WO2018095757A1 - Transformatorvorrichtung, transformator und verfahren zur herstellung einer transformatorvorrichtung - Google Patents

Transformatorvorrichtung, transformator und verfahren zur herstellung einer transformatorvorrichtung Download PDF

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WO2018095757A1
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transformer
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secondary winding
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Thomas Plum
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores

Definitions

  • Transformer device Transformer and method of manufacturing a transformer device
  • the present invention relates to a transformer device and a transformer having such a transformer device. Furthermore, the present invention relates to a method for producing a
  • Transformers are used in power electronics for safe electrical isolation of circuits and at the same time for the transformation of voltages and currents.
  • transformers typically have a magnetic core. This magnetic core is enclosed by at least two windings. In the power class between 100 watts and a few kilowatts, for example, so-called planar transformers can be used. In this design, the windings are formed by the tracks of a printed circuit on a circuit board. An example ferritic magnetic core can then above or below the
  • the document EP 0 961 303 A1 discloses a transformer for printed circuit boards. Here, it is proposed to make the windings of the transformer with the lower current as a printed circuit on the circuit board and to perform the winding, which is intended for the higher current, as a metal sheet.
  • the present invention discloses a transformer device having the features of claim 1, a transformer having the features of claim 7 and a method for manufacturing a
  • a transformer device comprising a toroidal magnetic core, a secondary winding and a primary element.
  • the secondary winding of the transformer device is arranged around the magnetic core.
  • the primary element of the transformer device comprises a circular
  • the Basic element a hollow cylindrical outer element and a cylindrical inner element.
  • the magnetic core with the secondary winding is in the
  • the printed circuit board arrangement comprises a plurality of contact elements. These contact elements are adapted to the outer element and the inner element of the primary element of
  • a method of manufacturing a transformer element includes a step of wrapping a toroidal shaped one
  • the method comprises a step of providing a primary element.
  • the primary element comprises a circular base element, a hollow cylindrical outer element and a cylindrical inner element.
  • the method comprises a step for arranging the magnetic core with the wound secondary winding in the primary element.
  • the present invention is based on the finding that
  • Planar transformers based on printed circuit boards have a very large area requirement due to their planar construction and the small copper cross-section of the printed circuits.
  • the achievable power density of the transformer and thus also the power density is limited in a total device with such a transformer.
  • the present invention is therefore based on the idea to take this knowledge into account and to provide a transformer device, which enables the realization of power electronic transformers with a small size and high power density.
  • a simple construction and connection technology should be made possible to ensure cost-effective production.
  • it is provided to wrap a toroidal magnetic core with at least one winding of a transformer.
  • This winding can represent, for example, the secondary winding of a transformer to be formed.
  • This arrangement on the magnetic core with a wound secondary winding is placed thereon in an electrically conductive arrangement, which is intended to realize the further winding, so for example, the primary winding of the transformer.
  • This electrically conductive arrangement may for example have a cup-like structure.
  • this arrangement can by a circular base with a hollow cylindrical outer shell and a cylindrical
  • Secondary winding is arranged concentrically in the electrically conductive element for the primary winding, allows a very compact structure with a high power density.
  • the outer element, which forms the primary winding the resulting heat can be dissipated very well.
  • Both the secondary winding and the freely accessible primary winding can be contacted very easily electrically. This allows a particularly efficient and inexpensive construction of an electrical circuit with such a transformer device.
  • the primary element comprises a plurality of electrically isolated segments.
  • the individual segments of the primary element may be formed as sectors of a rotationally symmetrical primary element.
  • Interconnection allows a primary winding with multiple turns. In this case, for example, one turn can be realized by each segment.
  • the magnetic core comprises a cutting tape core.
  • cutting cores particularly efficient transformers can be realized. While cut cores in toroidally shaped
  • Magnet cores of a transformer device according to the invention can be realized, this type of cores can not be realized in conventional planar design.
  • the magnetic core comprises a magnetic core with a distributed air gap.
  • Such magnetic cores with distributed air gap are also known as so-called powder cores. Magnet cores with distributed air gap, so
  • Powder cores are produced by powder metallurgy ferromagnetic
  • Magnetic cores having a low permeability can be realized in particular by means of a toroidally shaped magnetic core with a distributed air gap. In this way, for example
  • distributed air gap here is to be understood as meaning a magnetic core in which, for example, individual ferritic particles are spaced apart from each other in order to realize an approximately continuous distribution of the air gap throughout the revolution in the toroidal magnetic core Discrete air gap dispensed at a discrete position.
  • the magnetic core is encapsulated with the secondary winding in the primary element with a potting compound.
  • the magnetic core can be fixed to the secondary winding in the primary element on the one hand.
  • the potting compound allows reliable electrical isolation between the secondary winding and the primary element.
  • the heat generated in the secondary winding and the magnetic core can be dissipated via the casting compound.
  • the transformer device comprises a further toroidal magnetic core.
  • This toroidal further magnetic core can also be arranged together with the wound with the secondary winding magnetic core in the primary element. In this way, large stray inductances can be realized. As a result, the other acts
  • the method for producing a transformer comprises a step of casting the primary element with the magnetic core and the secondary winding with a potting compound.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual components of a transformer device according to an embodiment
  • Figure 2 a schematic representation of a magnetic core for a
  • Figure 3 a schematic representation of a cross section through a
  • a transformer with a transformer device according to an embodiment
  • FIG. 4 is a schematic representation of a flowchart as it is a method for producing a
  • Transformer device is based.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the individual components of a transformer device according to an embodiment.
  • Transformer device can, for example, as a component for a
  • Transformer in particular for a transformer on a printed circuit board to be used.
  • present invention is not limited to use with printed circuit boards, but may be used for any other applications.
  • the magnetic core 3 of the transformer device is toroidal educated.
  • the magnetic core 3 thus has an annular, rotationally symmetrical structure.
  • the toroidal magnetic core in a sectional plane parallel to
  • Symmetry axis A-A an approximately square cross section.
  • the magnetic core 3 may comprise any suitable material for a magnetic core.
  • magnetic cores of ferromagnetic materials, in particular of ferrites or iron are possible.
  • ferrites or iron are possible.
  • Magnet core 3 can be realized from any known or novel material in amorphous, crystalline or nanocrystalline form.
  • the magnetic cores can also be realized for example as cores with a distributed air gap, and thus with low permeability.
  • Such magnetic cores with a distributed air gap can be realized, for example, as so-called powder cores made of iron or another magnetic powder, such as cobalt, nickel or the like.
  • the air gaps are characterized in that in them the individual powder grains continue to be separated from each other by a non-magnetic layer.
  • a so-called distributed air gap is realized, which causes a high saturation induction and a soft use of saturation.
  • a winding 2 is disposed around the magnetic core 3 around.
  • This winding 2 around the magnetic core 3 may be, for example, a secondary winding of a transformer to be realized.
  • the terms secondary, as well The term primary element used below serve merely for better understanding. However, these designations do not represent a restriction of the corresponding windings or elements with respect to the function or use of the transformer. Accordingly, the terms “primary” and “secondary” can also be interchanged.
  • the secondary winding 2 around the magnetic core 3 may be formed of any suitable material such as a copper enameled wire or the like.
  • a copper enameled wire or the like For a better understanding of the present invention, only one secondary winding 2 is shown and described in the embodiments described herein. In addition, however, depending on
  • a secondary winding 2 which may optionally be arranged together around the magnetic core 3 around. It may also be possible to provide a secondary winding 2 with a center tap or the like.
  • This primary element 1 is in this case designed such that the magnetic core 3 with the secondary winding 2 in the
  • Primary element 1 can be introduced. In the inserted state, the primary element 1 thus surrounds the magnetic core 3 with the
  • Primary element 1 thus has a structure that can be described, for example, as a circular base element 1 a with a hollow cylindrical outer element 1 b and a cylindrical inner element 1 c. This results in a cup-shaped structure with an inner "pin.”
  • the primary element 1 can thus have, for example, a rotationally symmetrical structure, but in principle it is also possible to design the primary element 1 in any other structure, as long as the
  • Primary element 1 of the magnetic core 3 can be enclosed with the secondary winding 2 in a similar manner.
  • the primary element 1 may be formed of any electrically conductive material.
  • the primary element 1 can be formed from copper, aluminum or the like.
  • the magnetic core 3 with the primary winding 2 is introduced into the primary element 1. This results in a transformer, in which between the not connected to the base element la end of the inner element lc and also not connected to the base element la end of the outer element lb a
  • Secondary winding 2 has a transmission ratio of 1: n.
  • Secondary winding 2 are poured with a suitable potting compound.
  • potting compounds are known, so that they need not be further described in detail here.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a primary element 1 for a transformer device according to an embodiment.
  • the primary element 1 shown here can be used as an alternative to the primary element 1 described above in connection with FIG.
  • the construction of the transformer device is identical to the transformer device described above.
  • Embodiment divided into several segments 1-i The number of three segments 1-i shown here serves only for better understanding and did not limit the present invention to exactly three segments 1-i. Rather, any other number of segments 1-i,
  • the individual segments 1-i are electrically insulated from each other.
  • the individual segments 1- i can be connected to one another by means of an electrically insulating material. In this way, the individual segments 1-i of
  • a primary winding with several turns can be realized by means of such a segmented primary element 1.
  • a primary element 1 with m segments 1-i corresponds to a primary winding with m turns.
  • the electrical connection between the individual inner elements lc and the individual outer elements la can be realized for example by applying the transformer element to a printed circuit board with a printed circuit.
  • the further magnetic core can be arranged on the side facing the base element la or the side of the primary element 1 facing away from the base element la.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a transformer device on a printed circuit board 4 with a printed circuit for implementing a transformer according to one embodiment.
  • the primary element 1 is arranged with the magnetic core 3 and the secondary winding 2 on a printed circuit board 4 with a printed circuit.
  • the printed circuit board 4 has, in particular, contact elements 41 and 42 at which the printed circuit of the printed circuit board 4 can be electrically coupled to the primary element 1, in particular the inner element 1c and the outer element 1a. This electrical coupling can be realized for example by means of any soldering process or a suitable welding process.
  • each an inner element lc electrically connects with an outer element lb of an adjacent segment li.
  • the circuit board 4 may have an opening 43. At this opening 43, for example, the terminals of the secondary winding 2 can be performed.
  • a transformer having a transformer device as described above may be cooled by any suitable cooling device.
  • cooling device can be used to dissipate the heat generated at the transformer device 1.
  • Such a cooling device can, for example, on one of
  • Transformer device 1 opposite side of the circuit board 4 may be provided. Moreover, it is also possible to provide the cooling device on the same side on which the transformer device 1 is arranged.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a flowchart on which a production method for a transformer device according to an embodiment is based. The method described here can be used in particular to the previously described
  • step Sl a toroidal magnetic core 3 is formed with a
  • a primary element 1 is provided.
  • This primary element 1 may in particular be a previously described primary element 1.
  • the primary element 1 comprises in particular a circular base element 1a, a hollow cylindrical outer element 1b and a cylindrical inner element 1c.
  • the magnetic core 3 is then arranged with the secondary winding 2 in the primary element 1. Further, if necessary, in a step S4, the magnetic core 2 are shed with the secondary winding 3 in the primary element 1 with a potting compound.
  • the present invention relates to a
  • Transformer device for the realization of a compact high power density transformer.
  • a toroidal magnetic core with a secondary coil in a cup-shaped casing with an inner web.
  • the cup-shaped outer shell with the inner web is used in this case as a primary winding.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transformatorvorrichtung für die Realisierung eines kompakten Transformators hoher Leistungsdichte. Hierzu wird vorgeschlagen, in einer becherförmigen Ummantelung mit einem Innensteg ein toroidförmigen Magnetkern mit einer Sekundärspule einzubringen. Die becherförmige Außenhülle mit dem Innensteg dient in diesem Fall als Primärwicklung.

Description

Beschreibung Titel
Transformatorvorrichtung, Transformator und Verfahren zur Herstellung einer Transformatorvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transformatorvorrichtung und einen Transformator mit einer solchen Transformatorvorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer
Transformatorvorrichtung.
Stand der Technik
Transformatoren werden in der Leistungselektronik zur sicheren galvanischen Trennung von Stromkreisen und gleichzeitig zur Transformation von Spannungen und Strömen eingesetzt. Dabei weisen Transformatoren typischerweise einen magnetischen Kern auf. Dieser magnetische Kern wird von mindestens zwei Wicklungen umschlossen. In der Leistungsklasse zwischen 100 Watt und einigen Kilowatt können beispielsweise sogenannte Planartransformatoren eingesetzt werden. Bei dieser Bauform werden die Wicklungen durch die Leiterbahnen einer gedruckten Schaltung auf einer Leiterplatte gebildet. Ein beispielsweise ferritischer Magnetkern kann anschließend oberhalb oder unterhalb der
Leiterplatte montiert werden.
Die Druckschrift EP 0 961 303 AI offenbart einen Transformator für Leiterplatten mit gedruckten Schaltungen. Hierbei wird vorgeschlagen, die Wicklungen des Transformators mit dem niedrigeren Strom als gedruckte Schaltung auf der Leiterplatte auszuführen und die Wicklung, welche für den höheren Strom vorgesehen ist, als Metallblech auszuführen.
Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung offenbart eine Transformatorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, einen Transformator mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer
Transformatorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
Demgemäß ist vorgesehen:
Eine Transformatorvorrichtung mit einem toroidförmig ausgebildeten Magnetkern, einer Sekundärwicklung und einem Primärelement. Die Sekundärwicklung der Transformatorvorrichtung ist um den Magnetkern herum angeordnet. Das Primärelement der Transformatorvorrichtung umfasst ein kreisförmiges
Grundelement, ein hohlzylinderförmiges Außenelement und ein zylinderförmiges Innenelement. Der Magnetkern mit der Sekundärwicklung ist in dem
Primärelement angeordnet. Das heißt, der Magnetkern mit der Sekundärwicklung befindet sich vollständig im Inneren des Primärelements zwischen dem
Außenelement und dem Innenelement.
Weiterhin ist vorgesehen:
Ein Transformator mit einer Leiterplattenanordnung und einer
erfindungsgemäßen Transformatorvorrichtung. Die Leiterplattenanordnung umfasst mehrere Kontaktelemente. Diese Kontaktelemente sind dazu ausgelegt, das Außenelement und das Innenelement des Primärelements der
Transformatorvorrichtung mit der Leiterplattenanordnung elektrisch zu koppeln.
Ferner ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Herstellung eines Transformatorelements. Das Verfahren umfasst einen Schritt zum Umwickeln eines toroidförmig ausgebildeten
Magnetkerns mit einer Sekundärwicklung. Ferner umfasst das Verfahren einen Schritt zum Bereitstellen eines Primärelements. Das Primärelement umfasst ein kreisförmiges Grundelement, ein hohlzylinderförmiges Außenelement und ein zylinderförmiges Innenelement. Weiterhin umfasst das Verfahren einen Schritt zum Anordnen des Magnetkerns mit der umwickelten Sekundärwicklung in dem Primärelement.
Vorteile der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass
Planartransformatoren auf Basis von Leiterbahnen mit gedruckten Schaltungen aufgrund ihres planaren Aufbaus und des geringen Kupferquerschnitts der gedruckten Schaltungen einen sehr hohen Flächenbedarf haben. Hierdurch wird unter anderem die erzielbare Leistungsdichte des Transformators und somit auch die Leistungsdichte in einem Gesamtgerät mit einem solchen Transformator begrenzt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und eine Transformatorvorrichtung bereitzustellen, welche die Realisierung von leistungselektronischen Transformatoren mit kleiner Bauform und hoher Leistungsdichte ermöglicht. Darüber hinaus soll eine einfache Aufbau- und Verbindungstechnik ermöglicht werden, um eine kostengünstige Fertigung sicherzustellen. Hierzu ist es vorgesehen, einen toroidförmigen Magnetkern mit mindestens einer Wicklung eines Transformators zu umwickeln. Diese Wicklung kann beispielsweise die Sekundärwicklung eines zu bildenden Transformators darstellen. Diese Anordnung auf dem Magnetkern mit umwickelter Sekundärwicklung wird darauf in eine elektrisch leitfähige Anordnung eingebracht, welche die weitere Wicklung, also beispielsweise die Primärwicklung, des Transformators realisieren soll. Diese elektrisch leitfähige Anordnung kann beispielsweise eine becherartige Struktur aufweisen.
Insbesondere kann diese Anordnung durch eine kreisförmige Grundfläche mit einem hohlzylinderförmigen Außenmantel und einem zylinderförmigen
Innenelement gebildet werden. Hierdurch ergibt sich in etwa eine oben offene becherförmige Struktur mit einem Innensteg. Ist das Außenelement nicht weiter strukturiert, so ergibt sich über den Verlauf von Innenelement, Grundelement und Außenelement eine einzelne Windung für die Primärwicklung. Durch weitere Strukturierung kann jedoch auch eine Primärwicklung mit mehreren Windungen realisiert werden. Eine derartige Transformatorvorrichtung, in der der Magnetkern mit der
Sekundärwicklung konzentrisch in dem elektrisch leitfähigen Element für die Primärwicklung angeordnet ist, ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau mit einer hohen Leistungsdichte. Darüber hinaus kann über das Außenelement, welches die Primärwicklung bildet, die entstehende Wärme sehr gut abgeführt werden.
Sowohl die Sekundärwicklung als auch die frei zugängliche Primärwicklung können hierbei sehr einfach elektrisch kontaktiert werden. Dies ermöglicht einen besonders effizienten und kostengünstigen Aufbau einer elektrischen Schaltung mit einer solchen Transformatorvorrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Primärelement mehrere elektrisch voneinander isolierte Segmente. Beispielsweise können die einzelnen Segmente des Primärelements als Sektoren eines rotationssymmetrischen Primärelements ausgebildet sein. Durch Unterteilung des Primärelements in mehrere Segmente kann ein Primärelement realisiert werden, welches bei entsprechender
Verschaltung eine Primärwicklung mit mehreren Windungen ermöglicht. Hierbei kann beispielsweise durch jedes Segment eine Windung realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Magnetkern einen Schnittbandkern. Mittels Schnittbandkernen lassen sich besonders effiziente Transformatoren realisieren. Während Schnittbandkerne in toroidförmig ausgebildeten
Magnetkernen einer erfindungsgemäßen Transformatorvorrichtung realisierbar sind, lassen sich diese Art von Kernen in konventioneller planarer Bauform nicht realisieren.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Magnetkern einen Magnetkern mit einem verteilten Luftspalt. Solche Magnetkerne mit verteiltem Luftspalt sind auch als sogenannte Pulverkerne bekannt. Magnetkerne mit verteiltem Luftspalt, also
Pulverkerne sind pulvermetallurgisch hergestellte ferromagnetische
Kernwerkstoffe. Durch einen toroidförmig ausgebildeten Magnetkern mit einem verteilten Luftspalt lassen sich insbesondere Magnetkerne mit einer niedrigen Permeabilität realisieren. Auf diese Weise können beispielsweise
Transformatoren mit kleinen Hauptinduktivitäten realisiert werden, die aufgrund des verteilten Luftspalts deutlich geringere Proximity-Verluste als ferritische Lösungen aufweisen. Unter dem Begriff„verteilter Luftspalt" ist hierbei ein Magnetkern zu verstehen, bei dem beispielsweise einzelne ferritische Partikel untereinander jeweils beabstandet sind, um während des gesamten Umlaufs in dem toroidförmigen Magnetkern eine annähernd kontinuierliche Verteilung des Luftspalts zu realisieren. Auf diese Weise kann auf einen einzelnen, diskreten Luftspalt an einer diskreten Position verzichtet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Magnetkern mit der Sekundärwicklung in dem Primärelement mit einer Vergussmasse vergossen. Auf diese Weise kann der Magnetkern mit der Sekundärwicklung in dem Primärelement einerseits fixiert werden. Darüber hinaus ermöglicht die Vergussmasse eine zuverlässige elektrische Isolierung zwischen Sekundärwicklung und Primärelement. Darüber hinaus kann über die Vergussmasse die in der Sekundärwicklung und dem Magnetkern entstehende Wärme abgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Transformatorvorrichtung einen weiteren toroidförmigen Magnetkern. Dieser toroidförmige weitere Magnetkern kann ebenfalls gemeinsam mit dem mit der Sekundärwicklung umwickelten Magnetkern in dem Primärelement angeordnet werden. Auf diese Weise lassen sich große Streuinduktivitäten realisieren. Hierdurch wirkt der weitere
magnetische Kern als sekundärseitige Drossel.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Transformators einen Schritt zum Vergießen des Primärelements mit dem Magnetkern und der Sekundärwicklung mit einer Vergussmasse.
Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, soweit sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich den
Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1: eine schematische Darstellung der einzelnen Komponenten einer Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Figur 2: eine schematische Darstellung eines Magnetkerns für eine
Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
Figur 3: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen
Transformator mit einer Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
Figur 4: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms wie es einem Verfahren zur Herstellung einer
Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung der einzelnen Komponenten einer Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Eine solche
Transformatorvorrichtung kann beispielsweise als Bauelement für einen
Transformator, insbesondere für einen Transformator auf einer Leiterplatte mit gedruckten Schaltungen eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz für Leiterplatten mit gedruckten Schaltungen beschränkt, sondern kann darüber hinaus auch für beliebige weitere Anwendungsgebiete eingesetzt werden.
Im oberen Teilbild I der Figur 1 ist ein Magnetkern 3 einer
Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Wie hier zu erkennen ist, ist der Magnetkern 3 der Transformatorvorrichtung toroidförmig ausgebildet. Der Magnetkern 3 weist somit eine ringförmige, rotationssymmetrische Struktur auf. In der hier dargestellten Ausführungsform weist der toroidförmige Magnetkern in einer Schnittebene parallel zur
Symmetrieachse A-A einen annähernd quadratischen Querschnitt auf. Darüber hinaus sind jedoch auch beliebige andere Querschnitte, insbesondere
beispielsweise rechteckförmige Querschnitte, kreisförmige oder ovale
Querschnitte, oder beliebige andere Querschnitte möglich.
Der Magnetkern 3 kann ein beliebiges, für einen Magnetkern geeignetes Material umfassen. Beispielsweise sind Magnetkerne aus ferromagnetischen Materialien, insbesondere aus Ferriten oder Eisen möglich. Insbesondere kann der
Magnetkern 3 aus einem beliebigen bekannten oder auch neuartigen Material in amorpher, kristalliner oder nanokristalliner Form realisiert werden.
Aufgrund der ringförmigen Ausgestaltung des Magnetkerns 3 sind insbesondere auch sogenannte Schnittbandkerne als Magnetkerne einsetzbar.
Darüber hinaus können die Magnetkerne auch beispielsweise als Kerne mit einem verteilten Luftspalt, und somit mit niedriger Permeabilität realisiert werden. Solche Magnetkerne mit einem verteilten Luftspalt können beispielsweise als sogenannte Pulverkerne aus Eisen oder einem anderen magnetischen Pulver, wie zum Beispiel Kobalt, Nickel oder ähnlichem realisiert werden. Die Luftspalte sind hierbei dadurch gekennzeichnet, dass in ihnen die einzelnen Pulverkörner weiterhin voneinander durch eine nicht-magnetische Schicht getrennt vorliegen. Hierdurch wird ein sogenannter verteilter Luftspalt realisiert, der eine hohe Sättigungsinduktion sowie einen weichen Einsatz der Sättigung bewirkt. Durch die Verwendung von solchen Magnetkernen 3 mit einem verteilten Luftspalt (Pulverkerne) können Transformatoren mit kleinen Hauptinduktivitäten realisiert werden, die aufgrund des verteilten Luftspalts deutlich geringere Proximity- Verluste aufweisen als ferritische Magnetkerne.
Wie im zweiten Teilbild II der Figur 1 dargestellt, wird um den Magnetkern 3 herum eine Wicklung 2 angeordnet. Bei dieser Wicklung 2 um den Magnetkern 3 herum kann es sich beispielsweise um eine Sekundärwicklung eines zu realisierenden Transformators handeln. Die Begriffe Sekundärwicklung, sowie der nachfolgend verwendete Begriff Primärelement dienen dabei lediglich dem besseren Verständnis. Diese Bezeichnungen stellen jedoch keine Einschränkung der entsprechenden Wicklungen bzw. Elemente in Bezug auf die Funktion bzw. den Einsatz des Transformators dar. Entsprechend können die Bezeichnungen „primär" und„sekundär" auch gegeneinander getauscht werden.
Die Sekundärwicklung 2 um den Magnetkern 3 herum kann aus einem beliebigen geeigneten Material, beispielsweise einem Kupferlackdraht oder ähnlichem ausgebildet sein. Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird in den hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine Sekundärwicklung 2 dargestellt und beschrieben. Darüber hinaus sind jedoch auch je nach
Anwendungsfall mehr als eine Sekundärwicklung 2 möglich, die gegebenenfalls gemeinsam um den Magnetkern 3 herum angeordnet werden können. Auch ist es gegebenenfalls möglich, eine Sekundärwicklung 2 mit einem Mittenabgriff oder ähnlichem zu versehen.
In dem dritten Teilbild III der Figur 1 ist ein Primärelement 1 der
Transformatorvorrichtung dargestellt. Dieses Primärelement 1 ist hierbei derart ausgestaltet, dass der Magnetkern 3 mit der Sekundärwicklung 2 in das
Primärelement 1 eingebracht werden kann. Im eingebrachten Zustand umschließt das Primärelement 1 somit den Magnetkern 3 mit der
Sekundärwicklung 2 nach unten, nach außen und nach innen. Lediglich nach oben ist das Primärelement 1 geöffnet. Hierdurch kann der Ringkern 3 mit der Sekundärwicklung 2 in das Primärelement 1 eingebracht werden. Das
Primärelement 1 weist somit eine Struktur auf, die beispielsweise als ein kreisförmiges Grundelement la mit einem hohlzylinderförmigen Außenelement lb und einem zylinderförmigen Innenelement lc beschrieben werden kann. Hierdurch entsteht eine becherförmige Struktur mit einem inneren„Zapfen". Das Primärelement 1 kann somit beispielsweise eine rotationssymmetrische Struktur aufweisen. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, das Primärelement 1 in einer beliebigen anderen Struktur auszuführen, solange durch das
Primärelement 1 der Magnetkern 3 mit der Sekundärwicklung 2 in ähnlicher Form umschlossen werden kann. So sind beispielsweise auch beliebige Strukturen auf Basis eines Vielecks oder ähnlichem möglich. Das Primärelement 1 kann aus einem beliebigen, elektrisch leitfähigen Material gebildet wird. Beispielsweise kann das Primärelement 1 aus Kupfer, Aluminium oder ähnlichem gebildet werden.
Für das Ausbilden der Transformatorvorrichtung wird der Magnetkern 3 mit der Primärwicklung 2 in das Primärelement 1 eingebracht. Hierdurch entsteht ein Transformator, bei dem zwischen dem nicht mit dem Grundelement la verbundenen Ende des Innenelements lc und dem ebenfalls nicht mit dem Grundelement la verbundenen Ende des Außenelements lb eine
Primärwicklung mit einer Windung gebildet wird. Entsprechend weist eine solche Transformatorvorrichtung bei einer Anzahl n von Windungen der
Sekundärwicklung 2 ein Übertragungsverhältnis von l:n auf.
Zur Stabilisierung und Isolation der einzelnen Bauelemente gegeneinander kann der Innenbereich des Primärelements 1 mit dem Magnetkern 3 und der
Sekundärwicklung 2 mit einer geeigneten Vergussmasse ausgegossen werden. Derartige Vergussmassen sind bekannt, so dass diese hier nicht im Detail weiter beschrieben werden müssen.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Primärelements 1 für eine Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform. Das hier dargestellte Primärelement 1 kann alternativ zu dem zuvor im Zusammenhang mit Figur 1 beschriebenen Primärelement 1 eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die Ausbildung der Transformatorvorrichtung identisch zu der zuvor beschriebenen Transformatorvorrichtung.
Wie in Figur 2 zu erkennen ist, ist das Primärelement 1 in dieser
Ausführungsform in mehrere Segmente 1-i unterteilt. Die hier dargestellte Anzahl von drei Segmenten 1-i dient dabei nur dem besseren Verständnis und stellte keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung auf genau drei Segmente 1-i dar. Vielmehr ist auch eine beliebige andere Anzahl von Segmenten 1-i,
Beispielsweise nur zwei Segmente 1-i oder aber auch vier, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr Segmente möglich. Die einzelnen Segmente 1-i sind hierbei voneinander elektrisch isoliert. Beispielsweise können die einzelnen Segmente 1- i mittels eines elektrisch isolierenden Materials miteinander verbunden werden. Auf diese Weise können die einzelnen Segmente 1-i der
Transformatorvorrichtung stabilisiert werden. Durch ein elektrisches Verbinden eines Innenelements lc mit einem Außenelement la eines benachbarten Segments 1-i kann durch ein solches segmentiertes Primärelement 1 eine Primärwicklung mit mehreren Windungen realisiert werden. Insbesondere entspricht ein Primärelement 1 mit m Segmenten 1-i hierbei einer Primärwicklung mit m Windungen.
Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Innenelementen lc und den einzelnen Außenelementen la kann beispielsweise durch Aufbringen des Transformatorelements auf eine Leiterplatte mit einer gedruckten Schaltung realisiert werden.
Weiterhin ist es möglich, durch Einbringen eines weiteren Magnetkerns (in den Figuren nicht dargestellt) in das Primärelement 1 eine größere Streuinduktivität der Transformatorvorrichtung zu realisieren. Hierbei wird der weitere Magnetkern nicht von der Primärwicklung 2 umschlossen, sondern separat in das
Primärelement 1 eingebracht. Der weitere Magnetkern kann dabei auf der dem Grundelement la zugewandten Seite oder der dem Grundelement la abgewandten Seite des Primärelements 1 angeordnet sein.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Transformatorvorrichtung auf einer Leiterplatte 4 mit einer gedruckten Schaltung zur Realisierung eines Transformators gemäß einer Ausführungsform. Wie hierbei zu erkennen ist, ist das Primärelement 1 mit dem Magnetkern 3 und der Sekundärwicklung 2 auf einer Leiterplatte 4 mit einer gedruckten Schaltung angeordnet. Die Leiterplatte 4 weist insbesondere Kontaktelemente 41 und 42 auf, an denen die gedruckte Schaltung der Leiterplatte 4 mit dem Primärelement 1, insbesondere dem Innenelement lc und dem Außenelement la elektrisch gekoppelt werden kann. Diese elektrische Kopplung kann beispielsweise mittels eines beliebigen Lötprozesses oder einem geeigneten Schweißverfahren realisiert werden.
Ist das Primärelement 1 in mehrere Segmente 1-i unterteilt, wie dies
beispielsweise im Zusammenhang mit Figur 2 zuvor beschrieben worden ist, so kann auf der Leiterplatte 4 eine Leiterbahnführung vorgesehen sein, welche jeweils ein Innenelement lc mit einem Außenelement lb eines benachbarten Segments l.i elektrisch verbindet.
Darüber hinaus kann die Leiterplatte 4 eine Öffnung 43 aufweisen. An dieser Öffnung 43 können beispielsweise die Anschlüsse der Sekundärwicklung 2 durchgeführt werden.
Ein Transformator mit einer zuvor beschriebenen Transformatorvorrichtung kann beispielsweise mittels einer beliebigen geeigneten Kühlvorrichtung gekühlt werden. Beispielsweise kann zur Kühlung der Transformatorvorrichtung eine bereits an der Leiterplatte 4 vorgesehene Kühlvorrichtung mit genutzt werden, um die an der Transformatorvorrichtung 1 entstehende Wärme abzuführen. Eine solche Kühlvorrichtung kann beispielsweise auf einer der
Transformatorvorrichtung 1 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 4 vorgesehen sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Kühlvorrichtung auf derselben Seite vorzusehen, auf der auch die Transformatorvorrichtung 1 angeordnet ist.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms, wie es einem Herstellungsverfahren für eine Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt. Das hier beschriebene Verfahren kann insbesondere dazu eingesetzt werden, um die zuvor beschriebene
Transformatorvorrichtung zu realisieren. Insoweit beziehen sich die nachfolgend angeführten Komponenten auf Komponenten der zuvor beschriebenen
Transformatorvorrichtung.
In Schritt Sl wird ein toroidförmig ausgebildeter Magnetkern 3 mit einer
Sekundärwicklung 2 umwickelt. In Schritt S2 wird ein Primärelement 1 bereitgestellt. Bei diesem Primärelement 1 kann es sich insbesondere um ein zuvor beschriebenes Primärelement 1 handeln. Das Primärelement 1 umfasst insbesondere ein kreisförmiges Grundelement la, ein hohlzylinderförmiges Außenelement lb und ein zylinderförmiges Innenelement lc. In Schritt S3 wird daraufhin der Magnetkern 3 mit der Sekundärwicklung 2 in dem Primärelement 1 angeordnet. Weiterhin kann gegebenenfalls in einem Schritt S4 der Magnetkern 2 mit der Sekundärwicklung 3 in dem Primärelement 1 mit einer Vergussmasse vergossen werden.
Zusammenfassend betrifft die vorliegende Erfindung eine
Transformatorvorrichtung für die Realisierung eines kompakten Transformators hoher Leistungsdichte. Hierzu wird vorgeschlagen, in einer becherförmigen Ummantelung mit einem Innensteg ein toroidförmigen Magnetkern mit einer Sekundärspule einzubringen. Die becherförmige Außenhülle mit dem Innensteg dient in diesem Fall als Primärwicklung.

Claims

Ansprüche
1. Transformatorvorrichtung, mit: einem toroidförmig ausgebildeten Magnetkern (3); einer Sekundärwicklung (2), welche um den Magnetkern (3) herum angeordnet ist; und einem Primärelement (1), mit einem kreisförmigen Grundelement (la), einem hohlzylinderförmigen Außenelement (lb) und einem zylinderförmigen
Innenelement (lc), wobei der Magnetkern (3) mit der Sekundärwicklung (2) in dem Primärelement (1) zwischen dem Außenelement (lb) und dem Innenelement (lc) angeordnet ist.
2. Transformatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Primärelement (1) mehrere elektrisch voneinander isolierte Segmente (1-i) umfasst.
3. Transformatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetkern (3) einen Schnittbandkern umfasst.
4. Transformatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetkern (3) einen Magnetkern mit einem verteilten Luftspalt umfasst.
5. Transformatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Magnetkern (3) mit der Sekundärwicklung (2) in dem Primärelement (1) mit einer Vergussmasse vergossen ist.
6. Transformatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem weiteren toroidförmigen Magnetkern, der in dem Primärelement (1) angeordnet ist.
7. Transformator, mit einer Leiterplattenanordnung (4); und einer Transformatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Leiterplattenanordnung (4) Kontaktelemente (41, 42) umfasst, die dazu ausgelegt sind, das Außenelement (lb) und das Innenelement (lc) des
Primärelements (1) der Transformatorvorrichtung mit der Leiterplattenanordnung (4) elektrisch zu koppeln.
8. Verfahren zur Herstellung einer Transformatorvorrichtung, mit den
Schritten:
Umwickeln (Sl) eines toroidförmig ausgebildeten Magnetkerns (3) mit einer Sekundärwicklung (2);
Bereitstellen (S2) eines Primärelements (1), mit einem kreisförmigen
Grundelement (la), einem hohlzylinderförmigen Außenelement (lb) und einem zylinderförmigen Innenelement (lc);
Anordnen (S3) des Magnetkerns (3) mit der Sekundärwicklung (2) in dem Primärelement (1).
9. Verfahren nach Anspruch 8, mit einem Schritt (S4) zum Vergießen des Primärelements (1) mit dem Magnetkern (3) und der Sekundärwicklung (2) mit einer Vergussmasse.
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