EP1199730A2 - Transformator für hohe Betriebsfrequenz und Leistung - Google Patents

Transformator für hohe Betriebsfrequenz und Leistung Download PDF

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EP1199730A2 EP01124152A EP01124152A EP1199730A2 EP 1199730 A2 EP1199730 A2 EP 1199730A2 EP 01124152 A EP01124152 A EP 01124152A EP 01124152 A EP01124152 A EP 01124152A EP 1199730 A2 EP1199730 A2 EP 1199730A2
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling

Definitions

  • the invention relates to a transformer for high operating frequency and performance.
  • the transformer should meet high requirements the insulation between the primary and secondary side fulfill.
  • Transformers with a substantially higher than the mains frequency operating frequency are mainly for so-called Switching power supplies with relatively low insulation requirements and small services.
  • Transformers with coaxial windings show a lot small leakage inductances and only have small magnetizing currents, however require special measures for mutual Isolation of the windings and are technological consuming.
  • the invention has for its object a transformer of the type mentioned at the beginning, the technical and economical is advantageously realizable, which in terms of its weight and volume clearly from previous solutions takes off and the high insulation requirements between Primary and secondary side fulfilled.
  • the magnetic circuit of the transformer consists a primary and a secondary winding carrying first core parts.
  • first core parts about other core parts and at least two, one electrical insulation between the primary and secondary side of the transformer causing isolators is the magnetic one Circle closed, the first and the others Core parts are designed so that in the first core parts there is a higher flux density than in the other core parts.
  • the starting point of the invention is the knowledge that for one transformer operated with self-commutated converters minimizing the leakage inductance and the magnetizing current withdraw from the aforementioned requirements can.
  • Another advantage is that the transformer from a few, clearly functionally separated, individually optimizable Parts can be put together.
  • the magnetic circuit of the transformer shown in Fig. 1 consists of three different parts that are multiple magnetic are connected in series.
  • Task of a concentrator 1 is a very homogeneous field of very high flux density to create.
  • the concentrator 1 is therefore the simplest Case a rectangular rod made of soft magnetic material with a very high permissible flux density - preferably of amorphous Metal.
  • a concentrator 1 is on the primary and secondary side intended.
  • the magnetic field is generated by a concentrator 1 starting from a further core part, here called diffuser 2, forwarded.
  • the task of the diffuser 2 is outside the concentrator 1 the magnetic flux density as far reduce that spatial areas of low permeability as little impact as possible in the rest of the magnetic circuit to have. These areas are especially the areas isolation points between primary and secondary side, realized by an isolator 3, and inevitable Air gaps at joints.
  • B. Quadruple compared to concentrator 1 can be enlarged, in particular ferrite materials use. Due to this degree of freedom in the choice of materials there are significant advantages in terms of weight, costs and the simple material processing compared to e.g. B. amorphous Metals.
  • the task of the insulator 3 is the electrical separation of the primary and secondary sides of the transformer. In the simplest case, it therefore consists of a plate of suitable insulation material. Since - in contrast to conventional transformers - there are no requirements with regard to the thermal conductivity of the insulation material, materials with extremely high dielectric strength and a low dielectric constant can be used. In order to extend the creepage distances of the insulation paths, the known measures such as groove structures, edge structures with walls, webs etc. can be applied to the insulators 3. An advantageous development of the invention is to connect the diffusers 2 and the insulators 3 several times in series in the magnetic circuit and / or to combine them constructively, see FIG. 3. The effect of the diffuser 2 can thereby be further improved with extremely low weight gain.
  • a firm assembly of the diffusers 2 and the isolators 3 - z. B. by gluing under vacuum and pressure - can also be advantageous and improve the insulation ability.
  • Another advantage of the arrangement is the fact that the interfaces between the concentrators 1 and the Diffusers 2 neither in terms of mechanical precision nor electrical insulation are critical. Therefore can these as mechanical separation points to simplify assembly / disassembly remain. This also allows the winding 4 prefabricated slide onto the concentrator 1 what facilitates the manufacture of a winding 4 with a high copper fill factor.
  • the cooling of the arrangement can, because of the unique electrical Separation of the primary and secondary side, for both Pages can be chosen completely separately. It can be both the soft magnetic components (concentrators 1 and Diffusers 2) and the windings 4 are advantageously cooled be because they are easily accessible and not by z. B. by thick Insulations or potting compounds are covered. this fact also accommodates effective air cooling. So is in the arrangement shown a much easier cooling possible by heat conduction into an outer cooling plate 6, since the winding 4, but also the magnetic parts (concentrators 1 and diffusers 2), are easily accessible.
  • a special, advantageous version for cooling the Winding 4 results if this consists of a around the concentrator 1 wrapped sheet metal with heat-conducting layer insulation consists.
  • This embodiment of the winding 4 also poses regarding minimal electrical power loss is an optimum.
  • this version of the winding 4 is already by pressing a cooling plate 6 and one electrically insulating, thermally conductive intermediate layer 5, see Fig. 4, good cooling of the winding 4 can be achieved.
  • the cooling plate 6 is already used in many cases for cooling the semiconductors of the converter.
  • the requirements with regard to the electrical insulation of the intermediate layer 5 can be kept to a minimum, since the cooling plates 6 for the primary and secondary sides can be completely separate. (If both cooling plates have a common cooling liquid, the cooling liquid must of course be electrically insulating.) However, the clear electrical separation of the primary and secondary side also offers great degrees of freedom with regard to cooling, e.g. B. Liquid cooling of the primary side and air cooling of the secondary side.

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Abstract

Bisher bekannte Transformatoren, die mit leistungselektronischen Umformern zusammenarbeiten, haben noch eine Reihe von Nachteilen. Vorgeschlagen wird ein Transformator, dessen magnetischer Kreis aus eine Primär- und eine Sekundärwicklung (4) tragenden ersten Kernteilen (1) besteht und über weitere Kernteile (2) und mindestens zwei, eine elektrische Isolation zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators bewirkende Isolatoren (3) geschlossen ist, wobei die ersten und die weiteren Kernteile (1, 2) so gestaltet sind, dass in den ersten Kernteilen (1) eine höhere Flussdichte herrscht als in den weiteren Kernteilen (2). Die Transformatoren sind insbesondere für den Einsatz auf elektrischen Triebfahrzeugen vorgesehen. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator für hohe Betriebsfrequenz und Leistung. Der Transformator soll dabei hohe Anforderungen an die Isolation zwischen Primär- und Sekundärseite erfüllen.
Transformatoren mit einer wesentlich über der Netzfrequenz liegenden Betriebsfrequenz werden bisher vorwiegend für sogenannte Schaltnetzteile mit relativ niedrigen Isolationsanforderungen und kleinen Leistungen genutzt.
Darüber hinaus sind sogenannte Mittelfrequenztransformatoren in Verbindung mit leistungselektronischen Umformern als Ersatz für konventionelle Netztransformatoren bekannt. Die mittels der leistungselektronischen Umformer erzeugte, wesentlich über der Netzfrequenz liegende Betriebsfrequenz ermöglicht prinzipiell erhebliche Gewichts- und Volumeneinsparungen der Transformatoren. Deren Leistung ist jedoch bisher stark begrenzt.
Um die konventionellen Netztransformatoren auf elektrischen Triebfahrzeugen zu ersetzen, werden jedoch übertragbare Leistungen im Bereich mehrerer hundert Kilowatt benötigt und sehr hohe Isolationsanforderungen durch die vorgegebenen 15kV- und 25kV- Netzspannungen gestellt. Um diese Anforderungen zu erfüllen, sind in der jüngsten Zeit verschiedene Anstrengungen unternommen worden.
So ist aus H. Reinold, M. Steiner: "Characterization of Semi-conductor Losses in Series Resonant DC-DC Converters for High Power Applications using Transformers with Low Leakage Inductance", EPE 1999, Lausanne, ein Gleichstromübertrager mit einem Transformator mit koaxialem Wicklungsaufbau und einem hochpermeablem Kern aus amorphem Material bekannt, der mit IGBT-Serienresonanz-Umrichtern zusammen arbeitet. Die Einheit soll eine Leistung von 200 kW erreichen.
Aus M. Kunz, F. Hörl, T. Klockow: "Entwicklung einer massearmen Energieversorgung für elektrische Triebfahrzeuge", ZEV-DET Glas. Ann. 123, 11/12, S. 423 - 426, 1999, ist ein Mittelfrequenztransformator bekannt, dessen Eingangsspannung durch eine Kaskade von IGBT-Teilumrichtern von 16 2/3 Hz auf 400 Hz umgesetzt wird. Der Transformator erreicht eine Leistung von 1 MVA bei einem halbierten Gewicht gegenüber herkömmlichen Bahntransformatoren. Über den Aufbau des Transformators selber werden keine näheren Angaben gemacht.
In Klontz, K.W.; Novotny, D.W.: "An actively cooled 120kW coaxial winding transformer for fast charging electric vehicles"; IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 31, no. 6, p. 1257-63, 1995 und Klontz, K.W.; Divan, D.M.; Novotny, D.W.; Lorentz, R.D.: "Contactless power delivery system for mining applications"; IEEE Transactions on Industry Applications, vol. 31, no. 1, p. 27-35, 1995 werden ebenfalls Transformatoren mit koaxialen Wicklungen beschrieben. Sie sollen bei einer Frequenz von 20 kHz eine Leistung von 120 kW übertragen, wobei aufwendige Maßnahmen zur Kühlung getroffen werden müssen..
Transformatoren mit koaxialen Wicklungen weisen zwar sehr kleine Streuinduktivitäten auf und haben nur kleine Magnetisierungsströme, erfordern jedoch besondere Maßnahmen zur gegenseitigen Isolation der Wicklungen und sind technologisch aufwendig.
Alle vorbenannten Lösungen gemein sind noch zu große Nachteile bzgl. Gewicht, Volumen, Wirkungsgrad und Kühlung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator der eingangs genannten Art anzugeben, der technisch und wirtschaftlich vorteilhaft realisierbar ist, der sich hinsichtlich seines Gewichts und Volumens deutlich von bisherigen Lösungen abhebt und der hohe Isolationsanforderungen zwischen Primär- und Sekundärseite erfüllt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Danach besteht der magnetische Kreis des Transformators aus eine Primär- und eine Sekundärwicklung tragenden ersten Kernteilen. Über weitere Kernteile und mindestens zwei, eine elektrische Isolation zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators bewirkende Isolatoren ist der magnetische Kreis geschlossen, wobei die ersten und die weiteren Kernteile so gestaltet sind, dass in den ersten Kernteilen eine höhere Flussdichte herrscht als in den weiteren Kernteilen.
Mit der Erfindung werden die sich teilweise widerstrebenden Forderungen nach:
  • a) geringem Gewicht und Volumen
  • b) einfacher Kühlungsmöglichkeit
  • c) hohem Wirkungsgrad
  • d) sicherer Isolation
  • e) reduziertem Fertigungs- und Materialaufwand
    • auf eine technisch und wirtschaftlich vorteilhafte Art erfüllt.
    Ausgangspunkt der Erfindung ist die Erkenntnis, dass für einen mit selbstgeführten Stromrichtern betriebenen Transformator die Minimierung der Streuinduktivität und des Magnetisierungsstromes gegenüber den vorgenannten Anforderungen zurücktreten kann.
    Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Transformator aus wenigen, klar funktionell getrennten, einzeln optimierbaren Teilen zusammensetzbar ist.
    Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. in den zugehörigen Zeichnungen zeigen
    Fig. 1
    eine Prinzipdarstellung des magnetischen Kreises eines erfindungsgemäßen Transformators,
    Fig. 2
    den magnetischen Kreis des Transformators mit Wicklungen,
    Fig. 3
    den magnetischen Kreis des Transformators mit mehreren Isolierstellen zwischen Primär- und Sekundärseite und
    Fig. 4
    den Transformator mit zusätzlichen Maßnahmen zur Kühlung der Wicklungen.
    Der in Fig. 1 gezeigte magnetische Kreis des Transformators besteht aus drei verschiedenartigen Teilen, die mehrfach magnetisch in Reihe geschaltet sind. Aufgabe eines Konzentrators 1 ist es, ein möglichst homogenes Feld sehr hoher Flußdichte zu erzeugen. Der Konzentrator 1 ist deshalb im einfachsten Fall ein rechteckförmiger Stab aus weichmagnetischem Material mit sehr hoher zulässiger Flußdichte - vorzugsweise aus amorphem Metall. Ein Konzentrator 1 ist primär- als auch sekundärseitig vorgesehen. Durch die Anordnung einer Wicklung 4 im Bereich eines Konzentrators 1, siehe Fig. 2, wird deren Verlustleistung minimiert.
    Darüber hinaus ist es nicht notwendig, eine hohe Isolationsspannung zwischen dem Konzentrator 1 und einer Wicklung 4 zu realisieren. Es ist im Sinne einer Optimierung von Raumbedarf und Fertigungsaufwand sogar möglich, einen beliebigen Punkt einer Wicklung 4 mit dem zugehörigen Konzentrator 1 galvanisch zu verbinden.
    Das magnetische Feld wird, jeweils von einem Konzentrator 1 ausgehend, von einem weiteren Kernteil, hier Diffusor 2 genannt, weitergeleitet. Aufgabe des Diffusors 2 ist es, außerhalb des Konzentrators 1 die magnetische Flußdichte soweit zu reduzieren, dass die räumlichen Bereiche niedriger Permeabilität im restlichen magnetischen Kreis möglichst geringe Auswirkungen haben. Diese Bereiche sind insbesondere die Bereiche von Isolierstellen zwischen Primär- und Sekundärseite, realisiert durch jeweils einen Isolator 3, und unvermeidliche Luftspalte an Fügestellen.
    An das weichmagnetische Material der Diffusoren 2 müssen nur geringe Anforderungen gestellt werden. Da sich die Materialquerschnittsfläche im Bereich vor dem Isolator ohne weiteres auf das z. B. Vierfache (verglichen mit dem Konzentrator 1) vergrößern lässt, kann man insbesondere Ferritmaterialien verwenden. Durch diesen Freiheitsgrad in der Materialwahl ergeben sich erhebliche Vorteile bezüglich Gewicht, Kosten und der einfachen Materialbearbeitung gegenüber z. B. amorphen Metallen.
    Aufgabe des Isolators 3 ist die elektrische Trennung der Primär- und Sekundärseite des Transformators. Er besteht deshalb im einfachsten Fall aus einer Platte geeigneten Isolationsmaterials. Da - im Gegensatz zu konventionellen Transformatoren - keine Forderungen bezüglich der thermischen Leitfähigkeit des Isolationsmaterials bestehen, können Materialien extrem hoher Durchschlagsfestigkeit und niedriger Dielektrizitätskonstante verwendet werden. Zwecks Verlängerung der Kriechstrecken der Isolationswege lassen sich die bekannten Maßnahmen wie Rillenstrukturen, Randstrukturen mit Wänden, Stegen usw. auf die Isolatoren 3 anwenden.
    Eine vorteilhafte Weiterführung der Erfindung besteht darin, die Diffusoren 2 und die Isolatoren 3 mehrfach im magnetischen Kreis in Reihe zu schalten und/oder konstruktiv zusammenzufassen, siehe Fig. 3. Die Wirkung des Diffusors 2 lässt sich dadurch bei extrem geringem Gewichtszuwachs weiter verbessern. Ein festes Zusammenfügen der Diffusoren 2 und der Isolatoren 3 - z. B. durch Verkleben unter Vakuum und Pressdruck - kann darüber hinaus vorteilhaft sein und die Isolationsfähigkeit verbessern. Auf Grund der erwähnten, recht freizügigen Auswahlmöglichkeiten bei den Materialien für die Diffusoren 2 und die Isolatoren 3 sind entsprechende Verbindungstechniken gut realisierbar.
    Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht in der Tatsache, dass die Grenzflächen zwischen den Konzentratoren 1 und den Diffusoren 2 weder bezüglich der mechanischen Präzision noch der elektrischen Isolation kritisch sind. Deshalb können diese als mechanische Trennstellen zur Vereinfachung der Montage/Demontage verbleiben. Dadurch lässt sich auch die Wicklung 4 vorgefertigt auf den Konzentrator 1 aufschieben, was die Fertigung einer Wicklung 4 mit hohem Kupferfüllfaktor erleichtert.
    Die Kühlung der Anordnung kann, wegen der eindeutigen elektrischen Trennung der Primär- und Sekundärseite, für beide Seiten völlig getrennt gewählt werden. Es können jeweils sowohl die weichmagnetischen Bauteile (Konzentratoren 1 und Diffusoren 2), als auch die Wicklungen 4 vorteilhaft gekühlt werden, da sie gut zugänglich und nicht durch z. B. durch dicke Isolationen oder Vergußmassen verdeckt sind. Diese Tatsache kommt auch einer effektiven Luftkühlung entgegen. So ist bei der gezeigten Anordnung eine wesentlich einfachere Kühlung durch Wärmeleitung in eine äußere Kühlplatte 6 möglich, da die Wicklung 4, jedoch auch die magnetischen Teile (Konzentratoren 1 und Diffusoren 2), gut zugänglich sind.
    Eine spezielle, vorteilhafte Ausführung für die Kühlung der Wicklung 4 ergibt sich, wenn diese aus einer um den Konzentrator 1 gewickelten Blechfolie mit wärmeleitender Lagenisolation besteht. Diese Ausführungsform der Wicklung 4 stellt auch bezüglich minimaler elektrischer Verlustleistung ein Optimum dar. Bei dieser Ausführung der Wicklung 4 ist bereits durch das Anpressen einer Kühlplatte 6 und einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Zwischenlage 5, siehe Fig. 4, eine gute Kühlung der Wicklung 4 erzielbar. Die Kühlplatte 6 wird in vielen Fällen bereits für die Kühlung der Halbleiter des Stromrichters vorhanden sein.
    Die Anforderungen bezüglich der elektrischen Isolation der Zwischenlage 5 lassen sich minimal halten, da die Kühlplatten 6 für die Primär- und Sekundärseiten völlig getrennt sein können. (Falls beide Kühlplatten eine gemeinsame Kühlflüssigkeit haben, muss selbstverständlich die Kühlflüssigkeit elektrisch isolierend sein.)
    Die eindeutige elektrische Trennung von Primär- und Sekundärseite bietet jedoch auch bzgl. der Kühlung große Freiheitsgrade, z. B. Flüssigkeitskühlung der Primärseite und Luftkühlung der Sekundärseite.
    Bei höherer Leistungsdichte des Transformators wird i.a. eine intensivere Kühlung der Wicklung 4 erforderlich sein. Diese lässt sich bei Vorhandensein einer forcierten Flüssigkeitskühlung mit elektrisch isolierender Flüssigkeit in Form einer Innenleiterkühlung realisieren. Ähnliche Maßnahmen sind auch für die weichmagnetischen Bauteile (Konzentratoren 1 und Diffusoren 2) durch flüssigkeitsdurchströmte Bohrungen realisierbar und prinzipiell bereits bekannt.

    Claims (10)

    1. Transformator für hohe Betriebsfrequenz und Leistung, dadurch gekennzeichnet, dass sein magnetischer Kreis aus eine Primär- und eine Sekundärwicklung (4) tragenden ersten Kernteilen (1) besteht und über weitere Kernteile (2) und mindestens zwei, eine elektrische Isolation zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators bewirkende Isolatoren (3) geschlossen ist, wobei die ersten und die weiteren Kernteile (1, 2) so gestaltet sind, dass in den ersten Kernteilen (1) eine höhere Flussdichte herrscht als in den weiteren Kernteilen (2).
    2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kernteile (1) aus amorphem Metall bestehen.
    3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Kernteile (2) aus Ferrit bestehen.
    4. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitern Kernteile (2) mit den Isolatoren (3) verklebt sind.
    5. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär- und/oder Sekundärwicklung aus einer Metallfolie besteht.
    6. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen der Primär- und/oder Sekundärwicklung durch elektrisch isolierende, gut wärmeleitende Zwischenlagen (5) voneinander getrennt sind.
    7. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär- und/oder Sekundärwicklung (4) mit einer Kühlplatte (6) verbunden ist.
    8. Transformator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenlagen (5) mit der Kühlplatte (6) verbunden sind.
    9. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter der Primär- und/oder Sekundärwicklung (4) durch ein Fluid innengekühlt sind.
    10. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder weiteren Kernteile (1, 2) durch ein Fluid innengekühlt sind.
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    EP1199730A3 EP1199730A3 (de) 2002-12-11
    EP1199730B1 EP1199730B1 (de) 2007-08-08

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