DE212015000259U1 - Transformer with integrated inductor - Google Patents
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Abstract
Transformator mit integriertem Induktor, aufweisend: – einen ersten Magnetkörper (1) und einen zweiten Magnetkörper (2), welche voneinander unabhängig sind, wobei der erste Magnetkörper (1) und der zweite Magnetkörper (2) jeweils eine Platte (1a, 2a) umfassen, von der sich ein Kern (1b, 2b) mit zylindrischen oder polygonalem Querschnitt ableitet; und – Primär- und Sekundärwicklungen (5), welche derart angeordnet sind, dass sie einen rohrförmigen Kern (7b) einer Spule (7) aus elektrischem Isoliermaterial umgeben, wobei die Kerne (1b, 2b) in dem rohrförmigen Hohlraum der Spule (7) angeordnet sind und sich die Enden der Kerne (1b, 2b) mit einem vorbestimmten Abstand gegenüber stehen, dadurch gekennzeichnet, dass – die Primär- und Sekundärwicklungen (5) jeweils aus einer Windung umfassend eine Vielzahl von Fäden gebildet sind, welche einzeln verflochten sind, mit drei Isolierungsschichten; und – eine der Basen (7a) der Spule (7) Verlängerungen aufweist, welche, zusammen mit Endkanten, mit einer Reihe von Öffnungen gebildet sind, welche dazu eingerichtet sind, eingeführte flache Kontaktstifte (3) oder Stecker (4) aufzunehmen, wobei deren Endabschnitte gegen die Verlängerungen gebogen sind, so dass komplanare flache Montage- und Anschlussklemmen bereitgestellt sind.Integrated inductor transformer comprising: - a first magnetic body (1) and a second magnetic body (2) which are independent of one another, wherein the first magnetic body (1) and the second magnetic body (2) each comprise a plate (1a, 2a) from which a core (1b, 2b) with a cylindrical or polygonal cross-section is derived; and primary and secondary windings (5) arranged so as to surround a tubular core (7b) of a coil (7) of electrical insulating material, the cores (1b, 2b) being located in the tubular cavity of the coil (7) are arranged and the ends of the cores (1b, 2b) face each other with a predetermined distance, characterized in that - the primary and secondary windings (5) are each formed by a turn comprising a plurality of threads which are individually interwoven, with three insulation layers; and - one of the bases (7a) of the coil (7) has extensions which, together with end edges, are formed with a series of openings adapted to receive inserted flat contact pins (3) or plugs (4) End portions are bent against the extensions, so that coplanar flat mounting and terminals are provided.
Description
Die Offenbarung betrifft allgemein das Gebiet der Leistungstransformatoren. Insbesondere betrifft die Offenbarung einen Transformator mit einer sehr kompakten Größe, der für die schnelle Aufladung von Batterien vorgesehen ist, wobei der Transformator einen Resonanzinduktor integriert. Der Transformator weist magnetische Abdeckungen und Wicklungen auf, welche um einen rohrförmigen Kern einer Spule aufgewickelt sind, und ist für eine Oberflächenmontage (SMD) vorgesehen.The disclosure generally relates to the field of power transformers. In particular, the disclosure relates to a transformer of a very compact size intended for fast charging of batteries, the transformer incorporating a resonant inductor. The transformer has magnetic covers and windings wound around a tubular core of a coil and is intended for surface mount (SMD).
Stand der TechnikState of the art
Um die Aufladung von Hochspannungsbatterien (250–450 V) durchzuführen, welche zum Beispiel in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen verwendet wird, um den Motor und die Gesamtheit von elektrischen und elektronischen Vorrichtungen des Fahrzeugs zu versorgen, können unterschiedliche Systeme verwendet werden, welche an das Netz (50/60 Hz) oder an eine Energieversorgungsquelle (Wechselstrom oder Gleichstrom) angeschlossen sein können.In order to carry out the charging of high voltage batteries (250-450 V), which is used, for example, in hybrid or electric vehicles to power the engine and the entirety of the vehicle's electrical and electronic devices, different systems connected to the grid can be used (50/60 Hz) or connected to a power source (AC or DC).
Für die Aufladung der genannten Batterien gibt es hauptsächlich zwei unterschiedliche Leistungselektroniktopologien, die ZVS und die resonante Vollbrücke-LLC. Beide Topologien erlauben die Entwicklung eines hocheffizienten Umwandlers (> 90%).For the charging of said batteries, there are mainly two separate power electronics topologies, the ZVS and the Full Bridge Resonant LLC. Both topologies allow the development of a high-efficiency converter (> 90%).
Resonante LLC-Schaltungen werden bevorzugt, weil sie zusätzlich die sich aus der elektromagnetischen Interferenz (EMI) ableitende Probleme mittels einer sanften Umschaltung verringern, weshalb deren Verwendung größer als die der ZVS-Systeme ist. Der Schaltfrequenzbereich bei den resonanten LLC-Schaltungen ist gewöhnlich 70–350 kHz. Darüber hinaus wird bei dieser Art von Schaltungen durch die Verwendung einer Leistung von 3,5 kW eine vollständige Beladung der Batterien über Nacht (etwa acht Stunden) erlaubt. Es ist auch möglich höhere Leistungen (7 kW, 22 kW, 43 kW) zu verwenden, um eine schnellere Aufladung der Batterien zu erlauben.Resonant LLC circuits are preferred because, in addition, they reduce the problems derived from electromagnetic interference (EMI) by means of a soft switching, and therefore their use is greater than that of the ZVS systems. The switching frequency range in the resonant LLC circuits is usually 70-350 kHz. In addition, this type of circuit, by using a power of 3.5 kW, allows a full charge of the batteries overnight (about eight hours). It is also possible to use higher powers (7 kW, 22 kW, 43 kW) to allow faster charging of the batteries.
Eine LLC-Topologie erfordert allgemein zwei Induktoren (oder chokes), einen Reiheninduktor, LR, und einen Parallelinduktor, LP, welche einem Kondensator CR zugeordnet sind, um einen Resonanztank zu bilden (
Ein Transformator, in welchem der erwähnte Induktor LP integriert wird, ist zum Beispiel aus Patent
Aus dem Gebrauchsmuster
Andererseits ist im aktuellen Stand der Technik kein Transformator bekannt, welcher einen Induktor mit Wicklungen integriert, welche um eine Spule aufgewickelt sind und durch eine Ausbildung und ein Material mit hohen mechanischen und thermischen Merkmalen gefertigt, in welchem eine der Basen der Spule zusätzlich Verlängerungen mit Öffnungen für die Einführung von Klemmen beinhaltet, mit einem genügenden Querschnitt, um die Übertragung von hohen Stromstärken zu erlauben und gleichzeitig eine mechanische Haltekraft bereitzustellen, wobei derartige Klemmen eine Ausbildung einnehmen, welche eine automatische Oberflächenmontage des Transformators und einen Anschluss desselben erlauben.On the other hand, in the current state of the art, no transformer is known which integrates an inductor with windings wound around a coil and made by a design and a material with high mechanical and thermal characteristics in which one of the bases of the coil additionally has openings with openings for the introduction of terminals, with a sufficient cross-section, to allow the transmission of high currents and at the same time to provide a mechanical holding force, wherein such terminals occupy an education that allow automatic surface mounting of the transformer and a connection thereof.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Um die Beschränkungen des Stands der Technik zu lösen, ist eine Art von Transformator bereitgestellt, welcher besonders geeignet für die Aufladung von Batterien ist, in welchem sich der Spannungspegel des gleichgerichteten Stroms an die Spannung der Batterie anpasst, und in welchem eine Isolierung gegen gefährliche Spannungen bereitgestellt wird, um Schäden bei einem Endbenutzer zu verhindern.In order to overcome the limitations of the prior art, there is provided a type of transformer which is particularly suitable for charging batteries, in which the voltage level of the rectified current adapts to the voltage of the battery, and in which it is insulated against dangerous voltages is provided to prevent damage to an end user.
Der Transformator weist ebenfalls besondere Klemmen (Kontaktstifte/Stecker) auf, welche für eine Oberflächenmontagetechnologie (SMD) ausgebildet sind, um zu erlauben, dass der vorgeschlagene Transformator direkt auf einem metallischen Substrat (IMS, Isolated Metal Substrate) automatisch geschweißt werden kann und dadurch die Integration von höheren Energiedichten und besseren mechanischen und thermischen Leistungen zu ermöglichen.The transformer also has special terminals (contact pins / plugs) designed for surface mount technology (SMD) to allow the proposed transformer to be automatically welded directly to a metal substrate (IMS, IMS) and thereby the Integration of higher energy densities and better mechanical and thermal performances.
Der vorgeschlagene Transformator mit integriertem Induktor, sowie die im Stand der Technik bekannten Transformatoren, umfasst zwei Magnetkörper, welche unabhängig voneinander sind, wobei jeder derselben eine Platte umfasst, von der sich ein Kern mit zylindrischem oder polygonalem Querschnitt ableitet; und Primär- und Sekundärwicklungen, welche derart angeordnet sind, dass sie einen rohrförmigen Kern einer Spule aus elektrischem Isoliermaterial umgeben, in welchem die Kerne mit zylindrischem oder polygonalem Querschnitt in dem rohrförmigen Hohlraum der Spule angeordnet sind, so dass sich deren Enden mit einem vorbestimmten Abstand gegenüber stehen.The proposed integrated inductor transformer, as well as the prior art transformers, comprises two magnetic bodies which are independent of each other, each of which comprises a plate of which a cylindrical or polygonal core is formed Cross-section derives; and primary and secondary windings arranged to surround a tubular core of a coil of electrical insulating material in which the cores of cylindrical or polygonal cross-section are disposed in the tubular cavity of the coil so that their ends are at a predetermined pitch stand opposite.
Typischerweise sind die Primär- und Sekundärwicklungen jeweils aus einer Windung umfassend eine Vielzahl von Fäden gebildet, welche einzeln verflochten sind, mit drei Isolierungsschichten, und eine der Basen der Spule weist Verlängerungen auf, welche, zusammen mit Endkanten, mit einer Reihe von Öffnungen gebildet sind, welche dazu eingerichtet sind, eingeführte flache Kontaktstifte oder Stecker aufzunehmen, wobei deren Endabschnitte gegen die Verlängerungen gebogen sind, so dass komplanare flache Montage- und Anschlussklemmen bereitgestellt werden.Typically, the primary and secondary windings are each formed of a turn comprising a plurality of filaments individually interwoven with three insulation layers, and one of the bases of the coil has extensions which, together with end edges, are formed with a series of apertures which are adapted to receive inserted flat contact pins or plugs with their end portions bent against the extensions to provide coplanar flat mounting and connection terminals.
Die Öffnungen der Basis der Spule weisen vorzugsweise zwei unterschiedliche Abmessungen auf. Die Öffnungen höherer Größe werden hauptsächlich dazu verwendet, die fischen Kontaktstifte für die Versorgung der Primär- und Sekundärwicklungen aufzunehmen, während die Öffnungen niedrigerer Größe die Stecker für den Anschluss der Primär- und Sekundärwicklungen an einem Wärmesensor (zum Beispiel einem NTC-Sensor) aufnehmen. in einem Ausführungsbeispiel sind die flachen Kontaktstifte und die Stecker aus einer verzinnten Phosphor-Bronze-Legierung.The openings of the base of the coil preferably have two different dimensions. The larger size openings are primarily used to accommodate the fishing pins for the primary and secondary windings, while the smaller size holes accommodate the connectors for connecting the primary and secondary windings to a thermal sensor (eg, an NTC sensor). In one embodiment, the flat contact pins and the plugs are of a tin-plated phosphor bronze alloy.
Die Platten, welche die Magnetkörper bilden, können ebenfalls eine „E”-förmige Ausbildung aufweisen, wobei sich aus jedem Ende der Platte ein Bein ableitet. Die Beine sind derart bemessen, dass, wenn die Magnetkörper mit deren Kernen entgegengesetzt angeordnet werden, die Enden der genannten Kerne mit diesem vorbestimmten Abstand getrennt bleiben, da die Beine der beiden Platten mit deren Enden gegenüberstehend bleiben.The plates forming the magnetic bodies may also have an "E" shaped configuration, with one leg being derived from each end of the plate. The legs are dimensioned such that when the magnetic bodies are oppositely arranged with their cores, the ends of said cores remain separated at this predetermined distance, since the legs of the two plates remain opposite the ends thereof.
Die drei Isolierungsschichten können ein Klebeband aus Polyamid umfassen, welches die verflochtenen Fäden umgibt. Vorzugsweise weisen die Fäden der Primär- und Sekundärwicklungen eine Dicke von etwa 0,05 bis 0,2 Millimetern (mm) auf.The three insulating layers may comprise a polyamide adhesive tape surrounding the interlaced filaments. Preferably, the filaments of the primary and secondary windings have a thickness of about 0.05 to 0.2 millimeters (mm).
Vorzugsweise sind die genannten Magnetkörper aus einem Mangan-Zink-Ferrit-Material und die Spule ist aus einem Kunststoffmaterial ausgewählt aus PET, LCP, Phenolharz oder einem Flammschutzmaterial.Preferably, said magnetic bodies are of a manganese-zinc ferrite material and the coil is of a plastic material selected from PET, LCP, phenolic resin or a flame retardant material.
Unter Verwendung eines Ferrit-Magnetkörpers, mit wenigen Verlusten und einer hohen Wärmebeständigkeit, sowie unter Verwendung von dünnen verflochtenen leitenden Fäden, welche parallel zu den Primär- und Sekundärwicklungen angeordnet sind, macht der vorgeschlagene Transformator es möglich, die Verluste in Bezug auf den Eingangsspannungsbereich zu verringern, und erlaubt einen aktuellen Verbrauch gemäß dem Ladezustand der Batterie.By using a ferrite magnetic body with few losses and high heat resistance, as well as using thin interlaced conductive filaments arranged parallel to the primary and secondary windings, the proposed transformer makes it possible to increase the losses with respect to the input voltage range and allows actual consumption according to the state of charge of the battery.
Darüber hinaus erlaubt die Verwendung von den genannten isolierten verflochtenen leitenden Fäden die Anforderung an Schlagweite und Kriechen gemäß den Sicherheitsnormen (
Die Verwendung eines Wärmesensors, der innerhalb der Primär- und Sekundärwicklungen integriert sein kann, erlaubt ebenso die Erwärmung des Transformators zu steuern. Die Erfassung dieser Erwärmung wird mittels Elektronik analysiert, welche in der Lage ist die Energie während der Beladung der Batterie zu verringern, wenn sich der Transformator zu sehr erwärmt, und dadurch wird jede Überhitzung verhindert.The use of a thermal sensor, which may be integrated within the primary and secondary windings, also allows the heating of the transformer to be controlled. The detection of this heating is analyzed by means of electronics which is able to reduce the energy during the charging of the battery when the transformer heats up too much, thus preventing any overheating.
Der vorgeschlagene Transformator erlaubt das Betreiben mit einer Leistungsdichte von 20–25 W/cm3 und einer Stromdichte von bis zu 6–7,5 A/mm2 unter geeigneten Kühlbedingungen.The proposed transformer allows operation at a power density of 20-25 W / cm 3 and a current density of up to 6-7.5 A / mm 2 under suitable cooling conditions.
Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments
Die vorherigen und anderen Vorteile und Merkmale werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung, welche in einer illustrativen und nicht beschränkenden Weise angesehen werden soll, besser verstanden, wobei:The foregoing and other advantages and features will be better understood by reference to the following detailed description of an embodiment with reference to figures of a drawing, which are to be considered in an illustrative and non-restrictive manner, wherein:
In
Bevorzugt sind die Magnetkörper
Andererseits werden die Primär- und Sekundärwicklungen
Bevorzugt ist die Spule
Um das Aufwickeln der Wicklungen zu erlauben wird eine verschachtelte Wicklungstechnik verwendet, welche die Kopplung zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung verbessert, um die zusätzliche Wechselstromverluste aufgrund der Hochfrequenzeffekte (oberflächlich induzierten Ströme, Durchflusseffekte im Spalt, usw.) zu verringern.In order to allow winding of the windings, a nested winding technique is used which improves the coupling between the primary winding and the secondary winding to reduce the additional AC losses due to high frequency effects (superficially induced currents, flow effects in the gap, etc.).
Insbesondere sind die Primär- und Sekundärwicklungen
Wie zuvor erwähnt wurde, weist die Basis
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- 2014-11-07 ES ES201400886U patent/ES1134208Y/en active Active
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2015
- 2015-11-06 WO PCT/ES2015/070795 patent/WO2016071553A1/en active Application Filing
- 2015-11-06 DE DE212015000259.4U patent/DE212015000259U1/en active Active
Patent Citations (2)
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Standard IEC-62317-13 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R207 | Utility model specification | ||
R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: PREMO, S.A., ES Free format text: FORMER OWNER: PREMO S.L., CAMPANILLAS, ES |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: BOEHMERT & BOEHMERT ANWALTSPARTNERSCHAFT MBB -, DE |
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |