EP4396849A1

EP4396849A1 - Transformator

Info

Publication number: EP4396849A1
Application number: EP22768342.2A
Authority: EP
Inventors: Michael Decker
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-08-31
Filing date: 2022-08-19
Publication date: 2024-07-10
Also published as: US20240379274A1; WO2023030918A1; DE102021209537A1; CN117941015A; KR102804480B1; KR20240033072A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Transformator (10). Der Transformator (10) weist auf: eine Magnetkernstruktur (12), die zwei seitliche Schenkel (14, 16) und einen mit den seitlichen Schenkeln (14, 16) verbundenen Mittelschenkel (18) aufweist, eine um den Mittelschenkel (18) angeordneten ersten Wicklung (40), und eine um den Mittelschenkel (18) angeordneten zweiten Wicklung (42), wobei der Mittelschenkel (18) einen Luftspalt (36) aufweist, der mit einem elektrisch nicht-leitenden und magnetisch nicht-leitenden Isolationselement (44) gefüllt ist, welches mehrere sich durch das Isolationselement (44) erstreckende und mit einer Kupferplattierung (50) versehene Bohrungen (46) aufweist, wobei die Bohrungen (46) untereinander elektrisch nicht verbunden sind und sich senkrecht zum Luftspalt (36) erstrecken.

Description

Beschreibung

Transformator

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator.

Transformatoren werden üblicherweise als Bauteile zur Strom-bzw.

Spannungswandlung eingesetzt. Wie jedes elektrische Bauteil weist auch der Transformator bei der Wandlung von Strom bzw. Spannung Verluste auf. Die entstehende Verlustwärme muss zur Vermeidung von bauteilkritischen Temperaturen ausreichend gut abgeführt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Transformator für Hochvolt-Anwendungen ausgelegt werden muss.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Transformator bereitzustellen, der sich durch eine effektive Abfuhr von in dem Transformator entstehender Verlustwärme auszeichnet. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Transformator gemäß dem Patentanspruch 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Transformator bereitgestellt. Der Transformator kann beispielsweise ein Manteltransformator sein. Der Transformator umfasst eine Magnetkernstruktur, die zwei seitliche Schenkel und einen mit den seitlichen Schenkeln verbundenen Mittelschenkel aufweist. Der Transformator umfasst ferner eine um dem Mittelschenkel angeordnete erste Wicklung und eine um die Mittelschenkel angeordnete zweite Wicklung, die mit der ersten Wicklung und der Magnetkernstruktur zur Wandlung von Strom bzw. Spannung zusammenwirkt. Der erfindungsgemäße Transformator weist in dem Mittelschenkel einen Luftspalt auf, der mit einem elektrisch nicht-leitenden und magnetisch nicht-leitenden Isolationselement gefüllt ist, welches mehrere sich durch das Isolationselement erstreckende und mit einer Kupferplattierung versehene Bohrungen aufweist, die untereinander elektrisch nicht verbunden sind. Der erfindungsgemäße Transformator beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass der in dem Mittelschenkel vorhandene Luftspalt üblicherweise ein schlechter Wärmeleiter ist und dadurch Verlustwärme, die insbesondere im Betrieb des Transformators entsteht, nur unzureichend vom Luftspalt abgeführt werden kann. Der Luftspalt ist allerdings notwendig, da er eine vorzeitige Sättigung des Transformators, insbesondere bei hohen Strömen, vorbeugt. Der Luftspalt wird als Luftspalt bezeichnet, da er magnetisch und elektrisch nicht aktiv ist. Es ist nicht unüblich, bei Transformatoren einen Luftspalt vorzusehen. Der erfindungsgemäße Transformator beruht jedoch zumindest teilweise auf der Kenntnis, dass die durch den Luftspalt vorhandene unzureichende Wärmeabfuhr mittels eines elektrisch nicht-leitenden und magnetisch nicht-leitenden Isolationselements, das den Luftspalt ausfüllt, verbessert werden kann. Indem das Isolationselement elektrisch und magnetisch nicht-leitend ist, wird sichergestellt, dass der mit dem Isolationselement ausgefüllte Luftspalt magnetisch und elektrisch inaktiv bleibt. Der erfindungsgemäße Transformator beruht ferner zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass die Wärmeleitfähigkeit des magnetischen und elektrisch inaktiven Isolationselements durch mehrere sich durch das Isolationselement erstreckende und mit einer Kupferplattierung versehene Bohrungen, die untereinander elektrisch nicht verbunden sind, verbessert werden kann. Derartige Bohrungen im Isolationselement können auch als Vias bezeichnet werden. Derartige Bohrungen weisen aufgrund der Kupferplattierung, die beispielsweise durch einen Galvanisierungsprozess von Kupfer an der Bohrungsmantelfläche entsteht, eine kleine Kupferhülse an der Bohrungsmantelfläche auf. Diese Kupferhülse zeichnet sich durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit aus, da Kupfer als Metall eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Der erfindungsgemäße Transformator beruht zudem zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass diese vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit zur effizienten Wärmeabfuhr im Transformator genutzt werden kann, wenn die mit Kupfer plattierten Bohrungen zusätzlich keine elektrische Verbindung untereinander aufweisen bzw. untereinander elektrisch isoliert sind. Denn durch die untereinander isolierten Bohrungen werden unerwünschte Wirbelstromeffekte, die die Funktionalität eines Transformators einschränken würden, vermieden bzw. auf ein Minimum begrenzt. Dadurch wird ein Transformator bereitgestellt, der bei einer vergleichsweise gleichbleibenden Leistungsfähigkeit eine verbesserte Wärmeabfuhr aufweist.

Derartige Transformatoren können insbesondere auch in Hochvolt-Anwendungen eingesetzt werden, bei der eine effektive Wärmeabfuhr notwendig ist.

Die Bohrungen erstrecken sich dabei senkrecht zum Luftspalt im Mittelschenkel bzw. senkrecht zu einer sich in Längserstreckungsrichtung des Luftspalts erstreckende Mittelebene des Luftspalts , sodass eine effiziente Wärmeabfuhr senkrecht zur Längserstreckungsebene des Luftspalts im Mittelschenkel erfolgt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das elektrisch nicht-leitende und magnetisch nicht-leitende Isolationselement ein glasfaserverstärktes Harzelement ist. Glasfaserverstärkte Harzelemente sind beispielsweise als Material für Leiterplattenelemente bekannt. Die besonders vorteilhafte Ausgestaltungen sieht daher vor, eine Leiterplatte, die beispielsweise eine FR4-Leiterplatte sein kann, als Isolationselement zu verwenden. Derartige Leiterplatten können auch die bereits oben beschriebenen Vias aufweisen, sodass entsprechend ausgebildete Leiterplatten als Isolationselement im Luftspalt genutzt werden können.

Glasfaserverstärkte Harzelemente als Isolationselement weisen zudem gegenüber anderen Isolationselementen, wie beispielsweise Keramikelementen, den Vorteil einer einfacheren Fertigung auf, da die Bruchgefahr bei glasfaserverstärkten Harzelementen geringer als bei Keramikelementen ist. Zudem sind glasfaserverstärkte Harzelemente Massenartikel, die kostengünstig bezogen werden können.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Transformators sieht vor, dass die mehreren Bohrungen in dem Isolationselement in einem gleichmäßigen Raster angeordnet sind. Mit einem gleichmäßigen Raster wird im Rahmen dieser Offenbarung eine Anordnung von Bohrungen bezeichnet, die untereinander gleiche Abstände aufweisen. Dadurch wird eine gleichförmige Wärmeabfuhr über die Querschnittsfläche des Isolationselements sichergestellt. Zudem wird die durch das Isolationselement ergebende Wärmeleitfläche durch die gerasterte Anordnung der Vias optimal genutzt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Raster ein hexagonales Raster ist, da dadurch eine höhere Packungsdichte im Isolationselement erzielt werden kann.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Isolationselement auf einer Oberseite und/oder einer Unterseite des Isolationselements eine mit der Kupferplattierung verbundene Kupferkaschierung aufweist. Diese vorteilhafte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Kenntnis, dass die Kupferkaschierung eine wärmeleitende Stirnfläche der Kupferhülse vergrößert. Da die Bohrungen bzw. Vias untereinander elektrisch isoliert sein müssen, weist die Kupferkaschierung im Bereich benachbarter Bohrungen Spalte bzw. Unterbrechungen auf, die eine elektrische Leitung von benachbarten Bohrungen verhindert. Diese Unterbrechungen bzw. Spalte können beispielsweise bei Ätzprozessen oder durch fotostrukturierte Schablonen auf der Oberseite und/oder Unterseite des Isolationselements ausgebildet werden. Dadurch wird eine durchgehende elektrische Leitung auf der Oberseite und/oder Unterseite bzw. eine elektrische Verbindung der Bohrungen untereinander verhindert. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kupferkaschierung im Bereich einer jeweiligen Bohrung eine hexagonale Form aufweist. Durch die hexagonale Form wird die Wärmeleitfähigkeit an den Stirnseiten der Bohrungen maximiert, da die Wärmeleitfläche auf der Oberseite und/oder Unterseite des Isolationselements maximiert wird. Die Kupferkaschierung in hexagonaler Form führt sozusagen zu einer optimalen Abdeckung der Oberseite und/oder Unterseite des Isolationselements. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kupferkaschierung eine hexagonale Form aufweist und auch das Raster der Bohrungen ein hexagonales Raster ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen dem Isolationselement und den Luftspalt bildenden Innenwandungen des Mittelschenkels eine Klebstoffschicht vorhanden ist. Dies vorteilhafte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass die Klebstoffschicht als Toleranzausgleich dient und zudem einen flächigen Kontakt zwischen dem Isolationselement und den den Luftspalt bildenden Innenwandungen des Mittelschenkels bereitstellt. Die so erzeugte flächige Wärmeleitung zwischen Isolationselement und Mittelschenkel führt zu einer weiter verbesserten Wärmeabfuhr. Die Klebstoffschicht kann beispielsweise mittels eines Klebstoffs, wie beispielsweise eines Polymerklebstoffs, oder auch mittels einer Klebstofffolie zwischen dem Isolationselement und den Innenwandungen des Mittelschenkels aufgebracht werden.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Isolationselement aus mehreren übereinander angeordneten und miteinander verbundenen, vorzugsweise miteinander verklebten, glasfaserverstärkten Harzelementen besteht. Diese bevorzugte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass glasfaserverstärkte Harzelemente, die als Materialien von beispielsweise Leiterplattenelementen verwendet werden, üblicherweise eine Dicke von circa 0,8 mm bis 2 mm aufweisen. Um größere Luftspaltdicken in Transformatoren realisieren zu können, wird daher vorgeschlagen, mehrere derartige glasfaserverstärkte Harzelemente übereinander anzuordnen. Zur Optimierung des Wärmeübergangs zwischen den glasfaserverstärkten Harzelementen wird vorgeschlagen, diese miteinander zu verbinden, insbesondere miteinander zu verkleben. Die übereinander angeordneten und miteinander verbundenen glasfaserverstärkten Harzelemente können bereits die oben beschriebenen Vias wie auch die bereits oben beschriebene Kupferkaschierung auf der jeweiligen Oberseite und/oder Unterseite aufweisen. Dadurch können Luftspaltdicken, die ein Vielfaches einer üblichen Dicke eines einzelnen glasfaserverstärkten Harzelements aufweisen, realisiert werden.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Bohrungen mit einem elektrisch nicht-leitenden Füllmaterial gefüllt sind. Diese bevorzugte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass ein elektrisch nicht-leitendes Füllmaterial, wie beispielsweise ein Polymermaterial, die Wärmeleitung im Inneren der Bohrungen erhöht. Ferner kann das elektrisch nicht-leitende Füllmaterial Lufteinschlüsse in den Bohrungen des Isolationselements verhindern. Zudem ermöglicht das elektrisch nicht-leitende Füllmaterial die Ausbildung einer möglichst planaren Oberfläche auf der Oberseite und/oder Unterseite des Isolationselements, was insbesondere bei der Verwendung einer wie oben beschriebenen Klebstoffschicht vorteilhaft ist.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Isolationselement einen Sensor zur Ermittlung eines für den Transformator charakteristischen Parameters aufweist. Ein derartiger Parameter kann beispielsweise eine Temperatur, eine magnetische Feldstärke im Luftspalt oder dergleichen sein. Dadurch ist es möglich, einen für den Transformator charakteristischen Parameter zu überwachen. Der Sensor kann dabei insbesondere auch ein optischer Sensor sein.

Eine Weiterbildung dieser bevorzugten Ausgestaltung sieht vor, dass der Transformator einen um den Mittelschenkel angeordneten Wicklungsträger zur Aufnahme der ersten und zweiten Wicklung aufweist und dass dieser Wicklungsträger eine Ausnehmung aufweist, die als Anschlusspfad für einen Anschluss des Sensors ausgebildet ist. Der Anschlusspfad kann dabei zum Führen von elektrischen und/oder optischen Leitern ausgebildet sein, je nachdem welcher Sensortyp verwendet wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, die Magnetkernstruktur aus zwei identischen Magnetkernelementen auszubilden, wobei der Luftspalt mittig zwischen den beiden Magnetkernelementen ausgebildet ist. Diese vorteilhafte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass die Magnetkernstruktur durch zwei geometrisch identische Magnetkernelemente gebildet werden kann und dass beim Zusammensetzen der beiden Magnetkernelemente automatisch ein zwischen den beiden Magnetkernelementen angeordneter, mittiger Luftspalt ausgebildet wird. Die Ausgestaltung der Magnetkernstruktur mittels zweier identischer Magnetkernelemente weist insbesondere bei der Herstellung bzw. Fertigung des Transformators einen Kostenvorteil auf.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Mittelschenkel neben dem bereits beschriebenen Luftspalt einen weiteren Luftspalt aufweist, der mit einem weiteren elektrisch nicht-leitenden und magnetisch nicht-leitenden Isolationselement gefüllt ist, welches seinerseits mehrere mit einer Kupferplattierung versehene und untereinander elektrisch nicht verbundene Bohrung aufweist. Diese bevorzugte Ausgestaltung beruht zumindest teilweise auf der Erkenntnis, dass durch eine Aufteilung in mehrere, voneinander beabstandete bzw. getrennte und mit einem jeweiligen Isolationselement gefüllte Luftspalte, eine durch die Isolationselemente erzeugte Streuinduktivität des Transformators auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden kann. Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Isolationselemente glasfaserverstärkte Harzelemente, wie sie beispielsweise als Materialien für Leiterplattenelemente verwendet werden, genutzt werden. Denn in einem solchen Fall sind die Isolationselemente in aller Regel serienproduzierbare Isolationselemente, sodass eine Dicke eines jeweiligen Isolationselements engen Toleranzen unterliegt. Dadurch ist es möglich, die voneinander beabstandeten Luftspalte fertigungstechnisch sehr exakt hinsichtlich ihrer jeweiligen Dicke anzupassen. Dadurch lässt sich eine auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasste Streuinduktivität des Transformators serienmäßig herstellen.

Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung sieht vor, ein als glasfaserverstärktes Harzelement ausgebildetes Leiterplattenelement, welches mehrere mit einer Kupferplattierung versehene und untereinander elektrisch nicht verbundene Bohrungen aufweist, als elektrisch nicht-leitendes und magnetisch nicht-leitendes Isolationselement in einem in einem Mittelschenkel einer Magnetkernstruktur eines Transformators ausgebildeten Luftspalt zu verwenden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Transformators gemäß dem ersten Aspekt können als vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts dieser Erfindung betrachtet werden.

Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

FIG 1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Transformators, FIG 2 eine schematische Detailansicht von FIG 1 ,

FIG 3 eine schematische Ansicht eines Isolationselements,

FIG 4 eine schematische Detailansicht mit übereinander angeordneten Isolationselementen,

FIG 5 eine schematische Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Transformators und

FIG 6 eine schematische Detailansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Transformators.

Es sei zunächst auf FIG 1 verwiesen, die eine schematische Schnittansicht eines Transformators 10 zeigt. Der Transformator 10 weist eine Magnetkernstruktur 12 auf, die einen ersten seitlichen Schenkel 14, einen zweiten seitlichen Schenkel 16 und einen die seitlichen Schenkeln 14, 16 verbindenden Mittelschenkel 18 aufweist. Im konkreten Beispiel von FIG 1 besteht die Magnetkernstruktur 12 aus zwei identischen und formgleichen Magnetkernelementen, nämlich einem ersten Magnetkernelement 20 und einem zweiten Magnetkernelement 22, die miteinander verbunden sind. Das erste Magnetkernelement 20 weist einen ersten seitlichen Schenkelabschnitt 24, einen zweiten seitlichen Schenkelabschnitt 26 und einen die beiden seitlichen Schenkelabschnitte 24, 26 verbindenden Mittelschenkelabschnitt 28 auf. Das zweite Magnetkernelement 22 weist einen ersten seitlichen Schenkelabschnitt 30, einen zweiten seitlichen Schenkelabschnitt 32 und einen die beiden seitlichen Schenkelabschnitte 30, 32 verbindenden Mittelschenkelabschnitt 34 auf. Die zwei Magnetkernelemente 20, 22 sind dabei derart miteinander verbunden, dass der erste seitliche Schenkelabschnitt 24 des ersten Magnetkernelements 20 zusammen mit dem ersten seitlichen Schenkelabschnitt 30 des zweiten Magnetkernelements 22 den ersten Seitenschenkel 14 der Magnetkernstruktur 12 bilden. Ferner sind die zwei Magnetkernelemente 20, 22 derart miteinander verbunden, dass der zweite seitliche Schenkelabschnitt 26 des ersten Magnetkernelements 20 zusammen mit dem zweiten seitlichen Schenkelabschnitt 32 des zweiten Magnetkernelements 22 den zweiten Seitenschenkel 16 der Magnetkernstruktur 12 bilden. Zudem sind die zwei Magnetkernelemente 20, 22 derart miteinander verbunden, dass der Mittelschenkelabschnitt 28 des ersten Magnetkernelements 20 zusammen mit dem Mittelschenkelabschnitt 34 des zweiten Magnetkernelements 22 den Mittelschenkel 18 der Magnetkernstruktur 12 bilden.

Wie ferner in FIG 1 zu erkennen ist, weist der Mittelschenkel 18 einen Luftspalt 36 auf, der sich durch zwei parallele Ebenen aufspannt, wobei eine mittig zwischen den beiden Ebenen angeordnete Mittelebene eine Luftspaltachse 37 aufweist, derart, dass der Luftspalt 36 mittig zwischen den zwei Mittelschenkelabschnitten 28, 34 des jeweiligen Magnetkernelements 20, 22 angeordnet ist. Die zwei parallelen Ebenen des Luftspalts 36 sind durch die beiden Stirnflächen bzw. Stirnseiten der Mittelschenkelabschnitte 28, 34 definiert und die Mittelebene ist mittig zwischen den beiden Stirnflächen bzw. Stirnseiten angeordnet.

Ferner weist der Transformator 10 einen Wicklungsträger 38 auf, wobei der Wicklungsträger 38 um den Mittelschenkel 18 derart angeordnet ist, dass der Wicklungsträger 38 eine erste Wicklung 40 und eine zweite Wicklung 42 aufnimmt. Die beiden Wicklungen 40, 42 sind dabei derart um den Wicklungsträger 38 gewickelt, dass der Transformator 10 Strom bzw. Spannung wandeln kann, wie dem Fachmann bei derartigen Transformatoren bekannt ist. Aufgrund der Anordnung von Mittelschenkel 18, erstem seitlichen Schenkel 14, zweitem seitlichen Schenkel 16 und der Wicklungen 40, 42 kann der Transformator 10 auch als Manteltransformator bezeichnet werden.

Im Folgenden soll nun näher auf den Luftspalt 36 und ein in dem Luftspalt 36 angeordnetes Isolationselement 44, das in Zusammenhang mit den weiteren Figuren beschrieben wird, eingegangen werden.

Es sei zunächst auf FIG 2 verwiesen, die eine schematische Detailansicht von FIG 1 zeigt. In FIG 2 ist ein Ausschnitt des aus den beiden Mittelschenkelabschnitten 28, 34 gebildeten Mittelschenkels 18 und des zwischen den beiden Mittelschenkelabschnitten 28, 34 gebildeten Luftspalts 36 gezeigt.

Wie in FIG 2 zu erkennen ist, ist der Luftspalt 36 mit dem bereits erwähnten Isolationselement 44 befüllt. Das Isolationselement 44 ist elektrisch nicht-leitend und magnetisch nicht-leitend. Das Isolationselement 44 ist so ausgeführt, dass beispielsweise Wirbelstromeffekte im Bereich des Luftspalts 36 vermieden werden. Im konkreten Beispiel ist das Isolationselement 44 ein glasfaserverstärktes Harzelement, das beispielsweise als Material für ein Leiterplattenelement, wie beispielsweise für ein FR4-Leiterplattenelement, verwendet wird. In anderen nicht gezeigten Ausführungsformen kann das Isolationselement 44 jedoch auch aus anderen, zweckmäßigen Materialien gebildet sein, sofern eine elektrische wie auch magnetische Inaktivität des Isolationselements 44 gewährleistet ist.

Das Isolationselement 44 weist mehrere sich durch das Isolationselement 44 erstreckende Bohrungen 46 auf. Eine jeweilige Bohrung 46 erstreckt sich dabei entlang einer jeweiligen Bohrungsachse 48. Im konkreten Beispiel von FIG 2 erstreckt sich eine jeweilige Bohrungsachse 48 einer jeweiligen Bohrung 46 senkrecht zum Luftspalt 36 bzw. senkrecht zu dessen Mittelebene und damit u.a. auch senkrecht zur oben beschriebenen Luftspaltachse 37 des Luftspalts 36.

Wie ferner in FIG 2 zu erkennen ist, weist eine jeweilige Bohrungsmantelfläche einer jeweiligen Bohrung 46 eine Kupferplattierung 50 auf. Die Kupferplattierung 50 bildet eine Kupferhülse an der Bohrungsmantelfläche einer jeweiligen Bohrung 46 aus und entsteht beispielsweise über einen Galvanisierungsprozess von Kupfer an der Bohrungsmantelfläche. Die durch die Kupferplattierung 50 gebildete Kupferhülse erstreckt sich im Wesentlichen entlang der Bohrungsachse 48 einer jeweiligen Bohrung 46 und damit im konkreten Beispiel von FIG 2 senkrecht zur Luftspaltachse 37. Die Kupferplattierung 50 besteht aus Metall, nämlich Kupfer, das sich durch eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Wärmeleitung, auszeichnet. Dadurch ist es möglich, Wärme, die beispielsweise beim Betrieb des Transformators 10 entsteht, effektiv abzuführen und zwar insbesondere vom Luftspalt 36 in Richtung der Erstreckungsrichtung der Kupferplattierung 50 bzw. in Richtung der Bohrungsachse 48. Damit kann effektiv Wärme vom Luftspalt 36 nach außen in Richtung zu den Mittelschenkelabschnitten 28, 34 abgeführt werden. Da sich im konkreten Beispiel von FIG 2 der Luftspalt 36 mittig zwischen den zwei Mittelschenkelabschnitten 28, 34 und damit mittig im Transformator 10 befindet, kann mittels der Kupferplattierung 50 eine effektive Wärmeabfuhr aus der Mitte bzw. dem Zentrum des Transformators 10 heraus in die Randbereiche des Transformators 10 bzw. nach außen (bzw. nach oben und unten) erfolgen.

Wie ebenfalls in FIG 2 zu erkennen ist, sind die Bohrungen 46 mit einem elektrisch nicht-leitenden Füllmaterial 52 gefüllt. Das elektrisch nicht-Leitende Füllmaterial kann beispielsweise ein Polymermaterial sein, das sich durch eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Luft auszeichnet. Dadurch kann die Wärmeabfuhr weiter verbessert werden.

Wie ferner in FIG 2 und näher in FIG 3 gezeigt ist, weist das Isolationselement 44 auf einer Oberseite 54 und auf einer Unterseite 56 im Bereich einer jeweiligen Bohrung 46 eine mit der Kupferplattierung 50 verbundene Kupferkaschierung 58 auf. Die Kupferkaschierung 58 erhöht letztlich eine Stirnfläche der Kupferplattierung 50 bzw. eine Stirnfläche der durch die Kupferplattierung 50 entstehenden Kupferhülsen und erhöht dadurch eine wärmeleitende Stirnfläche an der Oberseite 54 bzw. Unterseite 56 des Isolationselements 44. Wie ferner in Zusammenhang mit FIG 3 näher gezeigt ist, sind die Bohrungen 46, die sich durch das Isolationselement 44 erstrecken, untereinander elektrisch nicht verbunden. Auch ist die Kupferkaschierung 58, die sich im konkreten Beispiel von FIG 2 auf der Oberseite 54 und der Unterseite 56 des Isolationselements 44 befindet, derart ausgebildet, dass eine elektrische Verbindung der jeweiligen Bohrungen 46 untereinander nicht vorhanden ist. Mit anderen Worten sind die jeweiligen Bohrungen 46 trotz der vorhandenen Kupferkaschierung 58 untereinander elektrisch isoliert.

Wie ferner in FIG 2 gezeigt ist, befindet sich eine Klebstoffschicht 60 zwischen dem Isolationselement 44 und den den Luftspalt 36 bildenden bzw. begrenzenden Innenwandungen des Mittelschenkels 18. Die Klebstoffschicht 60 dient als Toleranzausgleich und ermöglicht einen flächigen Kontakt und damit eine im Wesentlichen flächige Wärmeleitung zwischen dem Isolationselement 44 und den Innenwandungen des Mittelschenkels 18. Die Klebstoffschicht 60 kann mittels eines Klebstoffs wie beispielsweise eines Polymerklebstoffs oder auch mittels einer Klebstofffolie aufgebracht werden.

Es sei nun auf die bereits erwähnte FIG 3 verwiesen, die eine schematische Ansicht des Isolationselements 44 zeigt.

Wie in FIG 3 zu erkennen ist, sind die Bohrungen 46, von denen in FIG 3 zwei der Bohrungen beispielhaft mit dem Bezugszeichen 46 versehen sind, in einem Raster angeordnet. Das Raster ermöglicht eine gleichförmige Wärmeleitung über die Querschnittsfläche des Isolationselements 44. Im konkreten Beispiel von FIG 3 ist das Raster ein hexagonales Raster, das sich durch eine besonders hohe Packungsdichte im Isolationselement 44 auszeichnet. FIG 3 zeigt zudem die bereits angesprochene Kupferkaschierung 58, die sich auf der Oberseite 54 und auf der Unterseite 56 des Isolationselements 44 befindet. Wie in FIG 3 gut zu erkennen ist, ist die Kupferkaschierung 58 nicht durchgängig, sondern weist zwischen benachbarten Bohrungen 46 Unterbrechungen bzw. Spalte 62 auf, die eine elektrische Isolierung der Bohrungen 46 untereinander sicherstellt. Die Unterbrechungen bzw. Spalte 62 können über Ätzprozesse oder über fotostrukturierte Schablonen auf der Oberseite 54 bzw. der Unterseite 56 des Isolationselements 44 aufgebracht werden. Die Kupferkaschierung 58 kann beim Plattieren der Bohrungen 46 auch zusätzlich plattiert ausgeführt sein.

Wie zudem in FIG 3 zu erkennen ist, weist die Kupferkaschierung 58 im Bereich einer jeweiligen Bohrung 46 eine hexagonale Form auf. Mittels der hexagonalen Form kann die Oberseite 54 bzw. die Unterseite 56 optimal abgedeckt bzw. überdeckt werden, sodass eine stirnseitige Wärmeleitfläche auf der Oberseite 54 bzw. Unterseite 56 des Isolationselements 44 maximiert werden kann.

Ein wie in Zusammenhang mit FIGs 1 bis 3 beschriebenes glasfaserverstärktes Harzelement weist typischerweise eine Dicke 64 in einem Bereich von circa 0,8 mm bis 2 mm auf. Ein aus einem glasfaserverstärkten Harzelement gebildetes Isolationselement 44 kann somit beispielsweise als Füllmaterial zum Füllen eines Luftspalts 36 genutzt werden, welcher eine Dicke in einem Bereich von circa von 0,8 mm bis 2 mm aufweist (je nachdem wie dick eine ggf. vorhandene Klebstoffschicht 60 ist).

Es sei nun auf FIG 4 verwiesen, die eine schematische Detailansicht eines Transformators 10 zeigt, bei dem der Luftspalt 36 eine Dicke bzw. Höhe 66 aufweist, die ein Vielfaches der bereits beschriebenen Dicke 64 ist. Im konkreten Beispiel von FIG 4 ist die Dicke 66 des Luftspalts 36 doppelt so groß ist wie die Dicke 64 eines bereits beschriebenen einzelnen glasfaserverstärkten Harzelements gemäß FIGs 1 bis 3. Um einen Luftspalt 36 mit einer derartigen Dicke 66 zu füllen, besteht in der Ausführungsform von FIG 4 das Isolationselement 44 aus zwei übereinander angeordneten und miteinander verbundenen glasfaserverstärkten Harzelementen, die jeweils die Dicke 64 aufweisen. Die zwei übereinander angeordneten und miteinander verbundenen glasfaserverstärkten Harzelemente können wiederum mittels einer Klebstoffschicht 70 flächig miteinander verbunden sein. Die konkrete Dicke 66 des zu füllenden Luftspalts 36 ergibt sich aus der Dicke 64 der glasfaserverstärkten Harzelemente und der gegebenenfalls vorhandenen Klebstoffschichten 60, 70. Selbstverständlich können auch andere Dicken 66 des Luftspalts 36 durch eine entsprechende Kombination mehrerer glasfaserverstärkter Harzelemente realisiert werden. Auch ist es nicht notwendig, dass beide glasfaserverstärkte Harzelemente gleich dick sind.

Es sei nun auf FIG 5 verwiesen, die eine schematische Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des Transformators 10 zeigt.

In der Ausführungsform gemäß FIG 5 weist der Wicklungsträger 38, der zur Aufnahme der Wicklungen 40, 42 dient, eine Ausnehmung 72 auf, die als Anschlusspfad für einen Anschluss eines Sensors dient. Der Sensor, der beispielhaft in Zusammenhang mit FIG 6 mit dem Bezugszeichen 74 versehen ist, kann im Isolationselement 44 untergebracht sein und dient zur Ermittlung eines für den Transformator 10 charakteristischen Parameters, wie beispielsweise einer Temperatur oder einer magnetischen Feldstärke im Luftspalt 36. Es sei nun auf FIG 6 verwiesen, die eine schematische Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des Transformators 10 zeigt.

In der Ausführungsform gemäß FIG 6 ist der zuvor erwähnte Sensor 74 schematisch angedeutet. Wie darüber hinaus in FIG 6 gezeigt ist, weist der Mittelschenkel 18 neben dem bereits beschriebenen Luftspalt 36, der mit dem Isolationselement 44 gefüllt ist, einen weiteren Luftspalt 76 auf, der mit einem weiteren Isolationselement 44 gefüllt ist. Indem der Transformator 10 in der Ausführungsform gemäß FIG 6 mehrere getrennte und voneinander beabstandete Luftspalte, im konkreten Beispiel von FIG 6 zwei Luftspalte 36, 76, aufweist, die jeweils mit einem Isolationselement 44 gefüllt sind, kann eine Streuinduktivität des Transformators 10 auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Natürlich ist es denkbar, dass in anderen, nicht gezeigten Ausführungsformen mehr als zwei Luftspalte im Mittelschenkel 18 vorhanden sind. Zudem ist es denkbar, dass je nach Anwendungsfall die jeweiligen Luftspalte unterschiedliche oder gleiche Höhen bzw. Dicken aufweisen können. Und schließlich ist es denkbar, dass für den jeweiligen Anwendungsfall ein jeweiliger Luftspalt mit einer jeweiligen Dicke bzw. Höhe durch die Kombination von mehreren, übereinander angeordneten und miteinander verbundenen, insbesondere miteinander verklebten, glasfaserverstärkten Heizelementen gefüllt werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Transformator (10), mit: einer Magnetkernstruktur (12), die zwei seitliche Schenkel (14, 16) und einen mit den seitlichen Schenkeln (14, 16) verbundenen Mittelschenkel (18) aufweist, einer um den Mittelschenkel (18) angeordneten ersten Wicklung (40), und einer um den Mittelschenkel (18) angeordneten zweiten Wicklung (42), wobei der Mittelschenkel (18) einen Luftspalt (36) aufweist, der mit einem elektrisch nicht-leitenden und magnetisch nicht-leitenden Isolationselement (44) gefüllt ist, das mehrere sich durch das Isolationselement (44) erstreckende und mit einer Kupferplattierung (50) versehene Bohrungen (46) aufweist, wobei die Bohrungen (46) untereinander elektrisch nicht verbunden sind und sich senkrecht zum Luftspalt (36) erstrecken.

2. Transformator (10) nach Anspruch 1 , wobei das Isolationselement (44) ein glasfaserverstärktes Harzelement, insbesondere eine Leiterplatte ist.

3. Transformator (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mehreren Bohrungen (46) in dem Isolationselement (44) in einem gleichmäßigen Raster angeordnet sind.

4. Transformator (10) nach Anspruch 3, wobei das Raster ein hexagonales Raster ist.

5. Transformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolationselement (44) auf einer Oberseite (54) und/oder einer Unterseite (56) eine mit der Kupferplattierung (50) verbundene Kupferkaschierung (58) aufweist.

6. Transformator (10) nach Anspruch 5, wobei die Kupferkaschierung (58) im Bereich einer jeweiligen Bohrung (46) eine hexagonale Form aufweist.

7. Transformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Isolationselement (44) und den Luftspalt (36) bildenden Innenwandungen des Mittelschenkels (18) eine Klebstoffschicht (60) vorhanden ist.

8. Transformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolationselement (44) aus mehreren übereinander angeordneten und miteinander verbundenen glasfaserverstärkten Harzelementen besteht.

9. Transformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bohrungen (46) mit einem elektrisch nicht-leitenden Füllmaterial (52) gefüllt sind.

10. Transformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Isolationselement (44) einen Sensor (74) zu Ermittlung eines für den Transformator (10) charakteristischen Parameters aufweist.

11 . Transformator (10) nach Anspruch 10, wobei der Transformator (10) einen um den Mittelschenkel (18) angeordneten Wicklungsträger (38) zur Aufnahme der ersten Wicklung (40) und zur Aufnahme der zweiten Wicklung (42) aufweist und der Wicklungsträger (38) eine Ausnehmung (72) aufweist, die als Anschlusspfad für einen Anschluss des Sensors (74) ausgebildet ist.

12. Transformator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnetkernstruktur (12) aus zwei identischen Magnetkernelementen (20, 22) gebildet ist und der Luftspalt (36) mittig zwischen den beiden Magnetkernelementen (20, 22) ausgebildet ist.

13. Transformator (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei der Mittelschenkel (18) einen weiteren Luftspalt (76) aufweist, der mit einem weiteren elektrisch nicht-leitenden und magnetisch nicht-leitenden Isolationselement (44), das seinerseits mehrere mit einer Kupferplattierung (50) versehene und untereinander elektrisch nicht verbundene Bohrungen (46) aufweist, gefüllt ist. 17

14. Verwendung einer als glasfaserverstärktes Harzelement ausgebildeten und mit mehreren mit einer Kupferplattierung (50) versehenen und untereinander elektrisch nicht verbundenen Bohrungen (46) versehenen Leiterplatte als elektrisch nicht-leitendes und magnetisch nicht-leitendes Isolationselement (44) in einem in einem Mittelschenkel (18) einer Magnetkernstruktur (12) eines Transformators (10) ausgebildeten Luftspalt (36).