DE102013209216A1

DE102013209216A1 - TRANSMISSION SWITCHING AND ROTATIONAL TRANSMITTER

Info

Publication number: DE102013209216A1
Application number: DE201310209216
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Reinhard Müller
Original assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: HOCHSCHULE MUENCHEN, DE
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2013-05-17
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Übertragungsschaltung zum Übertragen elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite sowie auf einen zugehörigen Übertrager, insbesondere einen Rotationsübertrager. Die Übertragungsschaltung (140) umfasst einen Übertrager (100) mit mindestens einer ersten primärseitigen Wicklung (128) und mindestens einer ersten sekundärseitigen Wicklung (142), die induktiv mit der ersten primärseitigen Wicklung (128) gekoppelt ist. Eine primärseitige Ansteuerschaltung versorgt die erste primärseitige Wicklung (128) mit einer ersten Eingangswechselspannung und erzeugt eine in Antwort auf die erste Eingangswechselspannung induzierte erste Ausgangswechselspannung. Eine zweite primärseitigen Wicklung (129) wird mit einer zweiten Eingangswechselspannung versorgt und ist mit mindestens einer zweiten sekundärseitigen Wicklung (144) induktiv gekoppelt, um in Antwort auf die zweite Eingangswechselspannung eine zweite Ausgangswechselspannung zu induzieren. Die Übertragungsschaltung (140) weist mindestens einen ersten und einen zweiten Lastanschluss (146, 148) auf, mit denen eine Last (R1) so verbindbar ist, dass über der Last die Differenz der ersten und zweiten Ausgangswechselspannung anliegt.The present invention relates to a transmission circuit for transmitting electrical power from a primary side to a secondary side and to an associated transformer, in particular a rotary transformer. The transmission circuit (140) comprises a transformer (100) with at least one first primary-side winding (128) and at least one first secondary-side winding (142), which is inductively coupled to the first primary-side winding (128). A primary-side drive circuit supplies the first primary-side winding (128) with a first AC input voltage and generates a first AC output voltage induced in response to the first AC input voltage. A second primary winding (129) is supplied with a second AC input voltage and is inductively coupled to at least a second secondary winding (144) to induce a second AC output voltage in response to the second AC input voltage. The transmission circuit (140) has at least a first and a second load connection (146, 148), to which a load (R1) can be connected such that the difference between the first and second AC output voltage is present across the load.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Übertragungsschaltung zum Übertragen elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite. Weiterhin befasst sich die vorliegende Erfindung mit einem zugehörigen Übertrager, insbesondere einem Rotationsübertrager.The present invention relates to a transmission circuit for transmitting electric power from a primary side to a secondary side. Furthermore, the present invention is concerned with an associated transformer, in particular a rotary transformer.

In modernen Kraftfahrzeugssystemen wird zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs der Fahrzeugmotor abgeschaltet, wenn das Fahrzeug nicht mehr aktiv angetrieben werden muss, sondern antriebslos ausrollen kann. Eine solche Fahrsituation kann beispielsweise beim Ausrollen vor der Ampel oder beim Befahren einer Gefällestrecke auftreten. Ein derartige Bewegungszustand eines Fahrzeugs ohne aktiven Antrieb wird als Segeln bezeichnet. Start-Stopp- und Segelbetrieb eines Fahrzeugs erfordern einen unabhängig vom Verbrennungsmotor zu betreibenden Nebentrieb, der auch ohne Antrieb durch den Verbrennungsmotor angetrieben werden kann. Die schnellen geforderten Zeiten für den Wiederstart des Motors lassen lange Einspurzeiten eines herkömmlichen Anlassers nicht mehr zu. Zukünftig müssen daher Komponenten in den Nebentrieb integriert werden, die den Segelbetrieb bei gleichzeitigem Betrieb der Nebenaggregate, den Betrieb der Nebenaggregate von der Kurbelwelle ausgehend, den Generatorbetrieb zur Versorgung des Fahrzeugs mit elektrischer Energie im klassischen Anwendungsfall sowie die Start-Stopp-Funktion mit den dazu passenden Drehzahlen und Drehmomenten sicherstellen können. Um diese Funktionen zu ermöglichen, beispielsweise um die Aktuierungsleistung für Freilauf- und Sperrfunktionen bereitzustellen, ist es erforderlich, dauerhaft elektrische Energie effizient und dosierbar auf rotierende Bauteile oder Bauteilgruppen zu übertragen. Insbesondere soll ermöglicht werden, Freilaufaktuierungsimpulse auf elektrisch aktuierte Freiläufe zu übertragen, die sich auf schnell rotierenden Kupplungspartnern befinden.In modern motor vehicle systems, to reduce fuel consumption, the vehicle engine is switched off when the vehicle no longer has to be actively driven, but can roll out without drive. Such a driving situation can occur, for example, when rolling out in front of the traffic light or when driving on a downgrade. Such a state of motion of a vehicle without active drive is called sailing. Start-stop and sail operation of a vehicle require an independent drive to be operated by the internal combustion engine, which can also be driven without drive by the internal combustion engine. The fast required times for the restart of the engine no longer allow long Einspurzeiten a conventional starter. In the future, therefore, components must be integrated into the secondary engine, the sailing operation with simultaneous operation of the ancillaries, the operation of the ancillaries of the crankshaft starting, the generator operation to power the vehicle with electrical energy in the classic application and the start-stop function with the ensure appropriate speeds and torques. In order to enable these functions, for example, to provide the Aktuierungsleistung for freewheeling and locking functions, it is necessary to transfer energy permanently and efficiently dosing on rotating components or groups of components. In particular, it should be made possible to transfer freewheeling actuation pulses to electrically actuated freewheels, which are located on rapidly rotating coupling partners.

Auch im Fall eines CAM-Phasers, der die zu einer Nockenwellenverstellung erforderliche Hilfsenergie auf die üblicherweise mit halber Motordrehzahl drehende Nockenwelle übertragen muss, ist eine effiziente und dosierbare Übertragung elektrischer Energie von einem feststehenden Teil auf ein bewegliches Teil erforderlich. Ein mit der Nockenwellendrehzahl rotierender Stator eines Hilfsantriebsmotors kann dann seinen Rotor relativ im rotierenden Bezugssystem erheblich schneller aktivieren und damit dynamisch vorteilhafter betrieben werden. Die für diesen Anwendungsfall erforderliche elektrische Gleichspannung muss sowohl dosierbar als auch mit unterschiedlichen Polaritäten auf das rotierende Teil übertragen werden. Insbesondere bei der Ansteuerung von CAM-Phasern, bei denen der Hilfsaktuator mitrotiert und dessen Drehrichtung je nach Verstellrichtung umgekehrt werden muss, ist es wichtig, eine sekundärseitige Spannung kontaktlos mit unterschiedlichen Polaritäten erzeugen zu können.Also, in the case of a CAM phaser, which needs to transfer the auxiliary power required for a camshaft adjustment to the camshaft usually rotating at half engine speed, an efficient and metered transfer of electrical energy from a stationary part to a moving part is required. A stator of an auxiliary drive motor which rotates with the camshaft rotational speed can then activate its rotor considerably more rapidly in the rotating reference system and can therefore be operated more dynamically in a more advantageous manner. The electrical DC voltage required for this application must be transferred to the rotating part in a metered manner as well as with different polarities. In particular, in the control of CAM phasers, in which the auxiliary actuator co-rotates and the direction of rotation must be reversed depending on the adjustment, it is important to be able to produce a secondary-side voltage contactless with different polarities.

Weiterhin besteht auch bei einem stromerregten Synchronmotor, bei welchem die Stärke des magnetischen Erregerfelds sowie dessen Richtung ohne den Einsatz von Kohlebürsten oder Schleifkontakten auf den rotierenden Teil der Maschine übertragen werden kann, das Bedürfnis nach einer verbesserten elektrischen Versorgung der Magnetisierungsspule. Insbesondere besteht das Bedürfnis, die Erregung stromerregter Synchronmaschinen so zu steuern, dass neben der Erregerleistungsübertragung auch noch eine Kennlinienoptimierung, Feldschwächung, Entmagnetisierung oder Drehrichtungsumkehr ermöglicht werden.Furthermore, even with a current-excited synchronous motor, in which the strength of the magnetic exciter field and its direction can be transmitted without the use of carbon brushes or sliding contacts on the rotating part of the machine, there is a need for an improved electrical supply to the magnetizing coil. In particular, there is a need to control the excitation of current-excited synchronous machines in such a way that, in addition to the exciter power transmission, a characteristic optimization, field weakening, demagnetization or reversal of the direction of rotation is also made possible.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht also darin, eine Übertragungsschaltung zum Übertragen elektrischer Leistung von der Primärseite auf eine Sekundärseite anzugeben, die es ermöglicht, die übertragene Energie bezüglich des Betrags und der Polarität zu dosieren.The object on which the present invention is based, therefore, is to specify a transmission circuit for transmitting electrical power from the primary side to a secondary side, which makes it possible to meter the transmitted energy in terms of magnitude and polarity.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Insbesondere umfasst eine erfindungsgemäße Übertragungsschaltung einen Übertrager mit mindestens einer ersten primärseitigen Wicklung und mindestens einer ersten sekundärseitigen Wicklung, die induktiv miteinander gekoppelt sind. Eine primärseitige Ansteuerschaltung versorgt die primärseitige Wicklung mit einer ersten Eingangswechselspannung, so dass in Antwort auf die erste Eingangswechselspannung eine erste Ausgangswechselspannung induziert wird. Auf der Primärseite ist weiterhin mindestens eine zweite primärseitige Wicklung vorgesehen, die mit der primärseitigen Ansteuerschaltung so verbunden ist, dass eine zweite Eingangswechselspannung auf der Sekundärseite eine zweite Ausgangswechselspannung induziert. Die Übertragungsschaltung besitzt einen ersten und einen zweiten Lastanschluss, mit dem eine Last so verbindbar ist, dass über der Last die Differenz der ersten und zweiten Ausgangswechselspannung anliegt.In particular, a transmission circuit according to the invention comprises a transformer with at least one first primary-side winding and at least one first secondary-side winding, which are inductively coupled together. A primary-side drive circuit supplies the primary-side winding with a first input AC voltage, so that a first AC output voltage is induced in response to the first AC input voltage. At least one second primary-side winding is furthermore provided on the primary side, which winding is connected to the primary-side drive circuit so that a second input AC voltage induces a second AC output voltage on the secondary side. The transmission circuit has a first and a second load connection, with which a load can be connected such that the difference between the first and second output alternating voltage is applied across the load.

Mit dieser Schaltung kann eine autarke dosierbare Energiezufuhr auf die Sekundärseite, insbesondere auf bewegte Teile, in einer Größenordnung von ca. 0 bis 300 W ermöglicht werden. Darüber hinaus kann auf der Sekundärseite die Polarität der erzeugten Spannung gedreht werden, so dass bei Motoren, die sich selbst auf rotierenden Teilen befinden, die Drehrichtung umgekehrt werden kann. Weiterhin sind Schleifringe oder Bürsten für eine leitungsgebundene Leistungsübertragung nicht mehr erforderlich.With this circuit, a self-sufficient metered energy supply to the secondary side, in particular to moving parts, in the order of about 0 to 300 W are possible. In addition, can on the secondary side, the polarity of the voltage generated are rotated so that in motors that are themselves on rotating parts, the direction of rotation can be reversed. Furthermore, slip rings or brushes for a wired power transmission are no longer required.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Ansteuerung der primärseitigen Wicklung durch Einprägen einer symmetrischen Rechteckspannung, deren Pulsweite mit Hilfe einer Pulsweitenmodulationseinheit zum Variieren der übertragenen Leistung einstellbar ist. Die Nutzung der Energie auf der Sekundärseite kann sowohl in Form einer nutzbaren Wechselspannung mit variablem Effektivwert oder aber auch als variable Gleichspannung genutzt werden. Zum Erzeugen einer Gleichspannung weist die Übertragungsschaltung eine erste und zweite sekundärseitige Gleichrichterschaltung auf und zwischen dem ersten und zweiten Lastanschluss liegt in diesem Fall die Differenz der gleichgerichteten ersten und zweiten Ausgangswechselspannungen an.The primary-side winding is advantageously controlled by impressing a symmetrical square-wave voltage whose pulse width can be adjusted by means of a pulse width modulation unit for varying the transmitted power. The use of energy on the secondary side can be used both in the form of a usable AC voltage with variable RMS value or as a variable DC voltage. For generating a DC voltage, the transmission circuit has a first and second secondary-side rectifier circuit and in this case the difference of the rectified first and second output AC voltages is applied between the first and second load connections.

Um definiert eine sekundärseitige Ausgangsspannung zu erzeugen, ist vorzugsweise auf der Primärseite ein Funktionsgenerator vorgesehen, der die benötigte Speisespannung gemäß einem entsprechenden Sollwert für die sekundärseitige Spannung vorgibt. Die vom Funktionsgenerator auszugebende Spannung kann dabei in Form einer einfachen Steuerung durch einen Controller oder aber auch in Form einer geschlossenen Regelschleife mit Rückkopplungssignal von der Sekundärseite erfolgen. Beispielsweise kann der Funktionsgenerator eine Dreieckspannung liefern, deren Verlauf durch eine gewünschte Sollwertspannung auf der Sekundärseite vorgegeben wird.In order to generate a secondary-side output voltage defined, a function generator is preferably provided on the primary side, which specifies the required supply voltage according to a corresponding setpoint for the secondary-side voltage. The voltage to be output by the function generator can take the form of a simple control by a controller or else in the form of a closed control loop with feedback signal from the secondary side. For example, the function generator can supply a delta voltage whose course is predetermined by a desired setpoint voltage on the secondary side.

Weiterhin kann ein Quadrierglied vorgesehen sein, das den Absolutbetrag der Ausgangsspannung des Funktionsgenerators mit sich selbst multipliziert gemäß der Funktion S·|S|. Auf diese Weise wird das Vorzeichen erhalten, die Funktion aber linearisiert.Furthermore, a squaring member may be provided which multiplies the absolute value of the output voltage of the function generator by itself according to the function S · | S |. In this way the sign is preserved, but the function is linearized.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird außerdem auf der Primärseite eine Invertierung des vorzeichenbehaftet quadrierten Signals vorgenommen, so dass die Speisespannung für die erste primärseitige Wicklung aus der nicht invertierten Speisespannung und die Eingangswechselspannung für die zweite Wicklung aus der invertierten Speisespannung abgeleitet ist. Die invertierte und die nicht invertierte Spannung können anschließend auf die Pulsbreitenmodulatoren für den ersten und den zweiten Kanal zugewiesen werden, wobei die Pulsbreitenmodulation nur mit positiven Werten reagiert, wodurch automatisch die Tastverhältnisse der positiven Polarität zur ersten Wicklung und die Tastverhältnisse der negativen Polarität zur zweiten Wicklung geschaltet werden.In addition, according to the present invention, inversion of the signed squared signal is performed on the primary side so that the supply voltage for the first primary-side winding is derived from the non-inverted supply voltage and the input AC voltage for the second winding is derived from the inverted supply voltage. The inverted and non-inverted voltages may then be assigned to the pulse width modulators for the first and second channels, where the pulse width modulation reacts only with positive values, thereby automatically providing the duty cycles of the positive polarity to the first winding and the duty cycles of the negative polarity to the second winding be switched.

Zwei antiparallel geschaltete Transistoren an dem ersten und zweiten Lastanschluss sorgen in vorteilhafter Weise dafür, dass das an den beiden Lastanschlüssen erzeugte stets positive Potential abfließen kann.Two transistors connected in antiparallel to the first and second load connection advantageously ensure that the always positive potential generated at the two load terminals can flow away.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Übertragungsschaltung kommen besonders dann zum Tragen, wenn die Primärseite und die Sekundärseite mit Bezug aufeinander beweglich sind. Beispielsweise kann die vorliegenden Übertragungsschaltung vorteilhaft für einen Rotations- oder Drehtransformator eingesetzt werden.The advantages of the transmission circuit according to the invention come into play especially when the primary side and the secondary side are movable with respect to each other. For example, the present transmission circuit can be advantageously used for a rotary or rotary transformer.

Gemäß einer speziellen Ausführungsform gibt die vorliegende Erfindung weiterhin einen Übertrager zum Übertragen elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite an, bei dem ein primärseitiger Kern eine primärseitige Wicklung trägt, die als Leiterbahn auf einer primärseitigen Leiterplatte ausgebildet ist. Ein sekundärseitiger Kern hat mindestens eine sekundärseitige Wicklung, die ebenfalls als Leiterbahn auf einer sekundärseitigen Leiterplatte ausgebildet ist. Die beiden Kerne stehen einander stirnseitig unter Ausbildung eines Arbeitsluftspalts gegenüber, so dass die primärseitige und die sekundärseitige Wicklung induktiv gekoppelt sind.According to a specific embodiment, the present invention further provides a transformer for transmitting electric power from a primary side to a secondary side, in which a primary side core carries a primary side winding formed as a conductor on a primary side printed circuit board. A secondary-side core has at least one secondary-side winding, which is likewise designed as a conductor track on a secondary-side printed circuit board. The two cores face each other at the front side with the formation of a working air gap, so that the primary-side and the secondary-side winding are inductively coupled.

Erfindungsgemäß sind der primärseitige Kern und der sekundärseitige Kern mit Bezug aufeinander beweglich. Dadurch kann beispielsweise ein Rotationstransformator ausgebildet werden, wie er für die Übertragung von Freilaufaktuierungsimpulsen auf elektrische aktuierte Freiläufe, für die Übertragung von Hilfsenergie im Applikationsfall eines CAM-Phasers oder für die elektrische Versorgung einer Magnetisierungsspule eines stromerregten Synchronmotors benötigt wird.According to the invention, the primary-side core and the secondary-side core are movable with respect to one another. As a result, for example, a rotary transformer can be formed, as it is required for the transmission of freewheeling actuation pulses on electrical aktuierte freewheels, for the transmission of auxiliary energy in the application case of a CAM-phaser or for the electrical supply of a magnetizing coil of a current-excited synchronous motor.

Die Kerne werden dabei üblicherweise aus entsprechend magnetisch leitfähigem Material, wie beispielsweise Ferrit, hergestellt. Das Vorsehen der Wicklungen in Form von Leiterbahnen auf einer Leiterplatte hat den Vorteil, dass der Übertrager auf besonders einfache Weise montiert werden kann und eine besonders platzsparende Raumform ermöglicht. Bei Anlegen einer Eingangswechselspannung wird die auf der bewegten Sekundärseite eingebrachte Wicklung von einem wechselnden magnetischen Fluss durchsetzt und es wird nach den bekannten Induktionsgesetzen in der Wicklung des rotierenden Ferrits eine Ausgangswechselspannung induziert, deren Höhe und übertragbare Leistung von den mechanischen Parametern, wie der Windungszahl in den beiden Ferriten, dem axialen Abstand der Ferrite, der Überlappungsfläche der Ferrite, sowie der Wechselfrequenz des forcierten Magnetflusses abhängt.The cores are usually made of correspondingly magnetically conductive material, such as ferrite. The provision of the windings in the form of printed conductors on a printed circuit board has the advantage that the transformer can be mounted in a particularly simple manner and allows a particularly space-saving spatial form. When applying an input AC voltage, the introduced on the moving secondary winding is penetrated by an alternating magnetic flux and it is according to the known induction laws in the winding of the rotating ferrite induces an output AC voltage whose height and transferable power depends on the mechanical parameters, such as the number of turns in the two ferrites, the axial distance of the ferrites, the overlap area of the ferrite, and the alternating frequency of the forced magnetic flux ,

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine perspektivische Darstellung eines Übertragers gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a perspective view of a transformer according to an advantageous embodiment of the present invention;

2 eine perspektivische Darstellung eines zweiteiligen Ferritkerns, wie er in der Anordnung gemäß 1 eingesetzt ist; 2 a perspective view of a two-part ferrite core, as in the arrangement according to 1 is used;

3 eine perspektivische Darstellung einer Leiterplatte zum Bereitstellen der Wicklungen; 3 a perspective view of a circuit board for providing the windings;

4 eine Seitenansicht des Übertragers der 1; 4 a side view of the transformer of 1 ;

5 eine schematische Darstellung der sekundärseitigen Leiterplatte aus der Anordnung gemäß 1; 5 a schematic representation of the secondary-side circuit board from the arrangement according to 1 ;

6 eine primärseitige Teilschaltung einer Übertragerschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung; 6 a primary side subcircuit of a transformer circuit according to the present invention;

7 eine sekundärseitige Teilschaltung, die mit der primärseitigen Teilschaltung der 6 induktiv gekoppelt ist; 7 a secondary-side subcircuit, with the primary-side subcircuit of the 6 is inductively coupled;

8 eine sekundärseitige Lastbeschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung; 8th a secondary-side load circuit according to the present invention;

9 eine Übersichtsdarstellung einer vorteilhaften Übertragerschaltung; 9 an overview of an advantageous transformer circuit;

10 ein Detail aus 9; 10 a detail from 9 ;

11 eine Übersichtsdarstellung der wichtigsten Signalverläufe bei Verwendung einer Dreiecksspannung als Eingangsfunktion. 11 an overview of the main waveforms when using a triangular voltage as input function.

Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt oder in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal oder Schritt und einem zweiten Merkmal oder Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal (den ersten Schritt) als auch das zweite Merkmal (den zweiten Schritt) und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal (den ersten Schritt) oder nur das zweite Merkmal (den ersten Schritt) aufweist.The same or similar elements may be indicated in the figures with the same or similar reference numerals, wherein a repeated description is omitted. Furthermore, the figures of the drawings, the description and the claims contain numerous features in combination. It is clear to a person skilled in the art that these features are also considered individually or that they can be combined to form further combinations not explicitly described here. Furthermore, the invention is explained in the following description using different dimensions and dimensions, wherein the invention is not limited to these dimensions and dimensions to understand. Furthermore, method steps according to the invention can be repeated or carried out in a sequence other than that described. If an embodiment includes a "and / or" link between a first feature or step and a second feature or step, this may be read so that the embodiment according to one embodiment includes both the first feature (the first step) and the second feature (the second step) and according to another embodiment, either only the first feature (the first step) or only the second feature (the first step).

1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung einen Übertrager 100 zum Übertragen elektrischer Leistung von einer Primärseite zu einer Sekundärseite. 1 shows in a perspective view a transformer 100 for transmitting electrical power from a primary side to a secondary side.

Der Übertrager 100 umfasst dabei eine Primärseite 102 und eine Sekundärseite 104. Auf der Primärseite 102 ist ein primärseitiger Kern 106 vorgesehen, der aus einem magnetisch leitfähigen Material, wie beispielsweise Ferrit, hergestellt ist. Auf der Sekundärseite 104 ist ein sekundärseitiger Kern 108 angeordnet, der vorzugsweise ebenfalls aus Ferrit hergestellt ist. Weiterhin sind primärseitige und sekundärseitige Wicklungen vorgesehen, die erfindungsgemäß als gedruckte Leiterbahnen in Form einer primärseitigen und sekundärseitigen Leiterplatte 110, bzw. 112, vorliegen. Die primärseitige wie auch die sekundärseitige Leiterplatte 110, 112 kann beispielsweise durch eine Mehrlagenleiterplatte aus einem Epoxymaterial gebildet sein. Alternativ kann aber auch ein keramisches oder aber auch ein flexibles Leiterplattenmaterial in Frage kommen.The transformer 100 includes a primary page 102 and a secondary side 104 , On the primary side 102 is a primary-sided core 106 provided, which is made of a magnetically conductive material, such as ferrite. On the secondary side 104 is a secondary-sided core 108 arranged, which is preferably also made of ferrite. Furthermore, primary-side and secondary-side windings are provided, which according to the invention as printed conductor tracks in the form of a primary-side and secondary-side printed circuit board 110 , respectively. 112 , present. The primary-side as well as the secondary-side circuit board 110 . 112 may be formed, for example, by a multilayer printed circuit board of an epoxy material. Alternatively, however, a ceramic or even a flexible printed circuit board material can be considered.

Bei Beaufschlagung der primärseitigen Wicklung mit einer entsprechenden Wechselspannung wird ein Magnetfeld erzeugt, das durch die beiden Kerne 106 und 108 geführt wird und in der sekundärseitigen Wicklung eine induzierte Spannung erzeugt. Sieht man nun vor, dass sich die primärseitigen Komponenten mit Bezug auf die sekundärseitigen Komponenten bewegen können, insbesondere dadurch, dass der sekundärseitige Kern 108 mit der sekundärseitigen Leiterplatte 112 drehbar mit Bezug auf die Primärseite angeordnet sind, so kann von der feststehenden Primärseite Energie auf die bewegte Sekundärseite übertragen werden, ohne störanfällige Bauteile wie Schleifringe oder Kohlebürsten vorsehen zu müssen. Die Stirnseiten der beiden Kerne 106 und 108 stehen sich dabei unter Bildung eines Arbeitsluftspalts gegenüber. When the primary-side winding is subjected to a corresponding alternating voltage, a magnetic field is generated by the two cores 106 and 108 is guided and generates an induced voltage in the secondary-side winding. If one now envisages that the primary-side components can move with respect to the secondary-side components, in particular by virtue of the fact that the secondary-side core 108 with the secondary-side circuit board 112 are arranged rotatable with respect to the primary side, it can be transmitted from the fixed primary side energy to the moving secondary side without having to provide susceptible components such as slip rings or carbon brushes. The front sides of the two cores 106 and 108 stand opposite each other with the formation of a working air gap.

In der vorliegenden Ausführungsform weist der Übertrager 100 zwei separate konzentrisch angeordnete Übertragereinheiten auf, wobei die jeweiligen Wicklungen auf der gemeinsamen primärseitigen bzw. sekundärseitigen Leiterplatte 102, 104 untergebracht sind und für jede Übertragereinheit ein getrennter ringförmiger Kern 108a, 108b vorgesehen ist. Dadurch, dass die konzentrisch ineinander angeordneten Kerne 108a, 108b durch die gemeinsame Leiterplatte 112 zusammengehalten werden, ist eine besonders einfache und effiziente Montierbarkeit und sichere Positionierung der Kerne in Bezug aufeinander sichergestellt.In the present embodiment, the transformer 100 two separate concentrically arranged transmission units, wherein the respective windings on the common primary or secondary side printed circuit board 102 . 104 are housed and for each transmitter unit a separate annular core 108a . 108b is provided. Because of the concentric nested cores 108a . 108b through the common circuit board 112 are held together, a particularly simple and efficient mountability and secure positioning of the cores is ensured in relation to each other.

Der primärseitige Kern 106 ist in dieser speziellen Ausführungsform analog zu dem sekundärseitigen Kern 108 ebenfalls zweiteilig ausgebildet. Auch auf der Primärseite 102 hält die Leiterplatte 110 die beiden Kerne zusammen.The primary-side core 106 is analogous to the secondary side core in this particular embodiment 108 also formed in two parts. Also on the primary side 102 holds the circuit board 110 the two cores together.

In vorteilhafter Weise tragen die Leiterplatten 110, 112 neben den Wicklungen des eigentlichen Transformators auch die für die jeweilige Seite benötigten weiteren Bauelemente. Der Arbeitsluftspalt, der in 4 deutlicher erkennbar ist, hat eine Abmessung von beispielsweise ca. 0,25 mm. Wie dies nach den physikalischen Gesetzen grundsätzlich bekannt ist, wird durch den wechselnden Stromfluss in der primärseitigen Wicklung ein wechselnder magnetischer Fluss über den freien Luftspalt und die Begegnungsfläche hinweg die auf der bewegten Seite eingebrachte sekundärseitige Wicklung von einem wechselnden magnetischen Fluss durchsetzt und es wird nach den bekannten Gesetzen eine entsprechende Spannung induziert. Die Höhe dieser Spannung sowie die übertragbare Leistung hängt von verschiedenen Parametern, wie der Windungszahl der primärseitigen und sekundärseitigen Wicklungen, dem axialen Abstand der beiden Ferritkerne, der Überlappungsfläche der Ferrite sowie der Wechselfrequenz des magnetisch forcierten Flusses, ab.Advantageously, the circuit boards carry 110 . 112 In addition to the windings of the actual transformer and the other components required for each page. The working air gap in 4 is clearly recognizable, has a dimension of, for example, about 0.25 mm. As is known in principle according to the physical laws, the changing current flow in the primary-side winding, an alternating magnetic flux across the free air gap and the meeting area on the moving side introduced secondary side winding of an alternating magnetic flux passes through and it is after the known laws induced a corresponding voltage. The magnitude of this voltage as well as the transmittable power depends on various parameters, such as the number of turns of the primary and secondary windings, the axial distance between the two ferrite cores, the overlap area of the ferrites, and the alternating frequency of the magnetically forced flow.

Neben der einfachen und exakten Montierbarkeit aller Komponenten mit Bezug auf einander ist ein weiterer Vorteil die sehr geringe Bauhöhe des Übertragers 100, was insbesondere wichtig für die beengten Verhältnisse in einer Motoranordnung ist.In addition to the simple and exact mountability of all components with respect to each other is another advantage of the very low height of the transformer 100 , which is particularly important for the cramped conditions in a motor assembly.

Um die Übersichtlichkeit der Darstellung zu gewährleisten, sind in den 1 und 4 die erforderliche Verdrahtung und die Anschlüsse nach außen nicht gezeigt.To ensure the clarity of the presentation, are in the 1 and 4 the required wiring and the connections to the outside are not shown.

2 zeigt um 180° gedreht den primärseitigen Kern 106 aus 1. Wie aus dieser Darstellung erkennbar, setzt sich auch der primärseitige Kern 106 aus zwei konzentrisch ineinander angeordneten ringförmigen Kernen 106a und 106b zusammen. Die beiden völlig separaten Einzelkernen 106a, 106b werden durch die primärseitige Leiterplatte 110 zusammengehalten. Die erste und zweite primärseitige Wicklung sind dabei in Nuten 114 aufgenommen, die durch eine Vielzahl von Jochbereichen 116 gebildet werden. Die Jochbereiche sind so ausgeführt, dass sie den durch die jeweiligen Wicklungen verursachten magnetischen Fluss auf die Sekundärseite zum gegenüberliegenden Kern 108 führen. Die Jochbereiche sind dabei jeweils durch symmetrisch angeordnete Unterbrechungen 118 voneinander getrennt. Diese Unterbrechungen 118 erlauben es, dass die Leiterplatte 110, 112 nicht geteilt werden muss. Da die Unterbrechungen in radialer Richtung nur einen relativ geringen Anteil der jeweiligen Jochbereiche ausmachen, ist der Effekt auf die Magnetflussführung vernachlässigbar. 2 shows rotated by 180 ° the primary-side core 106 out 1 , As can be seen from this presentation, the primary-side core is also established 106 of two concentric nested annular cores 106a and 106b together. The two completely separate single cores 106a . 106b be through the primary-side circuit board 110 held together. The first and second primary side windings are in grooves 114 picked up by a variety of yoke areas 116 be formed. The yoke portions are designed to match the magnetic flux caused by the respective windings to the secondary side to the opposite core 108 to lead. The yoke areas are in each case by symmetrically arranged interruptions 118 separated from each other. These interruptions 118 allow it, that the circuit board 110 . 112 does not have to be shared. Since the interruptions in the radial direction make up only a relatively small proportion of the respective yoke regions, the effect on the magnetic flux guidance is negligible.

Jeder der Jochbereiche 116 besitzt eine plane Stirnfläche 120, die zusammen mit der entsprechenden gegenüberliegenden Stirnfläche an dem sekundärseitigen Kern 108 den Arbeitsluftspalt definiert.Each of the yoke areas 116 has a flat face 120 , which together with the corresponding opposite end face on the secondary side core 108 defines the working air gap.

Jedem der beiden Teilkerne 106a, 106b ist auf der Leiterplatte entsprechend eine Wicklung zugeordnet. Aufgrund der Trennung und der Führung der Magnetfeldlinien durch die sich in axialer Richtung erstreckenden Jochbereiche 116 können störende Beeinflussungen der radial beabstandeten Wicklungen aufeinander weitestgehend vermieden werden.Each of the two sub-nuclei 106a . 106b is associated with a corresponding winding on the circuit board. Due to the separation and the guidance of the magnetic field lines through the yoke regions extending in the axial direction 116 disturbing influences of the radially spaced windings can be largely avoided each other.

3 zeigt die zu der Kernanordnung aus 2 gehörige primärseitige Leiterplatte 110 in perspektivischer Ansicht. Die sekundärseitige Leiterplatte 112 ist analog aufgebaut. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die primärseitige Leiterplatte 110 als Multilayer Printed Circuit Board aufgebaut, wie dies aus der Aufbau- und Verbindungstechnik geläufig ist. Die einzelnen Wicklungen sind in den konzentrisch angeordneten Wicklungsbereichen 122, 124 in verschiedenen Schichten der Mehrlagenverdrahtung angeordnet. Der erste und der zweite Wicklungsbereich 122, 124 entsprechen jeweils den Nuten an dem zugehörigen primärseitigen Kern 106. Eine Vielzahl von Öffnungen 126 ist vorgesehen, damit die Jochbereiche 116 durch die Leiterplatte 110 hindurchtauchen können und die Wicklungen entsprechend in den Nuten untergebracht sind. 3 shows that to the core arrangement 2 associated primary-side circuit board 110 in perspective view. The secondary-side circuit board 112 is constructed analogously. According to an advantageous Embodiment is the primary-side circuit board 110 constructed as a multilayer printed circuit board, as is familiar from the construction and connection technology. The individual windings are in the concentrically arranged winding areas 122 . 124 arranged in different layers of multilayer wiring. The first and the second winding area 122 . 124 correspond respectively to the grooves on the associated primary-side core 106 , A variety of openings 126 is provided so that the yoke areas 116 through the circuit board 110 can dive through and the windings are accommodated in the grooves accordingly.

Die primärseitige und die sekundärseitige Leiterplatte 110, 112 können durch ein- oder mehrlagige gedruckte Leiterplatten (Printed Cricuit Boards, PCB) gebildet sein, die geätzte und laminierte Leiterbahnen in elektrisch isolierenden Substraten aufweisen. Neben den gegebenenfalls mehrlagig aufgebauten Verdrahtungsebenen kann die jeweilige Leiterplatte auch diverse weitere Komponenten, wie Widerstände oder Kondensatoren, in integrierter Form beinhalten. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Bauhöhe extrem minimiert werden muss. Ansonsten können die zusätzlichen Bauteile auf Oberflächenmontageplätzen, z. B. in einem Mittenbereich der Leiterplatte angeordnet werden und beispielsweise über Lötverbindungen oder Pressfit-Verbindungen elektrisch kontaktiert werden.The primary-side and the secondary-side circuit board 110 . 112 may be formed by single or multi-layer Printed Circuit Boards (PCB) having etched and laminated traces in electrically insulating substrates. In addition to the possibly multi-layered wiring levels, the respective printed circuit board may also contain various other components, such as resistors or capacitors, in integrated form. This is particularly advantageous when the height must be extremely minimized. Otherwise, the additional components on surface mounting places, z. B. are arranged in a central region of the circuit board and electrically contacted, for example, via solder joints or Pressfit connections.

4 zeigt eine Draufsicht auf die primärseitige Leiterplatte 110 mit einer schematischen Darstellung der darin integrierten Elemente. Insbesondere ist in 4 die erste primärseitige Wicklung 128 dargestellt, die im vollständig montierten Zustand in der Nut des ersten sekundärseitigen Kerns 106a aufgenommen ist. Zwei Kondensatoren C1, C2 und zwei Transistoren T1 und T2, die schematisch dargestellt sind, befinden sich auf der obersten Schicht und mit dem Bezugszeichen 130 ist der Anschluss der Wicklung bezeichnend, der nach oben in die oberste Schicht geführt ist und mit den auf den oberen Bereich der Leiterplatte 110 montierten Bauelementen verbunden ist. 4 shows a plan view of the primary-side circuit board 110 with a schematic representation of the elements integrated therein. In particular, in 4 the first primary-side winding 128 shown in the fully assembled state in the groove of the first secondary side core 106a is included. Two capacitors C1, C2 and two transistors T1 and T2, which are shown schematically, are located on the uppermost layer and by the reference numeral 130 is the connection of the winding, which is guided upwards in the uppermost layer and with the on the upper portion of the circuit board 110 mounted components is connected.

Der Anschluss 130 stellt ein Via dar, das durch die gesamte Leiterplatte hinunter in die unterste Verdrahtungsebene geführt ist. In dem gezeigten Beispiel handelt es bei der primärseitigen Leiterplatte 110 sich um einen vierlagigen gedruckten Schaltungsträger. Das Bezugszeichen 132 bezeichnet den Durchstieg auf die Verdrahtungsebene 3 und das Bezugszeichen 134 den Durchstieg auf die Ebene 2. In der zweiten Ebene sind nochmals Windungen wie auf der obersten Ebene angeordnet. Bezugszeichen 136 zeigt den Durchstieg auf die Ebene 4.The connection 130 represents a via that is routed through the entire circuit board down to the lowest wiring level. In the example shown, it is the primary-side circuit board 110 around a four-layer printed circuit board. The reference number 132 denotes the passage to the wiring level 3 and the reference numeral 134 the passage on level 2. In the second level, turns are again arranged as on the top level. reference numeral 136 shows the access to the level 4.

Nicht dargestellt sind in 4 die Verbindungen, die nach außen geführt werden müssen, um die Speisespannung zuzuführen. Weiterhin ist anzumerken, dass die Verdrahtung der zweiten primärseitigen Wicklung analog in dem zweiten Wicklungsbereich 124 ausgeführt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde diese Wicklung in der vorliegenden Zeichnung nicht dargestellt. Die Anzahl der Windungen kann beliebig variiert werden, je nach den speziellen Erfordernissen. Die sekundärseitige Leiterplatte 112 ist analog aufgebaut, hat aber entsprechend den gewünschten Übersetzungsverhältnissen gegebenenfalls andere Windungszahlen und entweder gleich viele oder unterschiedlich viele Schichten.Not shown in 4 the connections that must be led to the outside to supply the supply voltage. It should also be noted that the wiring of the second primary-side winding is analogous in the second winding region 124 is executed. For clarity, this winding was not shown in the present drawing. The number of turns can be varied as desired, depending on the specific requirements. The secondary-side circuit board 112 is constructed analogously, but according to the desired gear ratios, if necessary, other numbers of turns and either the same number or different layers.

5 zeigt nochmals in der Übersicht eine Seitenansicht des Übertragers 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. In der hier dargestellten Variante unterscheiden sich der primärseitige Kern 106 und der sekundärseitige Kern 108 in ihren Durchmessern bezüglich der Jochbereiche. Selbstverständlich können aber auch exakt gleichartige primärseitige und sekundärseitige Kerne 108, 110 verwendet werden. Der Arbeitsluftspalt 138, der zwischen den Stirnflächen der jeweiligen Jochbereiche 116, 117 gebildet ist, beträgt, wie bereits erwähnt, beispielsweise ca. 250 μm. 5 again shows in the overview a side view of the transformer 100 according to the present invention. In the variant shown here, the primary-side core differ 106 and the secondary-side core 108 in their diameters with respect to the yoke areas. Of course, however, it is also possible to use exactly identical primary-side and secondary-side cores 108 . 110 be used. The working air gap 138 that is between the end faces of the respective yoke areas 116 . 117 is formed, as already mentioned, for example, about 250 microns.

Mit Bezug auf die 6 bis 11 wird nachfolgend ein Schaltungskonzept beschrieben, das vorteilhaft mit dem erfindungsgemäßen Übertrager eingesetzt werden kann. Es ist aber hervorzuheben, dass die nachfolgend beschriebenen Schaltungsanordnungen neben der bisher gezeigten Variante mit einer axial induktiven Kopplung auch mit Systemen eingesetzt werden können, bei denen die Flussänderung in radialer Richtung wirkt.With reference to the 6 to 11 a circuit concept is described below, which can be advantageously used with the transformer according to the invention. However, it should be emphasized that the circuit arrangements described below, in addition to the previously shown variant with an axially inductive coupling, can also be used with systems in which the flux change acts in the radial direction.

Für eine effektive Ansteuerung des in den 1 bis 5 beschriebenen Übertragers erfolgt eine Einprägung einer symmetrischen Rechteckspannung dergestalt, dass innerhalb einer festen Periodendauer T ein positiver Spannungsimpuls der Länge T_P mit der Höhe U achsensymmetrisch über dem Zeitpunkt ¼T erzeugt wird. Innerhalb desselben Abschnitts T wird ein negativer Spannungsimpuls –U mit der Länge Länge T_P und der Höhe –U achsensymmetrisch über dem Zeitpunkt ¾T erzeugt. Durch Variation der Pulslänge T_P in dem Bereich zwischen 0 < T_P < ½T lässt sich die zu übertragende Leistung auf die Sekundärseite zwischen 0 und Pmax variieren. Eine vorteilhafte Schaltung, welche eine derartige in der Pulsbreite variable Rechteckspannung für die Primärwicklung bereitstellt, ist in 6 dargestellt.For an effective control of the in the 1 to 5 An impressing of a symmetrical square-wave voltage takes place in such a way that within a fixed period T a positive voltage pulse of the length T _P with the height U is generated axis symmetrically above the instant ¼T. Within the same section T, a negative voltage pulse -U of length T _P and height -U is generated axisymmetrically above time ¾T. By varying the pulse length T _P in the range between 0 <T _P <½T, the power to be transmitted to the secondary side between 0 and Pmax can be varied. An advantageous circuit which provides such a variable in the pulse width square wave voltage for the primary winding is in 6 shown.

6 zeigt dabei in der Übersicht die vollständige Übertragerschaltung 140 gemäß einer speziellen vorteilhaften Ausführungsform. Die Übertragerschaltung beinhaltet die voneinander galvanisch getrennten, induktiv gekoppelten Primärseiten 102 und Sekundärseite 104. In der gezeigten Ausführungsform sind jeweils zwei primärseitige Wicklungen 128 und 129 sowie damit induktiv gekoppelte sekundärseitige Wicklungen 142, 144 vorgesehen. 6 shows in the overview the complete transformer circuit 140 according to a special advantageous embodiment. The transformer circuit includes the mutually galvanically isolated, inductively coupled primary sides 102 and secondary side 104 , In the embodiment shown, two primary windings are in each case 128 and 129 as well as inductively coupled secondary-side windings 142 . 144 intended.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Komponenten der Sekundärseite 104 beweglich und insbesondere drehbar mit Bezug auf die Komponenten der Primärseite 102 gelagert. Die Doppelübertrageranordnung umfassend die primärseitigen Wicklungen 128, 129 und die sekundärseitigen Wicklungen 142, 144 kann dabei in vorteilhafter Weise durch einen Übertrager 100 gemäß 1 realisiert werden. In diesem Fall können die jeweiligen primärseitigen und sekundärseitigen Beschaltungen auf den primärseitigen bzw. sekundärseitigen Leiterplatten 110, 112 aufgebaut werden. Passive Komponenten, wie Widerstände oder Kondensatoren, können dabei unter Verwendung einer Mehrschichtleiterplatte innerhalb der Leiterplatte integriert ausgebildet sein.According to an advantageous embodiment, the components of the secondary side 104 movable and in particular rotatable with respect to the components of the primary side 102 stored. The double transformer arrangement comprising the primary-side windings 128 . 129 and the secondary windings 142 . 144 can in an advantageous manner by a transformer 100 according to 1 will be realized. In this case, the respective primary-side and secondary-side circuits on the primary-side and secondary-side circuit boards, respectively 110 . 112 being constructed. Passive components, such as resistors or capacitors, can be formed integrally using a multilayer printed circuit board within the printed circuit board.

Auf der Sekundärseite 104 weist die Übertragungsschaltung 140 erste und zweite Lastanschlüsse 146 bzw. 148 auf, die mit den Buchstaben A und B bezeichnet sind. Der in 6 eingezeichnete Lastwiderstand R1 steht als Symbol für eine allgemeine Belastung der Übertragerschaltung 140 und kann einen Motor, eine Erregerwicklung, einen Elektromagnet oder eine sonstige beliebige Last symbolisieren.On the secondary side 104 has the transmission circuit 140 first and second load connections 146 respectively. 148 on, which are designated by the letters A and B. The in 6 drawn load resistance R1 stands as a symbol for a general load of the transformer circuit 140 and may symbolize a motor, a field winding, an electromagnet or any other load.

Wie in 7 als Detail für die Ansteuerung der zweiten primärseitigen Wicklung als Detail gezeigt, wird, um eine Übertragersättigung zu vermeiden, eine gleichspannungsfreie Ansteuerung der Primärseite durch eine Halbbrückenschaltung mit kapazitivem Mittelpunkt realisiert. Unabhängig von der Art der Primäransteuerung kann man so die Größe der induzierten effektiven Spannung der Sekundärseite steuern. Durch die Ansteuerung der Transistoren MOS3 und MOS4 mit einem invertierten Rechtecksignal kann eine variable mittelwertverschwindende Durchflutung der Primärseite gesichert werden. Die Ansteuerung der ersten primärseitigen Wicklung 128 wird, wie aus 6 hervorgeht, analog zu der Ansteuerung der zweiten primärseitigen Wicklung 129 durchgeführt.As in 7 is shown as a detail for the control of the second primary-side winding as a detail, in order to avoid transformer saturation, a DC voltage-free control of the primary side realized by a half-bridge circuit with a capacitive center. Regardless of the type of primary control, it is thus possible to control the magnitude of the secondary side induced effective voltage. By controlling the transistors MOS3 and MOS4 with an inverted rectangular signal, a variable mean-value-passing through the primary side can be ensured. The control of the first primary-side winding 128 is how out 6 shows, analogous to the control of the second primary-side winding 129 carried out.

8 zeigt als Detail die zugehörige sekundärseitige Wicklung 144 und eine damit verbundene Gleichrichterschaltung. Versieht man die Sekundärseite mit einer solchen Gleichrichterschaltung D7, D8, D9, D10, ist es möglich, die Höhe der Gleichspannung auf der Sekundärseite mit Hilfe der Variation einer Pulsbreite auf der Primärseite zu steuern. Dabei ist die maximale Gleichspannung erreicht, wenn das Tastverhältnis der Primärspannung genau 50% ist. 8th shows as a detail the associated secondary-side winding 144 and a rectifier circuit connected thereto. By providing the secondary side with such a rectifier circuit D7, D8, D9, D10, it is possible to control the level of the DC voltage on the secondary side by means of the variation of a pulse width on the primary side. The maximum DC voltage is reached when the duty cycle of the primary voltage is exactly 50%.

Ist das Tastverhältnis 0, so ist auch die sekundärseitige Gleichspannung 0. Der Kennlinienverlauf für den Zusammenhang zwischen dem primärseitigen Tastverhältnis und der sekundärseitigen Gleichspannung ist nicht linear und gehorcht in etwa der in Gleichung (1) gegebenen empirisch ermittelten Funktion.If the duty cycle is 0, then the secondary-side DC voltage is 0. The characteristic curve for the relationship between the primary-side duty cycle and the secondary-side DC voltage is not linear and obeys approximately the empirically determined function given in equation (1).

Der Kondensator C8 wirkt in Verbindung mit der Diodenbrücke D7, D8, D9. D10 als Clamping-Unterstützung und führt außerdem zu einer 1,5-fachen DC-Spannungserhöhung. Die verwendete Gleichrichterschaltung wird also zu einer sich addierenden Kombination eines Flusswandlers bezüglich der normalen Diodenbrücke mit einem Sperrwandler zur Entladung der Trafostreuinduktivität.The capacitor C8 acts in conjunction with the diode bridge D7, D8, D9. D10 as a clamping support and also leads to a 1.5-fold DC voltage increase. The rectifier circuit used thus becomes an adding combination of a flux transformer with respect to the normal diode bridge with a flyback converter for discharging the transformer leakage inductance.

Da die Ansteuerung der Primärseite mittels eines Mikrocontrollers erfolgt, kann die inverse Funktion des Zusammenhangs gemäß Gleichung (1) leicht tabelliert werden, so dass sich ein eindeutiger und präziser Zusammenhang für die auf der Sekundärseite erzeugte Gleichspannung ergibt.Since the control of the primary side by means of a microcontroller, the inverse function of the relationship according to equation (1) can be easily tabulated, so that there is a clear and precise relationship for the DC voltage generated on the secondary side.

In 7 ist die Primäransteuerung eines Teiltrafos gezeigt. Dabei symbolisieren die Pfeile 150 die Ansteuerimpulse mit dem gewünschten Tastverhältnis zur Steuerung der erhöhten Gleichspannung auf der Sekundärseite.In 7 the primary control of a sub-transformer is shown. The arrows symbolize 150 the drive pulses with the desired duty cycle for controlling the increased DC voltage on the secondary side.

8 zeigt die sekundärseitige Gleichrichtung als Detail aus 6. Die variable Gleichspannung liegt über dem Kondensator C5 an und ist je nach dem primärseitigen Tastverhältnis auf Werte zwischen 0 und U_max einstellbar. 8th shows secondary rectification as detail 6 , The variable DC voltage is applied across the capacitor C5 and is adjustable to values between 0 and U _max depending on the primary-side duty cycle.

Betreibt man nun, wie dies in 6 gezeigt ist, zwei Teilübertragerschaltungen mit zwei getrennten Übertragern, die auch eine speziell aufeinander jeweilige Ansteuerung besitzen, so ist es möglich, zwei unterschiedliche Werte für die Seiten A und B vorzugeben. Zwischen den Seiten A und B ist der Widerstand R1 stellvertretend für Applikationen wie Motor, Erregerwicklung, Aktuator order dergleichen, zwischen die Lastanschlüsse 146, 148 geschaltet. Do you operate now, as in 6 2, two sub-transformer circuits with two separate transformers, which also have a drive which is specifically dependent on one another, it is possible to specify two different values for the sides A and B. Between the sides A and B, the resistor R1 is representative of applications such as motor, excitation winding, actuator or the like, between the load terminals 146 . 148 connected.

Weiterhin sind die Lastanschlüsse mit zwei antiparallel verschalteten Transistoren verbunden, wie dies im Detail nochmals in der 9 dargestellt ist. Dieser erste und zweite Ausgangstransistor 152, 154 sorgen dafür, dass das von den Punkten A oder B erzeugte, stets positive Potential abfließen kann. Die Stromrichtung durch den Widerstand R1 ist positiv, wenn an dem Punkt A ein Positives Potential und an dem Punkt B ein Nullpotential vorliegt. Entsprechend drehen sich die Verhältnisse um, wenn die Potentialausgabe umgekehrt wird. Das jeweilige Potential an den Ausgangsanschlüssen 146, 148 kann über die entsprechende Software vorgegeben werden.Furthermore, the load terminals are connected to two transistors connected in antiparallel, as shown in detail in the 9 is shown. This first and second output transistor 152 . 154 ensure that the positive potential generated by points A or B can flow away. The current direction through the resistor R1 is positive if there is a positive potential at the point A and a zero potential at the point B. Accordingly, the ratios are reversed when the potential output is reversed. The respective potential at the output terminals 146 . 148 can be specified via the appropriate software.

10 zeigt nochmals in einer Detailansicht die Komponenten zur Erzeugung der an den MOSFETs MOS1 bis MOS4 benötigten Rechteckimpulsen 150. Insbesondere wird beispielsweise durch den Funktionsgenerator 156 eine Dreiecksfunktion vorgegeben, die in Antwort auf den Sollwert der DC-Spannung über den Widerstand R1 an der Sekundärseite festgelegt wird. Ein Multiplikationsglied 158 quadriert mit Hilfe der Operation S·|S| die Funktion für eine verbesserte Linearisierung, behält aber das Vorzeichen bei. Mit Hilfe eines Inversionsglieds 160 und einer Pulsbreitenmodulationseinheit 162 werden die für die Kanäle A und B erforderlichen Pulssignale gebildet. Insbesondere reagiert das Zuweisen auf die Pulsbreitenmodulatoren PWM1 und PWM2 für die beiden Kanäle nur mit positiven Werten, so dass automatisch die Tastverhältnisse der positiven Polarität auf Kanal A und die Tastverhältnisse der negativen Polarität auf Kanal B geschaltet werden. Die Reduzierung auf die maximal halbe Aussteuerung ist funktionell gesichert, da ein Überaussteuern der Einschaltzeit T_ON im Bereich von 0,5 bis 1 die sekundärseitige Gleichspannung der zugehörigen Seite entsprechend wieder reduzieren würde. PWM-Modulatoren mit negativen Eingängen pulsen nicht und geben ein statisches Signal von 1 aus, so dass der jeweilige Kanal inaktiv ist und somit die entsprechende Sekundärspannung 0 ist. 10 shows again in a detailed view the components for generating the square-wave pulses required at the MOSFETs MOS1 to MOS4 150 , In particular, for example, by the function generator 156 given a triangular function, which is set in response to the setpoint of the DC voltage across the resistor R1 on the secondary side. A multiplier 158 squared using the operation S · | S | the function for improved linearization, but retains the sign. With the help of an inversion member 160 and a pulse width modulation unit 162 For example, the pulse signals required for channels A and B are formed. In particular, the assignment to the pulse width modulators PWM1 and PWM2 for the two channels only reacts with positive values, so that the duty cycles of the positive polarity on channel A and the duty cycles of the negative polarity on channel B are automatically switched. The reduction to the maximum half modulation is functionally ensured, since over-controlling the on-time T _ON in the range of 0.5 to 1 would correspondingly reduce the secondary-side direct voltage of the associated side again. PWM modulators with negative inputs do not pulse and output a static signal of 1, so that the respective channel is inactive and thus the corresponding secondary voltage is 0.

Die in den 6 und 10 gezeigten Komponenten NPG1...NPG4 stellen Simulationskonverter dar, die ein mathematisches Signal (hier das erforderliche errechnete Pulsbreitensignal), welches am Eingang des jeweiligen Simulationskonverters anliegt, in ein entsprechendes elektrisches massebezogenes Signal zur Ansteuerung eines Transistors umzuwandeln, damit es danach in der entsprechenden elektrischen Domäne weiteverarbeitet werden kann.The in the 6 and 10 shown components NPG1 ... NPG4 represent simulation converter, which convert a mathematical signal (here the required calculated pulse width signal), which is present at the input of the respective simulation converter, in a corresponding electrical ground-referenced signal for driving a transistor so that it then in the corresponding electrical Domain can be processed.

Technisch gesehen kann ein solches Element in Form eines Treiber-IC's realisiert werden, der zwischen dem Mikrocontroller-Ausgang, an dem die PWM-Signale in digitaler Form ausgegeben werden, und dem zugehörigen Leistungstransistor, der dieses Signal zu schalten hat, angeordnet ist.Technically, such an element can be realized in the form of a driver IC which is arranged between the microcontroller output on which the PWM signals are output in digital form and the associated power transistor which has to switch this signal.

Beispielsweise verwendet man hierfür einen Gate-Driver-IC, dessen Wirkungsweise die Funktion der Schaltung jedoch nicht funktionsrelevant ändert.For example, this one uses a gate driver IC, the operation of which does not change the function of the circuit functionally relevant.

Ein simulierter Signalverlauf für die Schaltungsanordnung gemäß 6 ist in 11 gezeigt. Die Kurve 164 bedeutet dabei die von dem Funktionsgenerator 156 vorgegebene Dreiecksfunktion. Entsprechend ergibt sich die mit 166 bezeichnete Kurve für die erzeugte Sekundärspannung. Die Sekundärspannung 166 folgt dem von der Software vorgegebenen Verlauf der Sollkurve 164 mit dem Wurzelzusammenhang gemäß Gleichung (1). Separat hierzu ist als Kurve 168 die Spannung des Lastanschlusses A gezeigt. Die Kurven 170 und 172 zeigen jeweils die Primärpulsung der Kanäle A und B. Es ist erkennbar, dass, immer wenn eine Kanalseite aktiv ist, die andere statisch inaktiv ist und so das zugehörige Sekundärspannungspotential auf 0 hält.A simulated waveform for the circuit according to 6 is in 11 shown. The curve 164 means that of the function generator 156 predetermined triangular function. Accordingly, the results with 166 designated curve for the generated secondary voltage. The secondary voltage 166 follows the course of the setpoint curve specified by the software 164 with the root relationship according to equation (1). Separately this is called a curve 168 the voltage of the load terminal A shown. The curves 170 and 172 each show the primary pulsation of the channels A and B. It can be seen that whenever one channel side is active, the other is statically inactive, thus keeping the associated secondary voltage potential at zero.

Durch das erfindungsgemäße Prinzip einer kombinierten Hardware mit Softwareansteuerung wird ein problemloser auf der Sekundärseite erzwungener Kurzschluss an der Sinkseite der Last ermöglicht und dadurch eine Polaritätsumkehr erzielt. In diesem Kurzschluss entladen sich der durch z. B. von dem Lastanschluss A kommende Laststrom sowie ein aus der Nullquelle B kommender gefahrloser und nur unerheblich großer Teilstrom. Bezugszeichenliste: Bezugsziffer Beschreibung 100 Übertrager 102 Primärseite 104 Sekundärseite 106 primärseitiger Kern 106a, 106b primärseitige Teilkerne 108 sekundärseitiger Kern 108a, 108b sekundärseitige Teilkerne 110 primärseitige Leiterplatte 112 sekundärseitige Leiterplatte 114 Nut für Wicklung 116 Jochbereich (primärseitig) 117 sekundärseitiger Jochbereich 118 Unterbrechung 120 Stirnfläche 122 erster Wicklungsbereich 124 zweiter Wicklungsbereich 126 Öffnungen in der Leiterplatte 128 erste primärseitige Wicklung 129 zweite primärseitige Wicklung 130 Anschluss zur untersten Schicht 132 Durchstieg auf Ebene 3 134 Durchstieg auf Ebene 2 136 Durchstieg auf Ebene 4 138 Arbeitsluftspalt 140 Übertragungsschaltung 142 erste sekundärseitige Wicklung 144 zweite sekundärseitige Wicklung 146 erster Lastanschluss 148 zweiter Lastanschluss 150 Pfeile als Symbol für Impulse 152 erster Ausgangstransistor 154 zweiter Ausgangstransistor 156 Funktionsgenerator 158 Multiplikationsglied 160 Inversionsglied 162 Pulsbreitenmodulationseinheit 164 Dreieckfunktion 166 Sekundärspannung 168 Spannung an Lastanschluss A 170 primäre Pulsung Kanal A 172 primäre Pulsung Kanal B The inventive principle of a combined hardware with software control enables a problem-free short-circuit on the side of the load which is forced on the secondary side, thereby achieving a polarity reversal. In this short circuit, the discharged by z. B. coming from the load terminal A load current and coming from the zero source B safe and only insignificantly large partial flow. LIST OF REFERENCE NUMBERS numeral description 100 exchangers 102 primary 104 secondary side 106 primary-side core 106a . 106b primary-sided partial cores 108 secondary-sided core 108a . 108b secondary-sided partial cores 110 primary-side printed circuit board 112 secondary side printed circuit board 114 Groove for winding 116 Yoke area (primary side) 117 secondary yoke area 118 interruption 120 face 122 first winding area 124 second winding area 126 Openings in the circuit board 128 first primary-side winding 129 second primary-side winding 130 Connection to the lowest layer 132 Passage on level 3 134 Passage on level 2 136 Passage on level 4 138 Working air gap 140 transmission circuit 142 first secondary-side winding 144 second secondary-side winding 146 first load connection 148 second load connection 150 Arrows symbolizing pulses 152 first output transistor 154 second output transistor 156 function generator 158 multiplication element 160 inversion element 162 Pulse width modulation unit 164 triangular function 166 secondary voltage 168 Voltage at load connection A 170 primary pulsing channel A 172 primary pulsing channel B

Claims

Transmission circuit for transmitting electrical power from a primary side ( 102 ) to a secondary page ( 104 ), wherein the transmission circuit ( 140 ) comprises: a transformer ( 100 ) with at least one first primary-side winding ( 128 ) and at least one first secondary-side winding ( 142 ) inductively connected to the first primary-side winding ( 128 ), a primary-side drive circuit for supplying the first primary-side winding ( 128 ) with a first input AC voltage and for generating a first AC output voltage induced in response to the first AC input voltage, wherein on the primary side ( 102 ) at least one second primary-side winding ( 129 ) is provided, which is connected to the primary-side drive circuit for supplying a second input AC voltage, wherein on the secondary side ( 104 ) at least one second secondary-side winding ( 144 ) arranged with the second primary-side winding ( 128 ) is inductively coupled to induce a second AC output voltage in response to the second AC input voltage, and wherein the transmission circuit (12) 140 ) at least a first and a second load terminal ( 146 . 148 ), with which a load (R1) is connectable so that over the load, the difference of the first and second AC output voltage is applied.

A transmission circuit according to claim 1, wherein said primary-side drive circuit comprises first and second pulse width modulation units (12). 162 ) for setting respective duty ratios of the first and second AC input voltages.

A transmission circuit according to claim 1 or 2, further comprising: a first secondary-side rectifier circuit (D1-D4) for rectifying the first AC output voltage induced in response to the first AC input voltage, and a second secondary-side rectifying circuit (D7-D10) for rectifying in response to the first AC input voltage induced second AC output voltage, wherein between the first and the second load terminal ( 146 . 148 ) the difference of the rectified first and second AC output voltage is applied.

Transmission circuit according to one of claims 1 to 3, wherein the primary-side drive circuit further comprises a function generator ( 156 ) for generating a supply voltage.

Transmission circuit according to claim 4, wherein the primary-side drive circuit further comprises a squaring member ( 158 ) comprising the information provided by the function generator ( 156 ) multiplied supply voltage with its own amount.

Transmission circuit according to claim 4 or 5, wherein the primary-side drive circuit further comprises an inversion element ( 160 ) for generating an inverted supply voltage and wherein the first input AC voltage is derived from the supply voltage and the second input AC voltage from the inverted supply voltage.

Transmission circuit according to one of claims 4 to 6, wherein the function generator ( 156 ) has a triangular function generator for generating a triangular feed voltage.

Transmission circuit according to one of the preceding claims, wherein between the first and the second load connection ( 146 . 148 ) two antiparallel transistors ( 152 . 154 ) are arranged.

Transmission circuit according to one of the preceding claims, wherein the primary side ( 102 ) and the secondary side ( 104 ) are movable with respect to each other.

Transformer for transmitting electrical power from a primary side ( 102 ) to a secondary page ( 104 ), the transformer ( 100 ) comprises: a primary-side core ( 106 ) with at least one primary-side winding ( 128 ), which is used as a conductor track on a primary-side printed circuit board ( 110 ), a secondary-side core ( 108 ) with at least one secondary-side winding ( 142 ), which is used as a conductor track on a secondary-side printed circuit board ( 112 ), wherein the cores ( 106 . 108 ) face each other with the formation of a working air gap ( 138 ), so that the primary-side and the secondary-side winding ( 128 . 142 ) are inductively coupled, and wherein the primary-side core ( 106 ) and the secondary-side core ( 108 ) are movable with respect to each other.

A transformer according to claim 10, wherein the primary-side core ( 106 ) and / or the secondary-side core ( 108 ) at least two concentric to each other, separate partial cores ( 106a . 106b ; 108a . 108b ) having.

A transformer according to either of claims 10 or 11, wherein the primary-side core ( 106 ) and / or the secondary-side core ( 108 ) at least one axially projecting yoke area ( 116 ) for guiding a magnetic field.

Transformer according to claim 12, wherein the primary-side and / or the secondary-side printed circuit board ( 110 . 112 ) at least one opening ( 126 ), through which the yoke area ( 116 ) passes through.

Transformer according to one of claims 10 to 13, wherein the primary-side and / or the secondary-side printed circuit board ( 110 . 112 ) have at least two interconnect layers separated by electrically insulating layers.

Transformer according to one of claims 10 to 14, wherein on the primary side and / or secondary side printed circuit board ( 110 . 112 ) Further, circuit elements of a primary-side and or secondary-side circuit are arranged.

A transmitter according to any one of claims 10 to 15, further comprising a transmission circuit ( 140 ) according to one of claims 1 to 9.