DE102021003119A1

DE102021003119A1 - Matrixtransformator

Info

Publication number: DE102021003119A1
Application number: DE102021003119.9A
Authority: DE
Inventors: Norbert Hees
Original assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2021-06-17
Filing date: 2021-06-17
Publication date: 2022-12-22
Also published as: EP4356405A1; CN117355914A; WO2022263221A1; US20240047128A1

Abstract

Beschrieben wird ein Matrixtransformator, bestehend aus einem Körper aus weichmagnetischem Material, der durch Öffnungen in mindestens einer Leiterplatte hindurch einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, wobei der Körper mehrere Magnetschenkel aufweist, die stromleitenden Windungen umschlossen sind, wobei der Körper zwei beidseitig zur Leiterplatte parallele Magnetplatten aufweist, welche die Magnetschenkel miteinander verbindet, wobei die Windungen durch einen passend gewählten Wicklungssinn jeweils mindestens eine magnetfeldfreie Zone in den Magnetplatten ausbilden, und wobei in mindestens eine Magnetplatte innerhalb der magnetfeldfreien Zone eine Ausnehmung eingebracht ist, durch die hindurch ein mit einem Kühlkörper verbundener Kühlzapfen bis zu einer Oberfläche der Leiterplatte geführt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Matrixtransformator, bestehend aus einem Körper aus weichmagnetischem Material, der durch Öffnungen in mindestens einer Leiterplatte hindurch einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, wobei der Körper mehrere Magnetschenkel aufweist, die von stromleitenden Windungen umschlossen sind, wobei der Körper zwei beidseitig zur Leiterplatte parallele Magnetplatten aufweist, welche die Magnetschenkel miteinander verbindet, wobei die Windungen durch einen passend gewählten Wicklungssinn jeweils mindestens eine magnetfeldfreie Zone in den Magnetplatten ausbilden.
Um flache Bauformen und vorhersagbare Wärmeableitungen zu erreichen, werden leiterplattenintegrierte Transformatoren eingesetzt. Diese bestehen aus einem flachen weichmagnetischen Material, bevorzugt Ferrit, das durch mehrere Öffnungen einer Leiterplatte hindurch einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, sowie aus durch Leiterbahnen auf der Leiterplatte geformten, den Ferrit umschließenden Windungen.
Statt mit einer Leiterplatte können die Windungen auch mit mehreren Leiterplatten aufgebaut werden. Es können auch zusätzliche durch elektrische Leiter geformte Windungsteile auf dieser Leiterplatte angebracht werden, welche beispielsweise aus gewickelten Drähten oder geschnittenen Blechen geformt sein können.
Um die Anzahl der in der Leiterplatten benötigten Leiterschichten gering zu halten, werden die durch die Leiterbahnstrukturen geformten Windungen auf mehrere Magnetschenkel verteilt, die in einer zeilen- und spaltenförmigen Struktur angeordnet sind. Durch einen geeignet gewählten Wickelsinn der Windungen um die jeweiligen Magnetschenkel bildet diese Anordnung einen so genannten Matrixtransformator aus.
Ein derartiger Matrixtransformator wird in dem Dokument US 4,665,357 A beschrieben.
Ein Matrixtransformator hat den Vorteil, dass sich in ihm die magnetischen Flüsse teilweise gegenseitig aufheben, und sich so die magnetischen Verluste, die durch magnetische Wechselfelder hervorgerufen werden, ebenfalls verringern. Dabei lässt sich durch eine geeignete Anordnung von Magnetschenkeln und Wickelrichtungen die Ausbildung mindestens einer magnetfeldfreien Zone erreichen.
Es stellte sich die Aufgabe, bei einem Matrixtransformator eine verbesserte Kühlung und/oder eine höhere elektrische Leistung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in mindestens eine Magnetplatte innerhalb der magnetfeldfreien Zone eine Ausnehmung eingebracht ist, durch die hindurch ein mit einem Kühlkörper verbundener Kühlzapfen bis zu einer Oberfläche der Leiterplatte geführt ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die magnetfeldfreien Zone für die Funktion des Transformators nicht benötigt wird, so dass dort das Magnetmaterial eingespart werden kann und dadurch die Möglichkeit zur Ankopplung eines Kühlkörpers an den Transformator gegeben ist.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher dargestellt und erläutert werden. Es zeigen

1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Matrixtransformators,
2 den prinzipiellen Aufbau eines Matrixtransformators,
3 die Flussrichtungen des Matrixtransformators gemäß der 2,
4 die Ausführung einer Magnetplatte mit einer Öffnung für einen Kühlzapfen.

Der prinzipielle Aufbau eines Matrixtransformators ist in der 2 schematisch dargestellt. Dieser besteht aus einem Körper 1 aus weichmagnetischem Material, der durch mindestens zwei Öffnungen mindestens einer Leiterplatte hindurch einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet.
Die 2 zeigt speziell vier zylinderförmige Magnetschenkel 2 aus einem Ferritmaterial, die nebeneinander in zwei Reihen und zwei Spalten angeordnet sind, wobei nebeneinander stehende Magnetschenkel 2 jeweils den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Die unteren und oberen Stirnflächen der Magnetschenkel 2 werden jeweils durch eine Magnetplatte 5, 6 abgeschlossen. Hierbei können auch ein oder mehrere Magnetschenkel 2 mit einer der Magnetplatten 5, 6 einstückig ausgeführt sein.
Um die Magnetschenkel 2 herum sind jeweils mehrere Windungen 4 eines elektrischen Leiters andeutungsweise dargestellt. Diese Windungen 4 sind durch Leiterbahnen einer mehrlagigen Leiterplatte ausgebildet. Die Leiterplatte selbst ist zur deutlicheren Darstellung in der 2 nicht eingezeichnet, dafür aber in der 1 als Objekt mit dem Bezugszeichen 3 dargestellt.
Die 3 verdeutlicht durch eingezeichnete Pfeile die Stromrichtungen 7 in den Windungen um die Magnetschenkel 2, sowie auch die daraus resultierenden magnetischen Flussrichtungen 8. Erkennbar ist, dass die Windungen um zueinander benachbart angeordnete Magnetschenkel 2 jeweils entgegengesetzte Stromrichtungen 7 aufweisen. Daraus resultieren die eingezeichneten magnetisch Flussrichtungen 8 in den Randbereichen der hier beispielhaft dargestellten oberen Magnetplatte 6.
Im mittleren Bereich 9 der unteren und der oberen Magnetplatte 5, 6 heben sich die Magnetflüsse 8 weitgehend auf, so dass der mittlere Bereich 9 der unteren und der oberen Magnetplatte 5, 6 im Wesentlichen frei von Magnetfeldern ist. Da somit der jeweils mittlere Bereich 9 der Magnetplatten 5, 6 keinen Beitrag zur Funktion des Transformators liefert, kann er auch weggelassen werden, ohne die Funktion des Transformators zu beeinträchtigen.
Dadurch wird es möglich, in die Mitte der unteren Magnetplatte 5 eine beispielsweise kreisrunde Ausnehmung 10 einzubringen, wie sie in der 4 skizzenhaft dargestellt. Hierdurch wird vorteilhafterweise sowohl Ferritmaterial eingespart.
Wie die 1 zeigt, kann in diese Ausnehmung 10 ein Kühlzapfen 12 eingesetzt werden, der hier rein beispielhaft einstückig mit einem massiven Kühlkörper 11 verbunden ist. Der Kühlzapfen 12 ist bis zu einer Oberfläche der Leiterplatte 3 geführt und bildet dort eine Kühlfläche 13 aus. Da der Kühlzapfen 12 durch einen magnetflussfreien Bereich der Magnetplatte 5 geführt ist, kann dieser vorteilhafterweise ohne weiteres aus einem Metall bestehen.
Auf diese Weise kann eine sehr effiziente Kühlung eines Matrixtransformators erreicht werden, durch die insbesondere auch eine Leistungserhöhung des Transformators möglich ist.
Bezugszeichenliste

1: (weichmagnetischer) Körper
2: Magnetschenkel
3: Leiterplatte
4: Windungen
5: (untere) Magnetplatte
6: (obere) Magnetplatte
7: Stromrichtungen
8: Magnetflussrichtung
9: mittlerer Bereich (magnetfeldfreie Zone)
10: Ausnehmung
11: Kühlkörper
12: Kühlzapfen
13: Kühlfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 4665357 A [0005]

Claims

Matrixtransformator, bestehend aus einem Körper (1) aus weichmagnetischem Material, der durch Öffnungen in mindestens einer Leiterplatte (3) hindurch einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, wobei der Körper (1) mehrere Magnetschenkel (2) aufweist, die von stromleitenden Windungen (4) umschlossen sind, wobei der Körper (1) zwei beidseitig zur Leiterplatte (3) parallele Magnetplatten (5, 6) aufweist, welche die Magnetschenkel (2) miteinander verbindet, wobei die Windungen (4) durch einen passend gewählten Wicklungssinn jeweils mindestens eine magnetfeldfreie Zone (9) in den Magnetplatten (5, 6) ausbilden, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine Magnetplatte (5, 6) innerhalb der magnetfeldfreien Zone (9) eine Ausnehmung (10) eingebracht ist, durch die hindurch ein mit einem Kühlkörper (11) verbundener Kühlzapfen (12) bis zu einer Oberfläche der Leiterplatte (3) geführt ist.
Matrixtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetschenkel (2) und die Magnetplatten (5, 6) durch Ferrite ausgebildet sind.
Matrixtransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (4) durch Leiterbahnen der Leiterplatte (3) ausgebildet sind.
Matrixtransformator nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (4) zumindest teilweise durch auf der Leiterplatte (3) angebrachte gewickelte Drähte oder geschnittenen Bleche geformt sind.