DE102016223195A1 - Transformer device, transformer and method of manufacturing a transformer device - Google Patents

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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.The present invention relates to a transformer device for the realization of a compact high power density transformer. For this purpose, it is proposed to introduce 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.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Transformatorvorrichtung und einen Transformator mit einer solchen Transformatorvorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Transformatorvorrichtung.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 transformer device.

Stand der TechnikState of the art

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.Transformers are used in power electronics for safe electrical isolation of circuits and at the same time for the transformation of voltages and currents. In this case, 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 be mounted above or below the circuit board.

Die Druckschrift EP 0 961 303 A1 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.The publication EP 0 961 303 A1 discloses a printed circuit board printed circuit transformer. 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.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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.The present invention discloses a transformer device having the features of claim 1, a transformer having the features of claim 7 and a method of manufacturing a transformer device having the features of claim 8.

Demgemäß ist vorgesehen:Accordingly, it is provided:

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.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 base element, a hollow-cylindrical outer element and a cylindrical inner element. The magnetic core with the secondary winding is arranged in the primary element. That is, the magnetic core with the secondary winding is located entirely inside the primary element between the outer element and the inner element.

Weiterhin ist vorgesehen:Furthermore, it is provided:

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.A transformer with a printed circuit board assembly and a transformer device according to the invention. The printed circuit board arrangement comprises a plurality of contact elements. These contact elements are designed to electrically couple the outer element and the inner element of the primary element of the transformer device with the printed circuit board arrangement.

Ferner ist vorgesehen:It is also provided:

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.A method of manufacturing a transformer element. The method includes a step of wrapping a toroidal magnetic core with a secondary winding. Furthermore, 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. Furthermore, the method comprises a step of arranging the magnetic core with the wound secondary winding in the primary element.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

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.The present invention is based on the recognition that planar transformers based on printed circuit traces have a very high area requirement due to their planar construction and the small copper cross-section of the printed circuits. As a result, inter alia, the achievable power density of the transformer and thus also the power density is limited in a total device with such a transformer.

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.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. In addition, a simple construction and connection technology should be made possible to ensure cost-effective production. For this purpose, 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. In particular, this arrangement can by a circular base be formed with a hollow cylindrical outer shell and a cylindrical inner member. This results in approximately an open-topped cup-shaped structure with an inner web. If the outer element is not further structured, the result is a single turn for the primary winding over the course of inner element, base element and outer element. By further structuring, however, a primary winding with several turns can also be realized.

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.Such a transformer device, in which the magnetic core with the secondary winding is arranged concentrically in the electrically conductive element for the primary winding, allows a very compact structure with a high power density. In addition, via the outer element, which forms the primary winding, the resulting heat can be dissipated very well.

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.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.

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.According to one embodiment, the primary element comprises a plurality of electrically isolated segments. For example, the individual segments of the primary element may be formed as sectors of a rotationally symmetrical primary element. By subdividing the primary element into a plurality of segments, a primary element can be realized which, with appropriate interconnection, enables a primary winding with several turns. In this case, for example, one turn can be realized by each segment.

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.According to one embodiment, the magnetic core comprises a cutting tape core. Using cutting cores, particularly efficient transformers can be realized. While sectional band cores can be realized in toroidally shaped magnetic cores of a transformer device according to the invention, this type of cores in a conventional planar design can not be realized.

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.According to one embodiment, 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. Magnetic cores with distributed air gap, so powder cores are produced by powder metallurgy ferromagnetic core materials. 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, transformers can be realized with small Hauptinduktivitäten, which have significantly lower proximity losses than ferritic solutions due to the distributed air gap. The term "distributed air gap" here is to be understood as 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. In this way, a single, discrete air gap at a discrete position can be dispensed with.

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.According to one embodiment, the magnetic core is encapsulated with the secondary winding in the primary element with a potting compound. In this way, the magnetic core can be fixed to the secondary winding in the primary element on the one hand. In addition, the potting compound allows reliable electrical isolation between the secondary winding and the primary element. In addition, the heat generated in the secondary winding and the magnetic core can be dissipated via the casting compound.

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.According to one embodiment, 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 additional magnetic core acts as a secondary-side throttle.

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.According to one embodiment, 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.

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.The above embodiments and developments can, as far as appropriate, combine arbitrarily. Further refinements, further developments and implementations of the invention also include combinations of feature of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.

Figurenlistelist of figures

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:

  • 1: eine schematische Darstellung der einzelnen Komponenten einer Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 2: eine schematische Darstellung eines Magnetkerns für eine Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
  • 3: eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Transformator mit einer Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
  • 4: eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms wie es einem Verfahren zur Herstellung einer
Transformatorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zugrunde liegt.The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. Showing:
  • 1 a schematic representation of the individual components of a transformer device according to an embodiment;
  • 2 FIG. 2 is a schematic diagram of a magnetic core for a transformer device according to an embodiment; FIG.
  • 3 1 is a schematic representation of a cross section through a transformer with a transformer device according to an embodiment; and
  • 4 FIG. 2 is a schematic representation of a flowchart as a method for manufacturing a
Transformer device according to one embodiment is based.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

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. 1 shows a schematic representation of the individual components of a transformer device according to an embodiment. Such a transformer device can be used, for example, as a component for a transformer, in particular for a transformer on a printed circuit board. However, the present invention is not limited to use with printed circuit boards, but may be used for any other applications.

Im oberen Teilbild I der 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.In the upper part of the picture I the 1 is a magnetic core 3 a transformer device according to an embodiment shown. As can be seen here, is the magnetic core 3 the transformer device is toroidal. The magnetic core 3 thus has an annular, rotationally symmetric structure. In the embodiment shown here, the toroidal magnetic core has an approximately square cross-section in a sectional plane parallel to the axis of symmetry AA. In addition, however, any other cross sections, in particular, for example, rectangular cross sections, circular or oval cross sections, or any other cross sections are possible.

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.The magnetic core 3 may include any material suitable for a magnetic core. For example, magnetic cores of ferromagnetic materials, in particular of ferrites or iron are possible. In particular, the magnetic core 3 be realized from any known or novel material in an amorphous, crystalline or nanocrystalline form.

Aufgrund der ringförmigen Ausgestaltung des Magnetkerns 3 sind insbesondere auch sogenannte Schnittbandkerne als Magnetkerne einsetzbar.Due to the annular configuration of the magnetic core 3 In particular, so-called Schnittbandkerne are used as magnetic cores.

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.In addition, 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. As a result, a so-called distributed air gap is realized, which causes a high saturation induction and a soft use of saturation. Through the use of such magnetic cores 3 With a distributed air gap (powder cores) transformers can be realized with small main inductances, which have much lower proximity losses due to the distributed air gap than ferritic magnetic cores.

Wie im zweiten Teilbild II der 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.As in the second partial picture II of the 1 is shown around the magnetic core 3 around a winding 2 arranged. In this winding 2 around the magnetic core 3 around it may be, for example, a secondary winding of a transformer to be realized. The terms secondary winding, as well as the term primary element used below serve only 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.

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.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. For a better understanding of the present invention, in the embodiments described herein, only a secondary winding will be used 2 shown and described. In addition, however, depending on the application, more than one secondary winding 2 possible, possibly together around the magnetic core 3 can be arranged around. It may also be possible to have a secondary winding 2 to be provided with a center tap or the like.

In dem dritten Teilbild III der 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 1b und einem zylinderförmigen Innenelement 1c 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.In the third partial picture III of the 1 is a primary element 1 the transformer device shown. This primary element 1 is here designed such that the magnetic core 3 with the secondary winding 2 in the primary element 1 can be introduced. When inserted, the primary element encloses 1 thus the magnetic core 3 with the secondary winding 2 down, out and in. Only up is the primary element 1 open. This allows the toroidal core 3 with the secondary winding 2 in the primary element 1 be introduced. The primary element 1 thus has a structure, for example, as a circular base element la with a hollow cylindrical outer element 1b and a cylindrical inner element 1c can be described. This creates a cup-shaped structure with an inner "pin". The primary element 1 can thus have, for example, a rotationally symmetric structure. In principle, however, it is also possible to use the primary element 1 in any other structure, as long as through the primary element 1 the magnetic core 3 with the secondary winding 2 can be enclosed in a similar form. Thus, for example, any structures based on a polygon or the like are possible.

Das Primärelement 1 kann aus einem beliebigen, elektrisch leitfähigen Material gebildet wird. Beispielsweise kann das Primärelement 1 aus Kupfer, Aluminium oder ähnlichem gebildet werden.The primary element 1 can be formed from any electrically conductive material. For example, the primary element 1 be formed of copper, aluminum or the like.

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 1c und dem ebenfalls nicht mit dem Grundelement la verbundenen Ende des Außenelements 1b 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.For the formation of the transformer device becomes the magnetic core 3 with the primary winding 2 in the primary element 1 brought in. This creates a transformer, in which between the not connected to the base element la end of the inner element 1c and also not connected to the base element la end of the outer element 1b a primary winding is formed with one turn. Accordingly, such a transformer device has a number n of turns of the secondary winding 2 a transmission ratio of 1: n.

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.For stabilization and isolation of the individual components against each other, the inner region of the primary element 1 with the magnetic core 3 and the secondary winding 2 be poured with a suitable potting compound. Such potting compounds are known, so that they need not be further described in detail here.

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 1 beschriebenen Primärelement 1 eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die Ausbildung der Transformatorvorrichtung identisch zu der zuvor beschriebenen Transformatorvorrichtung. 2 shows a schematic representation of a primary element 1 for a transformer device according to an embodiment. The primary element shown here 1 may be alternative to that previously related to 1 described primary element 1 be used. Moreover, the construction of the transformer device is identical to the transformer device described above.

Wie in 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.As in 2 can be seen, is the primary element 1 in this embodiment, in several segments 1-i divided. The number of three segments shown here 1-i serves only for better understanding and did not limit the present invention to exactly three segments 1-i Rather, also any other number of segments 1-i For example, only two segments 1-i or else four, five, six, seven, eight or more segments possible. The individual segments 1-i are electrically isolated from each other. For example, the individual segments 1 -i are interconnected by means of an electrically insulating material.

Auf diese Weise können die einzelnen Segmente 1-i der Transformatorvorrichtung stabilisiert werden. Durch ein elektrisches Verbinden eines Innenelements 1c 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.In this way, the individual segments 1-i the transformer device to be stabilized. By electrically connecting an inner element 1c with an outer element la of an adjacent segment 1-i can by such a segmented primary element 1 a primary winding can be realized with several turns. In particular, a primary element corresponds 1 with m segments 1-i here a primary winding with m turns.

Die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Innenelementen 1c und den einzelnen Außenelementen la kann beispielsweise durch Aufbringen des Transformatorelements auf eine Leiterplatte mit einer gedruckten Schaltung realisiert werden.The electrical connection between the individual interior elements 1c 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.

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.Furthermore, it is possible by introducing a further magnetic core (not shown in the figures) in the primary element 1 to realize a larger stray inductance of the transformer device. In this case, the further magnetic core is not from the primary winding 2 enclosed, but separately in the primary element 1 brought in. The further magnetic core can be on the side facing the base la or the side facing away from the base la side of the primary element 1 be arranged.

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 1c und dem Außenelement la elektrisch gekoppelt werden kann. Diese elektrische Kopplung kann beispielsweise mittels eines beliebigen Lötprozesses oder einem geeigneten Schweißverfahren realisiert werden. 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. As can be seen here is the primary element 1 with the magnetic core 3 and the secondary winding 2 on a circuit board 4 arranged with a printed circuit. The circuit board 4 has particular contact elements 41 and 42 on which the printed circuit of the circuit board 4 with the primary element 1 , in particular the inner element 1c and the outer element la can be electrically coupled. This electrical coupling can be realized for example by means of any soldering process or a suitable welding process.

Ist das Primärelement 1 in mehrere Segmente 1-i unterteilt, wie dies beispielsweise im Zusammenhang mit 2 zuvor beschrieben worden ist, so kann auf der Leiterplatte 4 eine Leiterbahnführung vorgesehen sein, welche jeweils ein Innenelement 1c mit einem Außenelement 1b eines benachbarten Segments l.i elektrisch verbindet.Is the primary element 1 into several segments 1-i subdivided, as for example in connection with 2 previously described, so on the circuit board 4 a conductor track guide may be provided, which in each case an inner element 1c with an exterior element 1b of an adjacent segment li electrically connects.

Darüber hinaus kann die Leiterplatte 4 eine Öffnung 43 aufweisen. An dieser Öffnung 43 können beispielsweise die Anschlüsse der Sekundärwicklung 2 durchgeführt werden. In addition, the circuit board 4 an opening 43 exhibit. At this opening 43 For example, the connections of the secondary winding 2 be performed.

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.For example, a transformer having a transformer device as described above may be cooled by any suitable cooling device. For example, for cooling the transformer device already on the circuit board 4 provided with cooling device to be used on the transformer device 1 dissipate the resulting heat. Such a cooling device may, for example, on one of the transformer device 1 opposite side of the circuit board 4 be provided. Moreover, it is also possible to provide the cooling device on the same side, on which also the transformer device 1 is arranged.

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. 4 shows a schematic representation of a flow chart, as it is based on a manufacturing method for a transformer device according to an embodiment. The method described here can be used in particular to implement the previously described transformer device. In that regard, the components listed below refer to components of the transformer device described above.

In Schritt S1 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 1b und ein zylinderförmiges Innenelement 1c. 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.In step S1, a toroidal magnetic core is formed 3 with a secondary winding 2 wrapped. In step S2 becomes a primary element 1 provided. In this primary element 1 it may in particular be a previously described primary element 1 act. The primary element 1 in particular comprises a circular base element la, a hollow cylindrical outer element 1b and a cylindrical inner element 1c , In step S3, the magnetic core is then 3 with the secondary winding 2 in the primary element 1 arranged. Further, if necessary, in a step S4, the magnetic core 2 with the secondary winding 3 in the primary element 1 be potted with a potting compound.

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.In summary, the present invention relates to a transformer device for the realization of a compact transformer of high power density. For this purpose, it is proposed to introduce 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.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0961303 A1 [0003]EP 0961303 A1 [0003]

Claims (9)

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 (1b) und einem zylinderförmigen Innenelement (1c), wobei der Magnetkern (3) mit der Sekundärwicklung (2) in dem Primärelement (1) zwischen dem Außenelement (1b) und dem Innenelement (1c) angeordnet ist.Transformer device, with: a toroidally shaped magnetic core (3); a secondary winding (2) disposed around the magnetic core (3); and a primary element (1) having a circular base element (1a), a hollow cylindrical outer element (1b) and a cylindrical inner element (1c), wherein the magnetic core (3) with the secondary winding (2) is arranged in the primary element (1) between the outer element (1b) and the inner element (1c). Transformatorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Primärelement (1) mehrere elektrisch voneinander isolierte Segmente (1-i) umfasst.Transformer device after Claim 1 wherein the primary element (1) comprises a plurality of electrically isolated segments (1-i). Transformatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetkern (3) einen Schnittbandkern umfasst.Transformer device after Claim 1 or 2 wherein the magnetic core (3) comprises an intersection core. Transformatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Magnetkern (3) einen Magnetkern mit einem verteilten Luftspalt umfasst.Transformer device after Claim 1 or 2 wherein the magnetic core (3) comprises a magnetic core having a distributed air gap. 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.Transformer device according to one of Claims 1 to 4 , wherein the magnetic core (3) with the secondary winding (2) in the primary element (1) is potted with a potting compound. Transformatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem weiteren toroidförmigen Magnetkern, der in dem Primärelement (1) angeordnet ist.Transformer device according to one of Claims 1 to 5 with another toroidal magnetic core disposed in the primary element (1). 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 (1b) und das Innenelement (1c) des Primärelements (1) der Transformatorvorrichtung mit der Leiterplattenanordnung (4) elektrisch zu koppeln.Transformer, comprising a printed circuit board arrangement (4); and a transformer device according to any one of Claims 1 to 6 wherein the circuit board assembly (4) comprises contact members (41, 42) adapted to electrically couple the outer member (1b) and the inner member (1c) of the primary element (1) of the transformer device to the circuit board assembly (4). Verfahren zur Herstellung einer Transformatorvorrichtung, mit den Schritten: Umwickeln (S1) eines toroidförmig ausgebildeten Magnetkerns (3) mit einer Sekundärwicklung (2); Bereitstellen (S2) eines Primärelements (1), mit einem kreisförmigen Grundelement (la), einem hohlzylinderförmigen Außenelement (1b) und einem zylinderförmigen Innenelement (1c); Anordnen (S3) des Magnetkerns (3) mit der Sekundärwicklung (2) in dem Primärelement (1).Method for producing a transformer device, comprising the steps: Wrapping (S1) a toroidally shaped magnetic core (3) with a secondary winding (2); Providing (S2) a primary element (1) with a circular base element (1a), a hollow cylindrical outer element (1b) and a cylindrical inner element (1c); Arranging (S3) the magnetic core (3) with the secondary winding (2) in the primary element (1). Verfahren nach Anspruch 8, mit einem Schritt (S4) zum Vergießen des Primärelements (1) mit dem Magnetkern (3) und der Sekundärwicklung (2) mit einer Vergussmasse.Method according to Claim 8 with a step (S4) for casting the primary element (1) with the magnetic core (3) and the secondary winding (2) with a potting compound.
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