeweiligen Kondensator fungiert.
Mit dem Transformator ist also berührungslos Energie von der Primärseite 20 zur Sekundärseite 21 übertragbar. Der Ferritkern ist nicht in eine Vertiefung oder Bohrung oder sonstige Ausnehmung des Trägermaterials eingeführt, sondern liegt an der Oberfläche an. Somit sind mechanische Schwingungen ableitbar und die mechanische Stabilität der Transformator erhöhbar.
Wie in 1 gezeigt, sind die Spulenkerne 1 topfförmig ausgeführt, wobei die Topfböden der beiden Spulenkerne 1 auf der vom jeweils anderen Spulenkern und/oder von der Leiterplatte abgewandten Seite angeordnet sind. Somit ist eine verbesserte Abschirmung realisiert.
Die Wicklungen (2, 5) sind jeweils als Ringwicklungen ausgeführt, wobei die Ringachse in Normalenrichtung der Leiterplatte ausgerichtet ist.
Da die Primärseite und die Sekundärseite des Transformators SMD-bestückbar sind, also als jeweiliges SMD-Bauteil verwendbar sind, werden sie bei der Herstellung auf die Leiterplatte aufgesetzt, insbesondere stoffschlüssig gehalten, und dann lötverbunden mit den Leiterbahnen der Leiterplatte. Somit ist keine through hole Montage, also kein Einführen des jeweiligen Anschlusselements in ein Loch notwendig.
Bezugszeichenliste

1: Spulenkern, insbesondere Ferrit
2: Primärwicklung
3: Leiterplatte
4: Anschlusselement, insbesondere Füßchen
5: Sekundärwicklung
20: Primärseite
21: Sekundärseite
22: Wechselrichter
23: primärer Resonanzkreis
24: sekundärer Resonanzkreis
25: Gleichrichter

Claims

Transformatoranordnung, wobei eine Primärwicklung (2) in einem ersten Spulenkern (1) aufgenommen ist, wobei eine Sekundärwicklung (5) in einem zweiten Spulenkern (1) aufgenommen ist wobei zwischen dem ersten und zweiten Spulenkern (1) Trägermaterial einer Leiterplatte (3) angeordnet ist, wobei ein jeweiliger Wicklungsdrahtendbereich der Primärwicklung (2) mit einem jeweiligen Anschlusselement (4) elektrisch verbunden ist, wobei das jeweilige Anschlusselement (4) mit dem Spulenkern (1) der Primärwicklung (2) verbunden ist an der Außenseite des Spulenkerns (1), und/oder dass ein jeweiliger Wicklungsdrahtendbereich der Sekundärwicklung (5) mit einem jeweiligen Anschlusselement (4) elektrisch verbunden ist, wobei das jeweilige Anschlusselement (4) mit dem Spulenkern (1) der Sekundärwicklung (5) verbunden ist an der Außenseite des Spulenkerns (1), wobei der zwischen den Spulenkern (1) zwischengeordnete Leiterplattenabschnitt, also der von den Spulenkernen jeweils abgedeckte Abschnitt der Leiterplatte (3), keine Leiterbahnen der Leiterplatte (3) aufweist, also nur Trägermaterial der Leiterplatte (3) aufweist. wobei der jeweilige Spulenkern (1) topfförmig ausgeführt ist und die jeweilige Wicklung in den Topf eingelegt ist, wobei die Wicklungen der Transformatoranordnung jeweils Teil eines Resonanzkreises sind, dessen Kondensator oder Kondensatoren jeweils mit dem Spulenkern (1) wärmeleitend verbunden sind, so dass der Spulenkern (1) als Kühlkörper für den jeweiligen Kondensator fungiert.
Transformatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Wicklungsdrahtendbereich der Primärwicklung (2) mit einem jeweiligen Anschlusselement (4) stoffschlüssig verbunden ist, und/oder dass ein jeweiliger Wicklungsdrahtendbereich der Sekundärwicklung (5) mit einem jeweiligen Anschlusselement (4) stoffschlüssig verbunden ist.
Transformatoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Anschlusselement (4) einen Biegeabschnitt aufweist, welcher auf einer Leiterbahn der Leiterplatte (3) anliegt, und/oder dass das Anschlusselement (4) derartig geformt ist, dass der jeweilige Spulenkern (1) samt Anschlusselement (4) als SMD-Bauteil verwendbar ist.
Transformatoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Spulenkern (1) aus Ferrit oder aus Kunststoff gefertigt ist.
Transformatoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial der Leiterplatte (3) ein glasfaserverstärkter Kunststoff ist. und/oder dass die Wicklung jeweils aus Kupferlackdraht, also außenisoliertem Kupferdraht, gefertigt ist.
Transformatoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselrichter (22) den Resonanzkreis der Primärseite (20) speist und/oder dass der Resonanzkreis der Sekundärseite (21) einen Gleichrichter (25) speist.
Transformatoranordnung nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator eines Resonanzkreises mit dem Spulenkern (1) der entsprechenden Wicklung des Resonanzreises wärmeleitend verbunden ist, so dass der Spulenkern (1) als Kühlkörper für den Kondensator fungiert.