WO2014009182A1 - Transformator zum speichern und filtern - Google Patents

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    • H01F38/42—Flyback transformers
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    • H01F38/42—Flyback transformers
    • H01F2038/426—Flyback transformers with gap in transformer core

Definitions

  • the invention relates to a polyphase transformer for storing energy and filtering currents in a DC / DC converter having a number of 2 * n + 1 phases, where n is a natural number comprising a 2 * n + 1 core first yokes, wherein on each first yoke a winding is arranged, and with at least one second yoke, which is connected to the remaining core via an air gap and / or has an air gap.
  • the transformer assembly has a core that is constructed similar to a conductor.
  • the rungs of this ladder-like core are formed by the first yokes of the transformer.
  • the second yoke is provided, which has the air gap necessary for the storage of energy.
  • the transformer can be integrated into a polyphase system so that each winding is traversed by a current of one of the phases, as is known in current-compensated polyphase transformers.
  • the core may be designed so that the first yokes are symmetrical to the second yoke, this is not possible with an odd number of yokes.
  • the second yoke can not be located in the middle of a symmetrical core. This has disadvantages for electromagnetic emissions and can lead to unwanted transients.
  • the invention has for its object to improve a transformer of the type mentioned, so that a better EMC is achieved and avoid transient phenomena or occur only greatly reduced.
  • the core of the transformer has a number of 2 * n second yokes, which are arranged alternately with the first yokes.
  • a first yoke is arranged in the middle. Symmetrically to this first yoke, the second yokes and the remaining first yokes are arranged, wherein the middle first yoke first second yokes are arranged to join the other first and second yokes in alternation.
  • the first yokes and the second yokes are preferably arranged parallel to each other.
  • the yoke connecting parts of the core are advantageously also arranged parallel to each other.
  • the core of the transformer is preferably soft magnetic.
  • the windings can be planar windings. It is also possible that the windings are wound from wire.
  • Each first yoke may be connected to the remainder of the core without an air gap. Likewise, preferably no air gap is provided within the first yokes.
  • Each first yoke may alternatively be connected to the remainder of the core with a gap, in particular with an air gap, and / or within the first yoke may be connected Gap may be provided, in particular with an air gap, this gap is very small in comparison with the air gaps assigned to the second yokes.
  • a middle one of the first yokes can be connected to the rest of the core via a gap, and / or a gap can be provided within the middle first yoke which is larger than the gap at or in the remaining first yokes.
  • the width of the gap at or in the middle first yoke may be 100pm.
  • the gaps at or in the first yokes, including the middle first yoke, may be wholly or partially filled with at least one superparamagnetic, ferrimagnetic or ferromagnetic, in particular at least one magnetically soft solid.
  • the solid may be, for example, a foil. It is also possible that balls are provided as a solid, which are incorporated in an adhesive.
  • the solid or solids may consist of glass.
  • An advantage of columns in or at the first yokes is that the inductance of the windings can be adjusted by the choice of the gap width.
  • the choice of a gap at or in the first middle yoke which is greater than the gap in or on the remaining first yokes it can be achieved that the inductance of all windings is the same, which is the transient response after a voltage or load change improved again.
  • Fig. 2 shows a section through a transformer with conductor tracks arranged on circuit carriers as planar windings
  • Fig. 3 shows a section through a transformer with wire windings and columns at first yokes in a schematic representation
  • the transformers shown in Figures 1, 2 and 3 have a core 11, 12, 13, 14, which consists of first yokes 11, second yokes 12, a fixed side part 13 and an attached side part 14.
  • the yokes 1, 12 are fixedly connected to the fixed side part 13 and collar at an angle of approximately 90 ° from the fixed side part 13.
  • the core has three first yokes 11, one of which is arranged in the middle. Parallel to this central first yoke 11, the remaining yokes 11, 12 are arranged alternately on each side of a second yoke 12 and a first yoke eleventh
  • Windings 2 are arranged on all first yokes 11 and have the same number of turns as known from current-compensated polyphase transformers.
  • the second yokes 12 are viewed from the fixed side part of shorter than the first yokes 1. This results in that between the second yokes 12 and the attached side part 14 is an air gap, in which, as is usual in memory transformers , Energy can be stored.
  • the transformers shown in Figures 1 and 2 differ from each other substantially by the formation of the windings. While the windings used in the transformer according to FIG. 1 are wire windings, the windings of the transformer according to FIG. 2 are printed conductors applied to a circuit carrier, that is to say so-called planar windings.
  • the transformers shown in Figures 1 and 3 differ from each other substantially by glued with adhesive glass beads in columns 4, which are provided between the first yokes 11 and the attached side part.
  • the gap 4, which is provided on the middle first yoke 11a, is slight larger than the column 4, which is provided between the remaining first yokes 1 1 and the attached side part 14.
  • the slightly larger gap 4 between the middle first yoke 11 a and the attached side part 14 can be achieved that the inductances of the windings 2 of the transformer are the same.

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Description

Transformator zum Speichern und Filtern
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Mehrphasen-Transformator zum Speichern von Energie und zum Filtern von Strömen in einem DC/DC-Wandler mit einer Anzahl von 2*n+1 Phasen, wobei n eine natürliche Zahl ist, umfassend einen Kern mit 2*n+1 ersten Jochen, wobei auf jedem ersten Joch eine Wicklung angeordnet ist, und mit wenigstens einem zweiten Joch, das mit dem übrigen Kern über einen Luftspalt verbunden ist und/oder einen Luftspalt aufweist.
In dem Aufsatz„Coupled Inductor Design Optimization for Fast-Response Low- Voltage DC-DC Converters" von Jieli Li und C. R. Sullivan, IEEE Applied Power Electronics Conference, März 2002 ist eine solche Transformatoranordnung beschrieben.
Die Transformatoranordnung hat einen Kern, der ähnlich einer Leiter aufgebaut ist. Die Sprossen dieses leiterartigen Kerns werden durch die ersten Joche des Transformators gebildet. Neben den ersten Jochen ist das zweite Joch vorgesehen, welches den für das Speichern von Energie notwendigen Luftspalt hat. Der Transformator kann so in ein Mehrphasensystem eingebunden werden, dass jede Wicklung von einem Strom einer der Phasen durchflössen wird, wie es bei stromkompensierten Mehrphasen-Transformatoren bekannt ist.
Während bei einer geraden Anzahl von Phasen und somit einer geraden Anzahl von Wicklungen und ersten Jochen der Kern so gestaltet sein kann, dass die ersten Joche symmetrisch zu dem zweiten Joch angeordnet sind, ist dies bei einer ungeraden Anzahl von Jochen nicht möglich. Das zweite Joch kann nicht in der Mitte eines symmetrischen Kerns angeordnet sein. Dieses hat Nachteile für elektromagnetische Störaussendungen und kann zu ungewollten Einschwingvorgängen führen.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Transformator der eingangs genannten Art zu verbessern, so dass eine bessere EMV erreicht wird und Einschwingvorgänge unterbleiben oder nur stark gemindert auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kern des Transformators eine Anzahl von 2*n zweiten Jochen aufweist, die abwechselnd mit den ersten Jochen angeordnet sind.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich einen symmetrischen Kern und somit auch einen symmetrischen Transformator aufzubauen. Bei einem erfindungsgemäßen Transformator ist ein erstes Joch in der Mitte angeordnet. Symmetrisch zu diesem ersten Joch sind die zweiten Joche und die übrigen ersten Joche angeordnet, wobei dem mittleren ersten Joch zunächst zweite Joche angeordnet sind an die sich die weiteren ersten und zweiten Joche im Wechsel anschließen.
Die ersten Joche und die zweiten Joche sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet. Die die Joche verbindenden Teile des Kerns sind vorteilhaft ebenfalls parallel zueinander angeordnet.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dass alle Luftspalte die gleiche Ausdehnung haben.
Der Kern des Transformators ist vorzugsweise weichmagnetisch.
Die Wicklungen können Planarwicklungen sein. Ebenso ist es möglich, dass die Wicklungen aus Draht gewickelt sind.
Jedes erste Joch kann ohne Luftspalt mit dem übrigen Kern verbunden sein. Ebenso ist vorzugsweise innerhalb der ersten Joche kein Luftspalt vorgesehen.
Jedes erste Joch kann alternativ mit einem Spalt, insbesondere mit einem Luftspalt mit dem übrigen Kern verbunden sein und/oder innerhalb der ersten Joche kann ein Spalt, insbesondere mit einem Luftspalt vorgesehen sein, wobei dieser Spalt im Vergleich mit den den zweiten Jochen zugeordneten Luftspalten sehr klein ist.
Erfindungsgemäß kann ein mittleres der ersten Joche über einen Spalt mit dem übrigen Kern verbunden sein und/oder innerhalb des mittleren ersten Jochs kann ein Spalt vorgesehen sein, der größer ist als der Spalt an oder in den übrigen ersten Jochen. Die Breite des Spalts an oder in dem mittleren ersten Joch kann 100pm betragen.
Die Spalte an oder in den ersten Jochen, einschließlich des mittleren ersten Jochs, können mit wenigstens einem superparamagnetischen, ferrimagnetischen oder einem ferromag netischen, insbesondere wenigstens einem weichmagnetischen Festkörper ganz oder teilweise ausgefüllt sein. Bei dem Festkörper kann es sich beispielsweise um eine Folie handeln. Möglich ist auch, dass als Festkörper Kugeln vorgesehen sind, die in einen Klebstoff eingelagert sind. Der oder die Festkörper können aus Glas bestehen.
Ein Vorteil von Spalten in oder an den ersten Jochen ist, dass durch die Wahl der Spaltbreite die Induktivität der Wicklungen eingestellt werden kann. Insbesondere durch die Wahl eines Spaltes an oder in dem ersten mittleren Joch der größer ist als die Spalte in oder an den übrigen ersten Jochen kann erreicht werden, dass die Induktivität aller Wicklungen gleich groß ist, was das Einschwingverhalten nach einer Span- nungs- oder Laständerung nochmals verbessert.
Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen Transformator mit Drahtwicklungen in schemati- scher Darstellung,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Transformator mit auf Schaltungsträgern angeordneten Leiterbahnen als Planarwicklungen und Fig. 3 einen Schnitt durch einen Transformator mit Drahtwicklungen und Spalten an ersten Jochen in schematischer Darstellung
Die in den Figuren 1 , 2 und 3 dargestellten Transformatoren weisen einen Kern 11 , 12, 13, 14 auf, der aus ersten Jochen 11 , zweiten Jochen 12, einem festen Seitenteil 13 und einem aufgesetzten Seitenteil 14 besteht. Die Joche 1 , 12 sind fest mit dem festen Seitenteil 13 verbunden und kragen im Winkel von ungefähr 90° vom festen Seitenteil 13 aus. Der Kern hat drei erste Joche 11 , von denen eines in der Mitte angeordnet ist. Parallel zu diesem mittigen ersten Joch 11 sind die übrigen Joche 11 , 12 angeordnet und zwar abwechselnd auf jeder Seite ein zweites Joch 12 und ein erstes Joch 11.
Auf allen ersten Jochen 11 sind Wicklungen 2 angeordnet, die eine gleiche Windungszahl haben, wie es von stromkompensierten Mehrphasen-Transformatoren bekannt ist.
Die zweiten Joche 12 sind von dem festen Seitenteil aus betrachtet kürzer ausgebildet als die ersten Joche 1. Dieses führt dazu, dass sich zwischen den zweiten Jochen 12 und dem aufgesetzten Seitenteil 14 ein Luftspalt befindet, in welchem, wie es bei Speicher-Transformatoren üblich ist, Energie gespeichert werden kann. Die ersten Joche 11 liegen dagegen unmittelbar an dem aufgesetzten Seitenteil an.
Die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Transformatoren unterscheiden sich voneinander im Wesentlichen durch die Ausbildung der Wicklungen. Während die bei dem Transformator gemäß Figur 1 verwendeten Wicklungen Drahtwicklungen sind, handelt es sich bei den Wicklungen des Transformators gemäß Figur 2 um auf einem Schaltungsträger aufgebrachte Leiterbahnen, also um sogenannte Planarwicklungen.
Die in den Figuren 1 und 3 dargestellten Transformatoren unterscheiden sich voneinander im Wesentlichen durch mit Klebstoff eingeklebte Glaskugeln in Spalten 4, die zwischen den ersten Jochen 11 und dem aufgesetzten Seitenteil vorgesehen sind. Der Spalt 4, der an dem mittleren ersten Joch 11a vorsehen ist, ist dabei geringfügig größer als die Spalte 4, die zwischen den übrigen ersten Jochen 1 1 und dem aufgesetzten Seitenteil 14 vorgesehen ist. Insbesondere durch den geringfügig größeren Spalt 4 zwischen dem mittleren ersten Joch 11 a und dem aufgesetzten Seitenteil 14 kann erreicht werden, dass die Induktivitäten der Wickelungen 2 des Transformators gleich sind.
Bezugszeichenliste
11 erste Joche des Kerns
11a mittleres erstes Joch des Kerns
12 zweite Joche des Kerns
13 festes Seitenteil des Kerns
14 aufgesetztes Seitenteil des Kerns
2 Wicklungen
3 Luftspalte
4 Spalte

Claims

Mehrphasen-Streufeld-Transformator zum Speichern und Filtern Patentansprüche
1. Mehrphasen-Streufeld-Transformator zum Speichern von Energie und zum
Filtern von Strömen mit einer Anzahl von 2*n+1 Phasen, wobei n eine natürliche Zahl > 0 ist, umfassend einen Kern (11 , 11a, 12, 13, 14) mit 2*n+1 ersten Jochen (11 , 11a), wobei auf jedem ersten Joch eine Wicklung (2) angeordnet ist, und mit wenigstens einem zweiten Joch (12), das mit dem übrigen Kern (13, 14) über einen Luftspalt (3) verbunden ist und/oder einen Luftspalt (3) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Kern (11 , 12, 13, 14) des Transformators 2*n zweite Joche (12) aufweist, die abwechselnd mit den ersten Jochen (11 , 11a) angeordnet sind.
2. Transformator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die ersten
Joche (11) und die zweiten Joche (12) parallel zueinander angeordnet sind.
3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle
Luftspalte (3) die gleiche Ausdehnung haben.
4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (11 , 11a, 12, 13, 14) weichmagnetisch ist.
5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2) Planarwicklungen sind.
6. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen (2) aus Draht gewickelt sind.
7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste Joch (11) ohne Luftspalt mit dem übrigen Kern (13, 14) verbunden ist und auch innerhalb der ersten Joche (11) keine Luftspalte vorgesehen sind.
8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jedes erste Joch (11 , 11a) über einen Spalt (4) mit dem übrigen Kern (13, 14) verbunden ist und/oder innerhalb der ersten Joche (11) ein Spalt (4) vorgesehen ist, wobei dieser Spalt (4) im Vergleich mit den zweiten Jochen (12) zugeordneten Luftspalten sehr klein ist.
9. Transformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittleres der ersten Joche (11 , 1 1a) über einen Spalt (4) mit dem übrigen Kern (13, 14) verbunden ist und/oder innerhalb des mittleren ersten Jochs (1 1a) ein Spalt (4) vorgesehen ist, der größer ist als die Spalte (4) an oder in den übrigen ersten Jochen.
10. Transformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte
(4) an oder in den ersten Jochen, einschließlich des mittleren ersten Jochs (11 a) mit einem weichmagnetischen Festkörper ganz oder teilweise ausgefüllt sind, wobei der weich mag netische Festkörper ferro oder ferrimagnetisch oder superparamagnetisch sein kann.
11. Transformator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten
Spalte mit einem Kleber gefüllt sind.
12. Transformator nach Anspruch 10 und 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der
Kleber mit einem weichmagnetischen Material gefüllt ist.
13. Transformator nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial des Klebers zu Kugeln mit geformt ist, wobei die Kugeln einen Durchmesser haben, die den kleineren Spalten entspricht.
PCT/EP2013/063751 2012-07-12 2013-06-29 Transformator zum speichern und filtern Ceased WO2014009182A1 (de)

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