DE102015218715A1

DE102015218715A1 - Stromwandlermodul

Info

Publication number: DE102015218715A1
Application number: DE102015218715.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Maier; Uwe Weiss; Wolfgang Feil
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2017-03-30
Also published as: JP6594531B2; US20180286564A1; EP3300527A1; KR102036130B1; KR20180037225A; CN107924760A; JP2018535539A; WO2017054972A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stromwandlermodul aufweisend eine Leiterplatte (7), in welche in Aussparungen (6) der Leiterplatte (7) ein Eisenkreis (1) integriert ist, wobei eine einen Sekundärkreis (8) des Stromwandlermoduls bildende Wicklung mit Windungen (9) in bzw. auf der Leiterplatte (7) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stromwandlermodul aufweisend eine Leiterplatte, in welche in Ausnehmungen der Leiterplatte ein Eisenkreis integriert ist.
Bekannt sind Stromwandler vom Typ Ringkernwandler. Ein Sekundärkreis eines solchen Stromwandlers umfasst typischerweise eine Ringwicklung, die auch Ringkern genannt wird. Der Primärkreis des Stromwandlers ist ein Draht, der durch die Ringwicklung hindurchgeführt wird. Aufgrund gesetzlicher Erfordernisse sind bei der Ausgestaltung des Stromwandlers vorbestimmte Luft- und Kriechstrecken einzuhalten, etwa zwischen dem primär- und dem sekundärseitigen Anschluss oder zwischen dem primärseitigen Anschluss und der Ringwicklung. Die Ringwicklung besteht üblicherweise aus Lackdraht, der für die gesetzlichen Vorgaben als nicht isoliert gilt. Der den Primärkreis bildende Draht hingegen ist üblicherweise ausreichend isoliert. Es sind bestimmte Mindestabstände zwischen den abisolierten, freien Enden des Primärkreisdrahts zur Ringwicklung einzuhalten.
Neben diesen Ringkernwandlern gibt es auch Wandler, die aus wechselseitig geschichteten Blechen mit einem Spulenkörper bestehen. Der Spulenkörper hat den Vorteil, dass man ihn einfach und schnell bewickeln kann. Für den Spulenkörper hat man jedoch wieder einmalige Werkzeugkosten. Insgesamt gesehen sind aber die Genauigkeit und der Dynamikumfang bei diesem Wandler schlechter als beim Ringkernwandler.
Die oben ausgeführten Beispiele für einen Stromwandler weisen mehrere Nachteile auf. So ist es mit einem erheblichen Aufwand verbunden, die sekundären Windungen aufzubringen. Zudem müssen Anschlusslitzen angeschlagen werden, die wiederum mit der Leiterplatte kontaktiert werden müssen. Außerdem wird bei einer Trennung der Stromwandlerbaugruppe von der Leiterplatte mehr Bauraum benötigt.
Demgemäß besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Stromwandlermodul zu schaffen, welches auf einfache Art und Weise die oben genannten Nachteile ausräumt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Stromwandlermodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Stromwandlermodul gelöst, aufweisend eine Leiterplatte, in welche in Ausnehmungen der Leiterplatte ein Eisenkreis integriert ist, wobei eine einen Sekundärkreis des Stromwandlermoduls bildende Wicklung mit Windungen in bzw. auf der Leiterplatte angeordnet ist.
Der Oberbegriff Stromwandlermodul ist in dieser Patentanmeldung als ein modular aufgebauter Stromwandler vorzugsweise ohne eigenes Gehäuse definiert, der mit seinem Primär- und seinem Sekundärkreis in und auf der Leiterplatte integriert ist.
Die Erfindung beinhaltet eine Leiterplatte, auf und in der die Sekundärwindungen als Leiterbahnen ausgeführt sind. In der Leiterplatte sind Aussparungen vorgesehen, um einen Eisenkreis aufnehmen zu können. Die Primärwindungen können als separate Leitungen oder als Leiterbahn auf und in den Leiterplattenschichten realisiert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Eisenkreis aus Blechen, insbesondere U-, E- oder L-förmigen, oder aus Ringband oder aus ferromagnetischen Halbschalen oder aus Schnittbandkernhälften ausgebildet ist. Einzeln gestapelte U-Bleche werden wechselseitig zueinander ausgerichtet. Der Aufbau bietet auf diese Art und Weise so gut wie keinen Luftspalt. Das Ringband bietet den Vorteil, dass der magnetische Fluss optimal geführt werden kann. Die ferromagnetischen Halbschalen weisen den Vorteil auf, dass die zwei Halbschalen eine einfache Montage ermöglichen und die Eigenschaften des Luftspalts über die überlappende Fläche gesteuert werden können. Auch die Schnittbandkernhälften ermöglichen durch ihre Zweiteiligkeit eine einfache Montage. Sie müssen lediglich so aneinander gefügt werden, dass sich ein geschlossener Eisenkreis ergibt.
In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass der Eisenkreis in einer Aussparung oder mehreren Aussparungen in der Leiterplatte positioniert ist und die Sekundärkreis bildenden Windungen durch den Eisenkreis durchgeführt sind. Durch die Ausnehmungen in der Leiterplatte gelingt es, den Eisenkreis fest zu fixieren. Der jeweilige Eisenkreis weist zwei Schenkelelemente auf, die über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind. Um einen der beiden Schenkelelemente ist der Sekundärkreis in und auf der Leiterplatte gewickelt.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Sekundärkreis bildenden Windungen auf einer Mehrzahl an Leiterplattenschichten ausgebildet sind. Um eine technologisch sinnvolle Anzahl an Windungen zu erreichen, müssen die Windungen auf mehrere Schichten einer Leiterplatte verteilt sein.
In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die mit Sekundärkreis bildenden Windungen ausgebildeten Leiterplattenschichten mit Durchkontaktierungen zwischen den Leiterplattenschichten durch die gesamte Leiterplatte ausgebildet sind. Diese technische Lösung ist besonders kostengünstig.
In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die mit Sekundärkreis bildenden Windungen ausgebildeten Leiterplattenschichten mit Durchkontaktierungen zwischen den Schichten nur in Teilbereichen der Leiterplatte ausgebildet sind. Um die Windungsabstände nicht zu vergrößern, liegen die Durchkontaktierungen dann außerhalb der eigentlichen Wicklungsfläche.
In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass die Durchkontaktierungen außerhalb der Wicklungsfläche der Sekundärkreis bildenden Windungen angeordnet sind. Damit ist der Vorteil verbunden, dass die Windungsabstände nicht vergrößert werden müssen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Stromwandlermodul für den Motorschutz ausgebildet ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das Stromwandlermodul für den Leitungsschutz ausgebildet ist.
In einer weiteren speziellen Fortführung des erfindungsgemäßen Konzepts kann es vorgesehen sein, dass das Stromwandlermodul 3-phasig ausgebildet ist, bestehend aus drei Eisenkreisen und drei Sekundärkreisen, die elektrisch miteinander verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Stromwandlermodul weist einen Eisenkreis auf, der vorzugsweise aus U-förmigen Blechen, aus Schnittbandkernhälften, aus Ringband oder aus ferromagnetischen Halbschalen aufgebaut sein kann. Der Eisenkreis ist in Aussparungen einer Leiterplatte platziert. Die Aussparungen in der Leiterplatte sind vorzugsweise sich gegenüberliegend angeordnet. Die jeweilige Ausführungsform des Eisenkreises weist in jeder Ausführung zwei Schenkelelemente auf, die über einen Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind. Die Schenkelelemente des jeweiligen Eisenkreises sind in den Aussparungen der Leiterplatte positioniert. Jeweils um ein Schenkelelement des Eisenkreises ist eine Sekundärkreis bildende Wicklung des Stromwandlermoduls mit einer Mehrzahl an Windungen in der Leiterplatte ausgebildet.
Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen schematisch:
1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlermoduls mit U-förmigen Blechen als Eisenkreis;
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlermoduls mit Schnittbandkernhälften als Eisenkreis;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlermoduls mit einem Ringband als Eisenkreis;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlermoduls mit ferromagnetischen Halbschalen als Eisenkreis;
5 das Ausführungsbeispiel nach 4, wobei die ferromagnetischen Halbschalen aus gestapelten Blechen hergestellt sind;
6 eine Spule mit Durchkontaktierungen durch die komplette Leiterplattenschicht;
7 eine Spule mit Durchkontaktierungen zwischen einzelnen Schichten einer Leiterplatte.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlermoduls. Das erfindungsgemäße Stromwandlermodul weist einen Eisenkreis 1 auf, der vorzugsweise aus U-förmigen Blechen 2 aufgebaut ist. Die U-förmigen Bleche 2 weisen zwei vorzugsweise sich gegenüberliegende Schenkelelemente 3, 4 auf, die über einen Verbindungsabschnitt 5 miteinander verbunden sind. Der Eisenkreis 1 ist in Aussparungen 6 einer Leiterplatte 7 platziert. Die Aussparungen 6 in der Leiterplatte 7 sind vorzugsweise sich gegenüberliegend angeordnet. Die Schenkelelemente 3, 4 der U-förmig ausgebildeten Bleche sind in den Aussparungen 6 der Leiterplatte 7 positioniert, wobei die U-förmigen Bleche 2 vorzugsweise abwechselnd mit der offenen Seite oberhalb bzw. unterhalb der Leiterplatte 7 angeordnet sind. Die in 1 dargestellte Pfeilrichtung entspricht dabei der Montagerichtung. Jeweils um ein Schenkelelement des Eisenkreises 1 ist eine Sekundärkreis 8 bildende Wicklung des Stromwandlermoduls mit einer Mehrzahl an Windungen 9 in der Leiterplatte 7 ausgebildet.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlermoduls dargestellt. Der Eisenkern 1 ist hier in Form von Schnittbandkernhälften 10 ausgeführt. Die Schnittbandkernhälften 10 sind U-förmig ausgebildet und weisen zwei sich gegenüberliegende Schenkelelemente 3, 4 und einen Verbindungsabschnitt 5 auf. Die Schenkelelemente 3, 4 der U-förmig ausgebildeten Schnittbandkernhälften 10 sind in den Aussparungen 6 der Leiterplatte 7 positioniert, wobei die Schnittbandkernhälften 10 zusammen einen Eisenkreis 1 ergeben. Jeweils um ein Schenkelelement des Eisenkreises 1 ist eine Sekundärkreis 8 bildende Wicklung des Stromwandlermoduls mit einer Mehrzahl an Windungen 9 in der Leiterplatte 7 ausgebildet.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlermoduls mit einem Ringband 11 als Eisenkreis 1. Das Ringband 11 wird durch die Aussparungen 6 der Leiterplatte 7 gewickelt und bildet dadurch einen Zylinder aus. Die Schenkelelemente 3, 4 sowie der Verbindungsabschnitt 5 gehen durch diese zylindrische Ausbildung fließend ineinander über. Jeweils um ein Schenkelelement des Eisenkreises 1 ist eine Sekundärkreis 8 bildende Wicklung des Stromwandlermoduls mit einer Mehrzahl an Windungen 9 in der Leiterplatte 7 ausgebildet.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromwandlermoduls mit ferromagnetischen Halbschalen 12 als Eisenkreis 1 dargestellt. Die ferromagnetischen Halbschalen 12 sind U-förmig ausgebildet und weisen zwei sich gegenüberliegende Schenkelelemente 3, 4 und einen Verbindungsabschnitt 5 auf. Die Schenkelelemente 3, 4 der U-förmig ausgebildeten ferromagnetischen Halbschalen 12 sind in den Aussparungen 6 der Leiterplatte 7 positioniert, wobei die ferromagnetischen Halbschalen 12 entgegengesetzt zueinander angeordnet sind, so dass sowohl oberhalb als auch unterhalb der Leiterplatte 7 ein Verbindungsabschnitt 5 der U-förmigen ferromagnetischen Halbschalen 12 angeordnet ist. Jeweils um ein Schenkelelement des Eisenkreises 1 ist eine Sekundärkreis 8 bildende Wicklung des Stromwandlermoduls mit einer Mehrzahl an Windungen 9 in der Leiterplatte 7 ausgebildet.
5 zeigt das Ausführungsbeispiel nach 4, wobei die ferromagnetischen Halbschalen 12 aus gestapelten Blechen hergestellt sind.
In 6 ist eine Spule 13 mit Windungen 9 und mit Durchkontaktierungen 14 durch die kompletten Leiterplattenschichten 15 dargestellt. Neben einem möglichst günstigen Aufbau des Eisenkreises 1 ist es auch wichtig, die Sekundärwicklung auf der Leiterplatte 7 optimal aufzubauen. Um eine technologisch sinnvolle Anzahl an Windungen 9 zu erreichen, müssen die Windungen 9 auf mehrere Schichten einer Leiterplatte verteilt sein. Diese Leiterplattenschichten 15 müssen mittels Durchkontaktierungen 14 miteinander verbunden sein. Da die Windungen 9 in den einzelnen Leiterplattenschichten 15 vorzugsweise abwechselnd von innen nach außen und dann wieder von außen nach innen verlaufen, befinden sich die Durchkontaktierungen 14 abwechselnd innen und außen. Dabei sollen die inneren Durchkontaktierungen 14 möglichst wenig Platinenfläche einnnehmen, vorzugsweise also in einer Linie zur Stirnseite des Eisenblechpaketes verlaufen.
7 zeigt eine Spule 13 mit Windungen 9 und mit Durchkontaktierungen 14 zwischen einzelnen Schichten einer Leiterplatte 7. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Durchkontaktierungen 14 außerhalb der eigentlichen Wicklungsfläche liegen, um die Windungsabstände nicht zu vergrößern. Eine optimierte Lösung hinsichtlich des Bauraums liegt dann vor, wenn Durchkontaktierungen 14 mit einer ungeraden Nummer zu einer geraden Nummer jeweils direkt übereinander positioniert sind.
Für beide in den 6 und 7 dargestellten Möglichkeiten gilt, dass es optimal ist mit einer geraden Anzahl an Leiterplattenschichten 15 zu arbeiten, da dann beide Windungsenden der durchkontaktierten Spule 13 automatisch außen zu liegen kommen.
Das erfindungsgemäße Stromwandlermodul zeichnet sich dadurch aus, dass das aufwendige separate Aufbringen der sekundären Windungen auf einen Eisenkreis entfällt, da die Windungen in der Leiterplatte integriert sind. Durch die Integration der Sekundärwindungen in die Leiterplatte müssen keine Anschlusslitzen angeschlagen werden und diese müssen auch nicht mit der Leiterplatte kontaktiert werden. Durch die Integration des Eisenkreises in die Leiterplatte ergibt sich ein deutlich kompakterer Aufbau für das erfindungsgemäße Stromwandlermodul mit einem geringeren Bedarf an Bauraum im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen aus dem Stand der Technik.
Bezugszeichenliste

1: Eisenkreis
2: U-förmiges Blech
3: Schenkelelement
4: Schenkelelement
5: Verbindungsabschnitt
6: Aussparung
7: Leiterplatte
8: Sekundärkreis
9: Windung
10: Schnittbandkernhälfte
11: Ringband
12: Halbschale
13: Spule
14: Durchkontaktierung
15: Leiterplattenschicht

Claims

Stromwandlermodul aufweisend eine Leiterplatte (7), in welche in Aussparungen (6) der Leiterplatte (7) ein Eisenkreis (1) integriert ist, wobei eine einen Sekundärkreis (8) des Stromwandlermoduls bildende Wicklung mit Windungen (9) in bzw. auf der Leiterplatte (7) angeordnet ist.
Stromwandlermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkreis (1) aus Blechen (2), insbesondere U-, E- oder L-förmigen, oder aus Schnittbandkernhälften (10) oder aus Ringband (11) oder aus ferromagnetischen Halbschalen (12) ausgebildet ist.
Stromwandlermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Eisenkreis (1) in einer Aussparung (6) oder in mehreren Ausparungen (6) in der Leiterplatte (7) positioniert ist und die Sekundärkreis (8) bildende Wicklung durch den Eisenkreis (1) durchgeführt ist.
Stromwandlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärkreis (8) bildenden Windungen (9) auf einer Mehrzahl an Leiterplattenschichten (15) der Leiterplatte (7) ausgebildet sind.
Stromwandlermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Sekundärkreis (8) bildenden Windungen (9) ausgebildeten Leiterplattenschichten (15) mit Durchkontaktierungen (14) zwischen den Leiterplattenschichten (15) durch die gesamte Leiterplatte (7) ausgebildet sind.
Stromwandlermodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mit Sekundärkreis (8) bildenden Windungen (9) ausgebildeten Leiterplattenschichten (15) mit Durchkontaktierungen (14) zwischen den Leiterplattenschichten (15) nur in Teilbereichen der Leiterplattenschichten (15) der Leiterplatte (7) ausgebildet sind.
Stromwandlermodul nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchkontaktierungen (14) außerhalb der Wicklungsfläche der Sekundärkreis (8) bildenden Windungen (9) angeordnet sind.
Stromwandlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromwandlermodul für den Motorschutz ausgebildet ist.
Stromwandlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromwandlermodul für den Leitungsschutz ausgebildet ist.
Stromwandlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stromwandlermodul 3-phasig ausgebildet ist, bestehend aus drei Eisenkreisen (1) und drei Sekundärkreisen (8), die elektrisch miteinander verbunden sind.