ITTO20111114A1 - PLANAR AND MODULAR WIRE TRANSFORMER - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
“Trasformatore planare e modulare a filo†⠀ œ Planar and modular wire transformerâ €
TESTO DELLA DESCRIZIONE TEXT OF THE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda un trasformatore del tipo comprendente almeno un avvolgimento primario, almeno un avvolgimento secondario, e un nucleo magnetico che collega magneticamente l’avvolgimento primario con l’avvolgimento secondario, e in cui l’avvolgimento primario à ̈ del tipo a filo, mentre l’avvolgimento secondario à ̈ formato da un elemento planare. Nei siffatti trasformatori di tipo noto, l’avvolgimento primario viene avvolto secondo un’elica; una tale configurazione risente, tuttavia, di perdite sensibili dovute alle correnti parassite, soprattutto nelle applicazioni ad alta frequenza. The present invention relates to a transformer of the type comprising at least one primary winding, at least one secondary winding, and a magnetic core which magnetically connects the primary winding with the secondary winding, and in which the primary winding is of the type flush, while the secondary winding is formed by a planar element. In such known transformers, the primary winding is wound according to a helix; however, such a configuration suffers from sensitive losses due to eddy currents, especially in high frequency applications.
La presente invenzione si propone dunque di realizzare un trasformatore del tipo sopra indicato, che sia caratterizzato da rendimenti di funzionamento maggiori di quelli dei trasformatori di tipo noto. Inoltre, un ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ quello di realizzare un trasformatore con struttura modulare, di costo contenuto. The present invention therefore proposes to provide a transformer of the type indicated above, which is characterized by higher operating efficiencies than those of known type transformers. Furthermore, a further object of the present invention is that of realizing a transformer with a modular structure, of low cost.
Gli scopi sopra indicati vengono raggiunti tramite un trasformatore presentante le caratteristiche di una o più delle rivendicazioni annesse. The objects indicated above are achieved by means of a transformer having the characteristics of one or more of the appended claims.
Le rivendicazioni formano parte integrante dell'insegnamento tecnico qui somministrato in relazione all'invenzione. The claims form an integral part of the technical teaching administered herein in relation to the invention.
Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell'invenzione risulteranno dalla descrizione che segue con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui: Further characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description with reference to the attached drawings, provided purely by way of non-limiting example, in which:
- le figure 1 e 2 rappresentano due viste prospettiche di un esempio di realizzazione del trasformatore qui descritto; Figures 1 and 2 show two perspective views of an example of embodiment of the transformer described here;
- le figure 3 e 4 rappresentano viste prospettiche di componenti del trasformatore di figura 1; Figures 3 and 4 show perspective views of components of the transformer of Figure 1;
- la figura 5 illustra schematicamente una sezione di metà del trasformatore qui descritto; Figure 5 schematically illustrates a half section of the transformer described here;
- le figura 6a e 6b rappresentano la configurazione schematica rispettivamente di un trasformatore convenzionale e del trasformatore qui descritto. - figures 6a and 6b represent the schematic configuration of a conventional transformer and of the transformer described here, respectively.
Nella seguente descrizione sono illustrati i vari dettagli specifici finalizzati ad una approfondita comprensione delle forme di attuazione. Le forme di attuazione possono essere realizzate senza uno o più dettagli specifici, o con altri metodi, componenti materiali, eccetera. In altri casi, strutture, materiali o operazioni noti sono stati descritti in dettaglio per evitare di rendere oscuri vari aspetti delle forme di attuazione. The following description illustrates the various specific details aimed at an in-depth understanding of the embodiments. The embodiments can be made without one or more specific details, or with other methods, material components, etc. In other cases, known structures, materials or operations have been described in detail to avoid obscuring various aspects of the embodiments.
I riferimenti utilizzati sono soltanto per comodità e non definiscono dunque l'ambito di tutela delle forme di attuazione. The references used are only for convenience and therefore do not define the scope of protection of the forms of implementation.
Il trasformatore qui descritto, indicato in generale con il numero di riferimento 10, comprende almeno un avvolgimento primario 2, almeno un avvolgimento secondario 4, e un nucleo ferromagnetico 6 che collega magneticamente l’avvolgimento primario con l’avvolgimento secondario. The transformer described here, generally indicated with the reference number 10, comprises at least one primary winding 2, at least one secondary winding 4, and a ferromagnetic core 6 which magnetically connects the primary winding with the secondary winding.
Inoltre, in tale trasformatore l’avvolgimento primario 2 à ̈ del tipo a filo, mentre l’avvolgimento secondario 4 à ̈ formato da un elemento - in materiale conduttore elettrico - planare; in varie forme di attuazione, così come in quella illustrata, tale elemento forma complessivamente una spira e presenta una sezione trasversale sostanzialmente rettangolare, il cui lato più lungo à ̈ disposto sostanzialmente parallelo al piano contenente la spira. Furthermore, in this transformer the primary winding 2 is of the wire type, while the secondary winding 4 is made up of an element - in electrical conductive material - planar; in various embodiments, as well as in the one illustrated, this element forms a whole coil and has a substantially rectangular cross section, the longer side of which is arranged substantially parallel to the plane containing the coil.
Nel trasformatore qui descritto, l’avvolgimento primario à ̈ formato da un filo – ovvero da un elemento allungato in materiale conduttore elettrico, a sezione sostanzialmente circolare - che à ̈ avvolto a spirale lungo l’avvolgimento secondario. Il filo viene preferibilmente rivestito da una guaina di materiale isolante, ad esempio viene smaltato con materiale isolante oppure ricoperto da una vera e propria guaina isolante, al fine di poter avvolgerlo su se stesso secondo spire a contatto o comunque molto vicine fra loro; come avvolgimento primario à ̈ dunque possibile utilizzare un normale cavo elettrico, del tipo diffusamente disponibile sul mercato. In the transformer described here, the primary winding is made up of a wire - that is, an elongated element in electrical conducting material, with a substantially circular section - which is wound in a spiral along the secondary winding. The wire is preferably covered with a sheath of insulating material, for example it is enameled with insulating material or covered with a real insulating sheath, in order to be able to wind it on itself according to coils in contact or in any case very close to each other; as primary winding it is therefore possible to use a normal electric cable, of the type widely available on the market.
Come si vedrà qui di seguito, una tale configurazione consente di ridurre le perdite dovute alle correnti parassite e di ottenere, conseguentemente, un rendimento di funzionamento maggiore rispetto ai trasformatori di tipo noto, discussi sopra. As will be seen below, such a configuration allows to reduce the losses due to eddy currents and consequently to obtain a higher operating efficiency with respect to the known type transformers discussed above.
Con riferimento alle figure 6a e 6b (le quali sono illustrazioni schematiche di sezioni di metà trasformatore), in esse viene illustrato un confronto fra la configurazione di un trasformatore di tipo convenzionale e la configurazione del trasformatore qui descritto. Come detto in precedenza, nei trasformatori convenzionali, il filo del primario viene avvolto ad elica; per effetto di tale geometria, le spire dell’elica risultano soggette a livelli rilevanti, ovvero non trascurabili, di corrente parassita indotta dal flusso magnetico generato dalle spire adiacenti; le perdite di energia dovute a tali correnti risultano sensibili e la resistenza elettrica equivalente risulta pertanto sensibilmente maggiore della resistenza misurata in corrente continua. In particolare, la dissipazione di energia risulta maggiore nelle spire vicino al secondario perché le correnti indotte sono lì più elevate. Tale condizione à ̈ schematicamente rappresentata nella figura 6a ove nella spira più vicina al secondario ci sono tre “+†e due “-“, e nella spira più sotto due “+†e un “-“, la corrente utile nell’avvolgimento risultando dunque complessivamente pari solamente ad un “+†. Nel trasformatore del tipo qui descritto, schematicamente rappresentato in figura 6b, tali perdite risultano invece sensibilmente ridotte, dal momento che ciascuna spira del primario si ritrova affacciata all’avvolgimento secondario, per cui gli effetti del flusso magnetico generato da ciascuna spira si esauriscono nel primo strato di avvolgimento primario, senza creare correnti parassite, in quanto la corrente indotta nelle spire di primario dovuta alla vicinanza con il secondario à ̈ tutta corrente utile. With reference to Figures 6a and 6b (which are schematic illustrations of half transformer sections), they show a comparison between the configuration of a conventional type transformer and the configuration of the transformer described here. As previously said, in conventional transformers, the primary wire is wound in a helix; as a result of this geometry, the helix turns are subjected to significant, or non negligible, levels of eddy current induced by the magnetic flux generated by the adjacent turns; the energy losses due to these currents are sensitive and the equivalent electrical resistance is therefore significantly greater than the resistance measured in direct current. In particular, the dissipation of energy is greater in the coils near the secondary because the induced currents are higher there. This condition is schematically represented in figure 6a where in the loop closest to the secondary there are three â € œ + â € and two â € œ-â € œ, and in the lower coil two â € œ + â € and one â € œ-â € œ, the useful current in the winding thus resulting overall only equal to a â € œ + â €. On the other hand, in the transformer of the type described here, schematically represented in figure 6b, these losses are considerably reduced, since each turn of the primary is found facing the secondary winding, so that the effects of the magnetic flux generated by each turn are exhausted in the first layer of primary winding, without creating eddy currents, as the current induced in the primary coils due to the proximity to the secondary is all useful current.
In varie forme di attuazione preferite, così come in quella illustrata, il trasformatore comprende almeno un elemento a rocchetto 8 presentante: In various preferred embodiments, as well as in the one illustrated, the transformer comprises at least one spool element 8 having:
- una porzione cilindrica centrale (non visibile nelle figure), - a central cylindrical portion (not visible in the figures),
- una prima e una seconda porzione di testa o estremità allargate 12, 12’, disposte rispettivamente alle estremità opposte della suddetta porzione centrale e definenti, rispettivamente, una prima e una seconda superficie piana 12a, 12’a affacciate fra loro. - a first and a second head portion or enlarged ends 12, 12â € ™, arranged respectively at the opposite ends of the aforesaid central portion and defining, respectively, a first and a second flat surface 12a, 12â € ™ a facing each other.
In tale forma di attuazione preferita, le due teste dell'elemento a rocchetto portano ciascuna un avvolgimento secondario, ovvero la spira a sezione planare, mentre il filo dell'avvolgimento primario à ̈ avvolto a spirale attorno alla porzione centrale, lungo almeno una delle due superfici piane affacciate. In forme di attuazione particolarmente preferite, le due superfici piane 12a, 12a’ sono ad una distanza reciproca D che à ̈ tale da impedire l’accavallamento di tale filo nella direzione assiale della spirale da esso formata. In this preferred embodiment, the two heads of the spool element each carry a secondary winding, that is the planar section turn, while the primary winding wire is wound in a spiral around the central portion, along at least one of the two. facing flat surfaces. In particularly preferred embodiments, the two flat surfaces 12a, 12aâ € ™ are at a mutual distance D which is such as to prevent the overlapping of said wire in the axial direction of the spiral formed by it.
In varie forme di attuazione, così come in quella illustrata, l’elemento a rocchetto 8 presenta un'apertura 14 che attraversa la porzione centrale ed entrambe le porzioni di testa 12, lungo una direzione sostanzialmente coincidente con l’asse dei tre avvolgimenti portati dell’elemento a rocchetto, ed à ̈ predisposta, come si vede dalle figure, per ricevere una colonna 6’ del nucleo ferromagnetico. In various embodiments, as well as in the one illustrated, the spool element 8 has an opening 14 which crosses the central portion and both head portions 12, along a direction substantially coinciding with the axis of the three carried windings of the spool element, and is arranged, as can be seen from the figures, to receive a 6â € ™ column of the ferromagnetic core.
In varie forme di attuazione, così come in quella illustrata, le porzioni di testa 12 sono entrambe formate da un dischetto in materiale isolante forato centralmente, entro cui à ̈ affogato il rispettivo avvolgimento secondario, mentre la porzione centrale à ̈ costituita da un elemento tubolare, sempre in materiale isolante, sulle cui estremità opposte sono rispettivamente fissate, in corrispondenza dei loro fori centrali, le due porzioni di estremità a dischetto. In various embodiments, as well as in the one illustrated, the head portions 12 are both formed by a disk in insulating material drilled centrally, within which the respective secondary winding is drowned, while the central portion consists of an element tubular, again in insulating material, on the opposite ends of which the two disk end portions are respectively fixed, in correspondence with their central holes.
Come schematicamente rappresentato in figura 5, l’elemento a rocchetto sopra descritto consente di realizzare una struttura di trasformatore completamente modulare, in cui tale elemento costituisce un modulo singolo che può ripetersi un qualsiasi numero di volte, in funzione dell’applicazione cui il trasformatore à ̈ destinato. In particolare, come visibile nell’esempio illustrato nelle figure, i singoli elementi sono predisposti per essere impilati l'uno sull'altro, sulla colonna centrale del nucleo ferromagnetico, dalla quale vengono attraversate le rispettive aperture centrali 14 di tali elementi. In proposito, la figura 1 rappresenta un esempio di trasformatore con tre elementi 8 impilati l’uno sull’altro. As schematically represented in figure 5, the spool element described above allows to realize a completely modular transformer structure, in which this element constitutes a single module that can be repeated any number of times, depending on the application to which the transformer is intended. In particular, as can be seen in the example illustrated in the figures, the individual elements are arranged to be stacked one on top of the other, on the central column of the ferromagnetic core, from which the respective central openings 14 of these elements are passed through. In this regard, figure 1 represents an example of a transformer with three elements 8 stacked one on top of the other.
Inoltre, sempre come schematicamente rappresentato in Figura 5, à ̈ da notare che il numero di spire dell’avvolgimento primario può variare in funzione dell’applicazione richiesta, ed altresì differire tra gli elementi a rocchetto che compongono il trasformatore; allo stesso modo, uno o più elementi a rocchetto del trasformatore possono presentare l’avvolgimento secondario anche su una sola delle due teste di estremità 12. Furthermore, again as schematically represented in Figure 5, it should be noted that the number of turns of the primary winding can vary according to the application required, and also differ between the spool elements that make up the transformer; in the same way, one or more spool elements of the transformer can have the secondary winding even on only one of the two end heads 12.
Infine, in funzione delle applicazioni richieste, gli avvolgimenti secondari e, allo stesso modo, gli avvolgimenti primari dell’assieme risultante, possono poi essere collegati in serie e/o in parallelo. In varie forme di attuazione, così come in quella illustrata, il nucleo ferromagnetico à ̈ formato da due parti distinte 6a, 6b separate in corrispondenza di un piano P che à ̈ trasversale alla colonna 6’ del nucleo portante gli elementi 8 e che taglia o delimita un’estremità di tale colonna. Nel montaggio del trasformatore, le due parti del trasformatore risultano dapprima separate in modo da poter disporre gli elementi 8 sulla colonna 6’, e successivamente tali parti vengono accoppiate in modo da chiudere tali elementi all’interno della struttura ad anello da queste formata. Finally, depending on the applications required, the secondary windings and, in the same way, the primary windings of the resulting assembly, can then be connected in series and / or in parallel. In various embodiments, as well as in the one illustrated, the ferromagnetic core is formed by two distinct parts 6a, 6b separated in correspondence with a plane P which is transversal to the column 6â € ™ of the core bearing the elements 8 and which cut or delimit one end of this column. When assembling the transformer, the two parts of the transformer are first separated so as to be able to arrange the elements 8 on the column 6â € ™, and subsequently these parts are coupled so as to close these elements inside the ring structure formed by them .
Un trasformatore del tipo qui descritto può essere impiegato in un convertitore DC-DC, atto a convertire una sorgente di corrente continua da un livello o valore di tensione ad un altro. I convertitori DC-DC sono estremamente diffusi nel settore automotive, ad esempio per le auto elettriche, ove à ̈ spesso necessario che tali apparati convertitori siano bidirezionali, operando la conversione fra un lato ad un livello di tensione più alto e un lato ad un livello di tensione più basso in ambedue le direzioni. Ad esempio, nei veicoli ibridi usualmente sono presenti due reti elettriche, rispettivamente una rete elettrica di tipo tradizionale per carichi quali le luci o la centralina per il controllo del motore termico e una rete elettrica ad alta tensione per il motore elettrico, che può operare ad esempio a una tensione intorno ai 600 Volt; in tale contesto si necessitano sistemi di conversione dell'energia, preferibilmente bidirezionali, che mettano in comunicazione le due reti elettriche, in particolare per trasferire energia dalla rete ad alta tensione alimentata da una batteria specifica, ad esempio a ioni di litio, alla rete convenzionale a più bassa tensione. In tale esempio di applicazione, il trasformatore qui descritto può essere preferibilmente assemblato secondo una configurazione cosiddetta “a presa centrale†. A transformer of the type described here can be used in a DC-DC converter, adapted to convert a direct current source from one voltage level or value to another. DC-DC converters are extremely widespread in the automotive sector, for example for electric cars, where it is often necessary that these converter apparatuses are bidirectional, converting between one side at a higher voltage level and one side at a higher voltage level. lower voltage in both directions. For example, in hybrid vehicles there are usually two electrical networks, respectively a traditional type electrical network for loads such as lights or the control unit for controlling the thermal engine and a high voltage electrical network for the electric motor, which can operate at for example at a voltage of around 600 Volts; in this context, energy conversion systems are required, preferably bidirectional, which connect the two electrical networks, in particular to transfer energy from the high voltage network powered by a specific battery, for example lithium ion, to the conventional network at lower voltage. In this application example, the transformer described here can preferably be assembled according to a so-called â € œcentral socketâ € configuration.
Naturalmente, fermo restando il principio dell'invenzione, i particolari di realizzazione e le forme di attuazione potranno variare, anche in modo significativo, rispetto a quanto qui illustrato a puro titolo di esempio non limitativo, senza per questo uscire dall'ambito dell'invenzione, così come definito dalle rivendicazioni annesse. Naturally, the principle of the invention remaining the same, the details of construction and the embodiments may vary, even significantly, with respect to what is illustrated here purely by way of non-limiting example, without thereby departing from the scope of the invention. , as defined by the attached claims.
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