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Die Erfindung betrifft einen Transformator mit zumindest einem zur Stromführung bestimmten Leiter.
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Die in den Wicklungen entstehende Wärme wird bei Transformatoren zumeist im Wesentlichen durch die Lagen (Wicklungs- und Isolationslagen) an die Umgebung oder an den Kern und dann an die Umgebung geführt. An den Wicklungsköpfen wird auch Wärme über die Stirnflächen der Lagen abgegeben. Des Weiteren erfolgt auch eine Entwärmung über die Anschlussleitungen. Dieser Effekt wird umso größer, je größer der Querschnitt der Wicklung ist, beziehungsweise je geringer die Drahtlänge (Windungslänge x Windungsanzahl) ist. Die Wärmeabgabe über die Lagen, die Wicklungsköpfe und die Anschlussleitungen ist jedoch häufig nicht ausreichend. Insbesondere, wenn ein hohes Übersetzungsverhältnis des Transformators gewünscht ist, kann häufig nicht genug Wärme abgeführt werden. Die Folge davon ist eine nicht optimale Auslegung eines Transformators hinsichtlich Größe, Lüfterkennlinie, Kosten, Wirkungsgrad, etc.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Transformator bereit zu stellen, der besser gekühlt werden kann.
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Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Transformator mit zumindest einem zur Stromführung bestimmten Leiter, der elektrisch leitend mit zumindest einem Wärmeableiter verbunden ist, der aus dem Transformator herausgeführt ist. Dieser Wärmeableiter ist nicht stromführend und ausschließlich zur Entwärmung des stromführenden Leiters vorgesehen. Somit wird eine zusätzliche Möglichkeit der Wärmeabfuhr geschaffen. Der Transformator kann insgesamt kleiner gebaut werden. Es sind keine spannungsabhängigen Lüfterkennlinien mehr notwendig. Ungünstige Kühlverhältnisse (mehrfach gestapelter Kern) können vermieden werden. Der Wirkungsgrad eines solchen Transformators ist deutlich besser als der eines vergleichbaren bekannten Transformators. Es können mehrere Wärmeableiter vorgesehen sein, um eine noch effektivere Kühlung zu bewirken.
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Der Wärmeableiter kann mit dem zur Stromführung bestimmten Leiter, insbesondere im Innern des Transformators, mechanisch verbunden sein. Insbesondere kann der Wärmeableiter großflächig mit dem zur Stromführung bestimmten Leiter verbunden sein, um einen möglichst guten Wärmeübergang sicherzustellen.
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Besondere Vorteile ergeben sich, wenn der Wärmeableiter etwa mittig bezogen auf die Länge des zur Stromführung bestimmten Leiters mit diesem verbunden ist. Durch diese Maßnahme wird der Wärmewiderstand halbiert, da die Weglänge ebenfalls halbiert wird, welche dann direkt proportional in den Wärmewiderstand eingeht. Die thermische Spannung halbiert sich aber nicht nur, sondern wird auf 25 Prozent reduziert, da nun doppelt so viele Strecken vorhanden sind, um Verlustleistung, also Wärme, abzuführen.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der Transformator vergussmassefrei ausgebildet ist. Somit kann es nicht zu einem Wärmestau in einer Vergussmasse kommen. Sämtliche Bestandteile des Transformators können durch Luft zur Kühlung angeströmt werden.
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Der Wärmeableiter kann an seinem freien Ende nicht elektrisch kontaktiert sein. Der Wärmeableiter kann zwar auf einem elektrischen Potential liegen, da er elektrisch leitend mit dem zur Stromführung bestimmten Leiter verbunden sein kann, dieser Potential wird jedoch vorzugsweise nicht genutzt, sondern der Wärmeableiter wird vorzugsweise ausschließlich zur Wärmeabfuhr eingesetzt.
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Der zumindest eine zur Stromführung bestimmte Leiter kann als Wicklung des Transformators ausgebildet sein. Somit kann der Wärmeableiter mechanisch und/oder elektrisch mit einer Wicklung des Transformators verbunden sein und dadurch besonders effektiv Wärme aus dem Transformator abführen. Die Wicklung kann eine oder mehrere Windungen aufweisen.
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Der zur Stromführung bestimmte Leiter kann als Bandleiter ausgebildet sein. Unter einem Bandleiter ist ein Leiter zu verstehen, dessen Querschnitt in einer Richtung größer (breiter) ist als in der dazu senkrechten Richtung, insbesondere mehr als zweimal größer (breiter), insbesondere mehr als fünfmal größer (breiter), insbesondere mehr als zehnmal größer (breiter). Ein Bandleiter für die beschriebene Anordnung kann z.B. 0,5 mm bis 2 mm dick sein und 0,5 cm bis 5 cm breit sein. Ein Bandleiter kann aus starrem Material, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder anderen elektrisch leitenden Materialien aufgebaut sein. Er kann aber auch aus flexiblem Material, also zum Beispiel aus einem Drahtgeflecht zuvor genannter Materialien, das zu einem Band geformt ist, aufgebaut sein.
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Transformatoren, die eine Wicklung aus einem Bandleiter aufweisen, sind besonders geeignet, hohe Ströme zu führen. Verluste können dabei bei hohen Frequenzen und hohen Strömen in den Zuleitungen bzw. in den Anschlussenden der Transformatoren entstehen.
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Die Anschlussenden des Bandleiters können abschnittsweise parallel geführt und in Höhenrichtung des Bandleiters beabstandet sein. Wenn die Anschlussenden zumindest abschnittsweise parallel und in einer Höhenrichtung des Bandleiters beabstandet angeordnet werden, so wird der Strom in den Anschlussenden bifilar geführt. Unter bifilarer Stromführung versteht man in der Elektrotechnik die Führung von entgegengesetzt fließendem Strom, insbesondere Wechselstrom, in zwei benachbarten Leitern, bei der die Leitungen so nah geführt werden, dass sich die magnetischen Felder, die durch den Stromfluss erzeugt werden, gegenseitig aufheben oder zumindest deutlich reduzieren. Dies führt zu einer reduzierten Induktivität und dadurch reduzierten Verlusten. Der Transformator kann vorzugsweise zwei Wicklungen aufweisen. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Transformator eine dritte Wicklung aufweist. Die dritte Wicklung kann ebenfalls als Bandwicklung aus einem weiteren Bandleiter ausgebildet sein. Dies kann die Verluste weiter reduzieren. Die Anschlussenden des weiteren Bandleiters können ebenfalls abschnittsweise parallel und in einer Höhenrichtung des Bandleiters beabstandet angeordnet sein.
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Weiterhin können die Anschlussenden im Wesentlichen deckungsgleich angeordnet sein. Dies führt dazu, dass eine wirksame Induktivität reduziert wird und insbesondere ohne sprunghaften Übergang der Induktivität die Anschlussenden an einen Anschluss angeschlossen werden können. Insbesondere können die Anschlussenden im Wesentlichen bifilar geführt werden, um dadurch einen induktionsarmen Anschluss an weitere elektrische Bauteile, beispielsweise eine Leiterkarte, zu realisieren. Die Anschlussenden können also zumindest teilweise überdeckend angeordnet sein. Vorzugsweise sind sie zumindest weitestgehend deckungsgleich angeordnet. Eine weitestgehend deckungsgleiche Anordnung wird bei Überdeckung von mehr als 75 Prozent der Fläche erkannt. Dadurch kann die aufgespannte Fläche kleingehalten werden, wodurch auch die Induktivität verringert wird.
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Der Wärmeableiter kann streifen- oder plattenförmig ausgebildet sein. Dabei kann der Wärmeableiter aus demselben Material ausgebildet sein und /oder den gleichen Querschnitt wie der zur Stromführung bestimmte Leiter aufweisen.
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Der Wärmeableiter kann zumindest abschnittsweise außerhalb und parallel zu einer Oberfläche des Transformators angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, den Wärmeableiter besonders gut mit Luft anzuströmen und dadurch zu kühlen.
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Der Wärmeableiter kann zusätzlich zur Abschirmung von elektromagnetischer Strahlung verwendet werden. Für diese doppelte Funktion kann der Wärmeableiter besonders breit und flach konstruiert werden. Der Wärmeableiter kann dafür ebenfalls als Bandleiter ausgeführt sein. Unter einem Bandleiter ist dabei auch ein Leiter zu verstehen, dessen Querschnitt in einer Richtung größer (breiter) ist als in der dazu senkrechten Richtung, insbesondere mehr als zweimal größer (breiter), insbesondere mehr als fünfmal größer (breiter), insbesondere mehr als zehnmal größer (breiter). Ein Bandleiter für die beschriebene Anordnung kann z.B. 0,5 mm bis 2 mm dick sein und 0,5 cm bis 5 cm breit sein. Ein Bandleiter kann aus starrem Material, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder anderen elektrisch leitenden Materialien aufgebaut sein. Er kann aber auch aus flexiblem Material, also zum Beispiel aus einem Drahtgeflecht zuvor genannter Materialien, das zu einem Band geformt ist, aufgebaut sein.
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Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Wärmeableiters des Transformators zur Kühlung des Transformators mit einem an dem Wärmeableiter vorbeiströmenden Gasstrom, insbesondere Luft, und durch Wärmeabstrahlung vom Wärmeableiter in die Umgebung.
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Weiterhin kann der Wärmeableiter zur Kühlung des Transformators zur Begrenzung der Temperatur im Transformator auf Temperaturen < 85° C verwendet werden.
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Der zur Stromführung bestimmte Leiter des Transformators kann insbesondere zur Führung von Wechselstrom verwendet werden, insbesondere im Frequenzbereich 5 kHz bis 200 kHz, vorzugsweise im Bereich 10-100 kHz, besonders bevorzugt im Bereich 20-70 kHz und einem mittleren Wechselstrom > 10 A, vorzugsweise > 20 A, weiter bevorzugt > 50 A, ganz besonders bevorzugt > 100 A im Leiter.
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Der Leiter kann auch zur Führung von Strom zur Ladung und Entladung von Batterien verwendet werden, insbesondere von Redox-Flow-Batterien, vorzugsweise Chrom-Vanadium-Redox-Flow-Batterien.
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Für solche Anwendungen müssen relativ hohe Ströme besonders verlustarm umgewandelt werden. Dazu sind Wechselstromquellen, und -senken erforderlich, die z.B. bidirektionale Gleichstrom-Wechselstromwandlungsvorrichtungen zur Ladung und Entladung externer Energiespeicher aufweisen können. In dem angegebenen Frequenzbereich kann dabei ein guter Kompromiss zwischen besonders verlustarmem Betrieb, insbesondere in einem oder mehreren Transformatoren, und nicht zu teuren Komponenten, insbesondere bei der Gleichstrom-Wechselstromwandlungsvorrichtung, erzielt werden. Dies hat jedoch auch den Nachteil, dass die hohen Ströme ( > 10 A, > 20A, > 50A, > 100A) in diesem Frequenzbereich an vielen Stellen zu Störungen und Verlusten führen. Nach vielen Berechnungen und Versuchen wurde erkannt, dass die beschriebene Anordnung besonders vorteilhaft einsetzbar ist in den beschriebenen Anwendungsfeldern.
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Es wurde zudem erkannt, dass mit den offenbarten Anordnungen und Verwendungen die elektromagnetischen Störungen reduziert werden können. Elektromagnetische Störungen stellen bei allen elektrischen Geräten, die mit Frequenzen oberhalb von 9 kHz arbeiten, eine vor allem für alle telekommunikativen Funkverbindungen unerwünschte Beeinträchtigung dar. Die maximal erlaubten Störpegel sind deswegen in den meisten Ländern gesetzlich festgelegt. Zudem können solche Störungen auch externe an die elektrischen Anordnungen angeschlossene andere elektrische Geräte stören. Bei der Verwendung als Lade-/Entladegerät für Batterien kann dies besonders schädlich sein, weil solche Systeme häufig in unmittelbarer Nähe zu und insbesondere für solche Funkanlagen eingesetzt werden. Zudem können solche Störungen auch zu Problemen bei der Messung von Regelgrößen führen und die Regelgenauigkeit negativ beeinflussen. Letztendlich können solche Störungen auch ungenaue Schaltzeiten der Wechselstrom- und/oder Gleichstromwandler hervorrufen und so die Verluste erhöhen. Die Reduzierung der Störpegel kann durch Abschirmung der elektrischen Anordnungen z.B. mit aufwändig elektrisch und magnetisch abgedichteten Gehäusen und z.B. Federkontakten erfolgen. Zusätzlich sind häufig auch Filter an elektrischen Schnittstellen notwendig. Diese Maßnahmen müssen umso intensiver und teurer ausgelegt werden, je mehr Störungen in den elektrischen Anordnungen erzeugt werden und je höher deren Pegel sind. Es ist daher besonders vorteilhaft die Erzeugung solcher elektromagnetischen Störungen zu verringern. Dies konnte mit den beschriebenen Anordnungen in besonders hohem Maße realisiert werden. Auch hier wirken sich die beschriebenen Anordnungen sehr vorteilhaft aus, nämlich insbesondere dann, wenn der Wärmeableiter keinen Nutzstrom führt, sondern allenfalls einen Ableitstrom für eingefangene elektromagnetische Strahlung. Weiter kommen die Vorteile insbesondere dann zum Tragen, wenn der Wärmeableiter auf einem Mittenpotential zwischen den beiden Anschlüssen des Transformators verbunden ist, insbesondere wenn er durch seine Form als Bandleiter als zusätzliche elektromagnetische Abschirmung wirkt und Ableitströme an den oder die Leiter im Innern des Transformators führen kann, also mit diesen nicht nur mechanisch, und nicht nur wärmeableitend sondern auch elektrisch verbunden ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend mit Bezug zu den Figuren der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Transformators;
- 2 eine Seitenansicht des Transformators, der an eine Leiterkarte angeschlossen ist;
- 3 eine Seitenansicht eines an einer Leiterkarte angeordneten Transformators;
- 4 eine Draufsicht auf eine Anordnung mit zwei Leiterkarten und zwei Transformatoren;
- 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wärmeabfuhr bei einem Transformator mit einer Windung;
- 6 eine schematische Darstellungserweiterung der Wärmeabfuhr bei der Verwendung eines Transformators mit zwei Windungen.
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Die 1 zeigt eine stark schematisierte Darstellung eines Transformators 30, der eine nicht zu sehende Primärwicklung und eine nicht zu sehende Sekundärwicklung aufweist. Zumindest eine der Wicklungen ist aus einem Bandleiter ausgebildet, von dem die Anschlussenden 31, 32 oder Bandleiterabschnitte dargestellt sind. Die Anschlussenden 31, 32 verlaufen abschnittsweise parallel. Die Wicklungen sind als zur Stromführung bestimmte Leiter ausgebildet.
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In einer Höhenrichtung 33 des die Anschlussenden 31, 32 aufweisenden Bandleiters sind die Anschlussenden 31, 32 zueinander beabstandet angeordnet. Insbesondere sind die Anschlussenden 31, 32 nicht in einer Breitenrichtung 34 nebeneinander oder parallel zueinander angeordnet. Die Anschlussenden 31, 32 sind sich zumindest teilweise überdeckend, vorzugweise im Wesentlichen deckungsgleich, angeordnet, wodurch sich eine geringe Induktivität ergibt.
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Weiterhin weist der Transformator 30 einen Wärmeableiter 35 auf. Der Wärmeableiter 35 ist elektrisch und mechanisch mit dem Bandleiter und somit mit einer Wicklung des Transformators verbunden. Auch der Wärmeableiter 35 ist breiter als dick ausgeführt. Insbesondere ist der Wärmeableiter 35 großflächig ausgeführt, so dass besonders effektiv Wärme abgeleitet werden kann. Der Wärmeableiter 35 kann beispielsweise durch Luft angeströmt werden, um dadurch Wärme abzuleiten. Der Wärmeableiter 35 steht nach außen über den übrigen Transformator 30 vor. Das freie Ende 36 des Wärmeableiters 35 hängt quasi in der Luft. Es ist nicht in Berührung oder elektrischem Kontakt mit einer anderen Komponente. Der Wärmeableiter 35 erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu einer Oberseite 37 des Transformators 30. Grundsätzlich könnte er auch an einer anderen Stelle aus dem Transformator 30 herausgeführt werden und auch dort im Wesentlichen parallel zu einer zugeordneten Oberseite des Transformators 30 ausgerichtet sein. Dadurch lässt sich der Wärmeableiter 35 besonders gut durch ein Kühlmittel anströmen.
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Die 2 zeigt eine Anordnung 40 mit einer Leiterkarte 10 und einem Transformator 30 in einer Seitenansicht. Hier ist zu erkennen, dass die Anschlussenden 31, 32 zumindest in Abschnitten parallel angeordnet sind. Insbesondere sind sie in einer Höhenrichtung 33 bzw. senkrecht zu einer Oberfläche eines der Anschlussenden 31, 32 beabstandet. Der Abstand A zwischen den Anschlussenden 31, 32 wird dabei über die gesamte Länge der Anschlussenden 31, 32, also von der Stelle, an der sie aus dem Transformtor 30 herauskommen, bis zum Kontakt mit einer Leiterkarte 10 möglichst äquidistant und gering gehalten. Er kann zwischen 0,3 mm und 5 mm liegen. Weiterhin ist zu erkennen, dass das Anschlussende 31 der Leiterkarte 10 auf einer Oberseite und das Anschlussende 32 der Leiterkarte 10 an einer Unterseite elektrisch kontaktiert. Beide Anschlüsse sind hier so ausgelegt, dass jeweils eine flächige Kontaktierung erfolgt. Sämtliche elektrisch leitenden Flächen im Bereich der Anschlussanordnung 22 sind vorzugsweise parallel und sich überdeckend angeordnet, um Induktivitäten zu reduzieren. Um eine möglichst großflächige Kontaktierung zu realisieren, sind die Anschlüsse 23, 24 der Leiterkarte 10, die die Anschlussanordnung 22 bilden, an der Oberseite und Unterseite der Leiterkarte 10 vorzugsweise flächig ausgebildet. Insbesondere können sie als Anschlussflächen ausgebildet sein. Der Abstand der Anschlussenden 31, 32 im Bereich der Leiterkarte 10 ist nur um die Dicke der Anschlüsse 23, 24 auf der Leiterkarte 10 größer als der Abstand C der Leitungen 20, 21, die an der Leiterkarte 10 vorgesehen sind.
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Die Bezugsziffer 11 bezeichnet ein auf der Leiterkarte 10 angeordnetes elektrisches Bauelement, insbesondere eine Wechselstromkomponente, welches mit den Leitungen 20, 21 verbunden sein kann.
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In der gezeigten Darstellung ist der Wärmeableiter 35 von den Anschlussenden 31, 32 und der Leiterkarte 10 abgewandt, so dass Wärme an der der Leiterkarte 10 abgewandten Seite abgeführt werden kann.
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Bei der Ausführungsform einer Anordnung 50 gemäß der 3 ist zudem der Transformator 30 (als Wechselstromkomponente) selbst auf der Leiterkarte 10 angeordnet. Das Anschlussende 31 ist mit dem Anschluss 23 auf der Oberseite der Leiterkarte 10 verbunden, während das Anschlussende 32 mit dem Anschluss 24 an der Unterseite der Leiterkarte 10 elektrisch leitend verbunden ist. Dabei ist das Anschlussende 32 durch eine Durchgangsöffnung 51 in der Leiterkarte 10 geführt.
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Eine weitere Ausführungsform einer Anordnung 60 ist in der 4 in einer Draufsicht gezeigt. Eine Leiterkarte 10 mit einer Wechselstromkomponente 11 weist hier nicht dargestellte erste und zweite Leitungen 20, 21 auf, die zu einer Anschlussanordnung 22 mit Anschlüssen an der Oberseite und der Unterseite der Leiterkarte 10 führen. Zu sehen ist teilweise der Anschluss 23 an der Oberseite der Leiterkarte 10.
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Eine weitere Leiterkarte 10.1 weist zwei Transformatoren 30 auf, die Anschlussenden 31, 32 und Wärmeableiter 35 aufweisen. Von den Anschlussenden 31, 32 ist in der Draufsicht nur das Anschlussende 31 zu sehen. Die Anschlussenden 31 sind elektrisch leitend mit Anschlüssen 23 an der Oberseite der Leiterkarte 10.1 und die Anschlussenden 32 sind mit Anschlüssen an der Unterseite der Leiterkarte 10.1 elektrisch leitend verbunden. Dazu sind die Anschlussenden 32 durch die Leiterkarte 10.1 hindurchgeführt. Die elektrisch leitende Verbindung von Anschlüssen der Leiterkarten 10.1, 10 ist durch flächige Leiter 61, die als Blechstreifen, insbesondere Kupferblech, ausgebildet sein können, realisiert. Dabei sind die Anschlüsse 23 an der Oberseite der Leiterkarte 10.1 sowohl mit den Anschlussenden 31 als auch mit dem Leiter 61 elektrisch leitend verbunden. Der oder die Anschlüsse der Anschlussanordnung 22 der Leiterkarte 10 sind ebenfalls mit dem Leiter 61 elektrisch leitend verbunden. Eine analoge Anordnung befindet sich an der Unterseite der Leiterkarten 10.1, 10.
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Es ist jeweils ein Leiter 61 an der Oberseite und der Unterseite der Leiterkarten 10, 10.1 vorgesehen. Die elektrische Verbindung der Leiterkarten 10, 10.1 ist demnach bifilar ausgeführt.
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Die Wärmeableiter 37 stehen nach hinten ab und können gut mit einem Kühlmittel angeströmt werden.
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Die 5 zeigt einen Transformator 100 mit einem Transformatorkern 101 und einer Wicklung 102 mit einer Windung. Der elektrische Anschluss 103 ist mit der Wicklung 102 verbunden. Weiterhin ist ein Wärmeableiter 104 mittig mit der Wicklung 102 verbunden. Die Wicklung 102 ist aus einem zur Stromführung bestimmten Leiter, insbesondere einem Bandleiter, ausgebildet. Der Doppelpfeil 105 deuten die Länge der elektrischen Stromführung an, während die Pfeile 106 die Länge der thermischen Stromführung angeben. Hieraus ergibt sich, dass die Länge der thermischen Stromführung deutlich geringer ist, da Wärme sowohl über den Wärmeableiter 104 als auch über den Anschluss 103 abgeführt werden kann. Der Wärmewiderstand wird daher halbiert, da die Weglänge halbiert wurde. Da nun doppelt so viele Strecken vorhanden sind, um Wärme abzuführen, halbiert sich die thermische Spannung nicht nur, sondern sie wird auf 25% reduziert.
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In der 6 ist ein Transformator 100' mit einem Transformatorkern 101' und einer Wicklung 102' dargestellt. Die Wicklung 102' weist in diesem Fall zwei Windungen auf. Der Wärmeableiter 104' ist auf der rechten Seite angeordnet und liegt teilweise über dem Anschluss 103'. Der Pfeil 105' gibt die Länge der elektrischen Stromführung an. Die Pfeile 106' geben die Länge der thermischen Stromführung an.
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Auch hier ist zu erkennen, dass durch das Vorsehen des Wärmeableiters 104' die Länge der thermischen Stromführung deutlich reduziert wurde im Vergleich zur Länge der elektrischen Stromführung. Dadurch kann eine besonders gute Wärmeabfuhr erfolgen.
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Aus den vorstehenden Ausführungsbeispielen wird deutlich, dass der Wärmeableiter 104, 104' an derselben Stelle und in dieselbe Richtung aus dem Transformator 100, 100' geführt werden kann oder auf einer gegenüber liegenden Seite. Es können für jede Wicklung des Transformators ein oder mehrere Wärmeableiter vorgesehen sein.
