DE29823886U1

DE29823886U1 - Partially encapsulated power transformer

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Publication number: DE29823886U1
Application number: DE29823886U
Authority: DE
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1998-09-22
Filing date: 1998-09-22
Publication date: 2000-03-30
Anticipated expiration: 2008-09-23

Description

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BeschreibungDescription

Teilvergossener LeistungsübertragerPartially encapsulated power transformer

Die Erfindung betrifft einen Leistungsübertrager mit wenigstens einem geschlossenen Kern und mit einer Vielzahl von jeden Kern umgebenden Wicklungen.The invention relates to a power transformer with at least one closed core and with a plurality of windings surrounding each core.

Derartige Leistungsübertrager sind allgemein bekannt. Bei Traktionsanwendungen ist es erforderlich, daß derartige Leistungsübertrager Beschleunigungen bis zu 3g in die drei Raumrichtungen unbeschadet überstehen. Zu diesem Zweck werden bei der Herstellung die Ringkerne zusammen mit den sie umgebenden Wicklungen in ein topfförmiges Metallgehäuse oder Kunststoffgehäuse eingelegt. Das Metallgehäuse wird anschließend mit einem Gießharz vergossen, so daß sowohl die Kerne des Leistungsübertragers als auch die Wicklungen vollständig von Gießharz umgeben und in ihrer Lage fixiert sind. Die beim Betrieb des herkömmlichen Leistungsübertragers entstehende Wärme wird über das Gießharz und das äußere Metallgehäuse abgegeben. Die dicke Gießharzschicht zwischen der Wicklung und dem äußeren Metallgehäuse behindert jedoch das Abführen der Wärme. Bei starker Beanspruchung des Leistungsübertragers steigt deshalb die Temperatur im Inneren des Leistungsübertragers stark an, was die Leistung des Leistungsübertragers nach oben hin begrenzt.Such power transformers are well known. In traction applications, such power transformers must be able to withstand accelerations of up to 3g in all three spatial directions without damage. For this purpose, the toroidal cores are placed in a pot-shaped metal or plastic housing together with the windings surrounding them during production. The metal housing is then cast with a cast resin so that both the cores of the power transformer and the windings are completely surrounded by cast resin and fixed in their position. The heat generated during operation of the conventional power transformer is dissipated via the cast resin and the outer metal housing. However, the thick cast resin layer between the winding and the outer metal housing prevents the heat from dissipating. When the power transformer is subjected to heavy loads, the temperature inside the power transformer rises sharply, which puts an upper limit on the power transformer's performance.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsübertrager hoher mechanischer Festigkeit zu schaffen, der sich auf wirksame Weise kühlen läßt.Based on this prior art, the invention is based on the object of creating a power transformer with high mechanical strength that can be cooled effectively.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Kern und die Wicklungen durch einen Verguß des Kerninnenraums fixiert sind.This object is achieved according to the invention in that each core and the windings are fixed by a casting of the core interior.

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Dadurch, daß der Kerninnenraum durch einen Verguß des Kerninnenraums gefüllt ist, werden zum einen Kern und Wicklungen in ihrer Lage zueinander fixiert· Da jedoch die Wicklungen im Außenbereich nicht vollständig vergossen sind, erreicht ein Luftstrom im Außenbereich jede einzelne Wicklungsleitung. Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsübertragern wird dadurch die Kühlfläche vergrößert. Da außerdem die Wärme nicht eine dicke Schicht aus Gießharz durchqueren muß, um nach außen zu gelangen, ist der Wärmewiderstand für das Abführen der Wärme im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsübertragern geringer. Da aber die Wärme über die im allgemeinen einen hohen Wärmeleitkoeffizienten aufweisenden Wicklungen im Kerninnenraum nach außen gelangen kann, wird nicht nur der Außenbereich des Leistungsübertragers auf wirksame Weise gekühlt, sondern auch dessen Kerninnenraum. Somit ergibt sich insgesamt ein Leistungsübertrager mit hoher Festigkeit, der sich auf wirksame Weise kühlen läßt.Because the core interior is filled by casting the core interior, the core and windings are fixed in their position relative to one another. However, since the windings in the outer area are not completely cast, an air flow in the outer area reaches each individual winding line. This increases the cooling surface compared to conventional power transformers. In addition, since the heat does not have to pass through a thick layer of cast resin to get to the outside, the thermal resistance for dissipating the heat is lower compared to conventional power transformers. However, since the heat can get to the outside via the windings in the core interior, which generally have a high thermal conductivity coefficient, not only the outer area of the power transformer is effectively cooled, but also its core interior. This results in a power transformer with high strength that can be cooled effectively.

Zudem ist der Leistungsübertrager gemäß der Erfindung auf einfache Weise herstellbar, denn es genügt, den Leistungsübertrager beim Vergießen nach unten hin abzudichten, um einen Einfülllraum für den Verguß zu schaffen. Um aber den Kerninnenraum nach unten hin abzudichten, genügt es, die von den Wicklungen umgebenen Kerne in einen flachen Topf zu stellen und das Vergußmaterial in den Kerninnenraum einzugießen.In addition, the power transformer according to the invention can be manufactured in a simple manner, because it is sufficient to seal the power transformer at the bottom during casting in order to create a filling space for the casting. However, in order to seal the interior of the core at the bottom, it is sufficient to place the cores surrounded by the windings in a flat pot and pour the casting material into the interior of the core.

Ein weiterer Vorteil des Leistungsübertragers gemäß der Erfindung ist sein im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsübertagern geringes Gewicht. Denn bei dem Leistungsübertrager gemaß der Erfindung wird ausschließlich der Kerninnenraum mit Vergußmaterial gefüllt. Der'Außenraum dagegen bleibt weitgehend von Vergußmaterial frei. Außerdem wird für die Herstellung des Leistungsübertragers gemäß der Erfindung kein äußeres Metallgehäuse oder Kunststoffgehäuse benötigt, dessen Höhe der Höhe der Ringkerne und der Wicklungen entspricht. Im Vergleich zu herkömmlichen Leistungsübertragern führt dies zu einer erheblichen Gewichtseinsparung.A further advantage of the power transformer according to the invention is its low weight compared to conventional power transformers. This is because in the power transformer according to the invention only the core interior is filled with potting material. The outer space, on the other hand, remains largely free of potting material. In addition, no external metal housing or plastic housing, the height of which corresponds to the height of the toroidal cores and the windings, is required for the manufacture of the power transformer according to the invention. Compared to conventional power transformers, this leads to a considerable weight saving.

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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:In the following, embodiments of the invention are explained in detail with reference to the drawings. They show:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Leistungsübertragers;Figure 1 is a side view of a power transformer;

Figur 2 eine Draufsicht auf den Leistungsübertrager aus FigurFigure 2 is a plan view of the power transformer from Figure

1;1;

Figur 3 eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie
III-III in Figur 2; undFigure 3 is a cross-sectional view along the cutting line
III-III in Figure 2; and

Figur 4 eine Querschnittsansicht durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel eines Leistungsübertragers.Figure 4 is a cross-sectional view through a modified embodiment of a power transformer.

Zunächst wird auf die Figuren 1 bis 3 Bezug genommen. Ein
Leistungsübertrager 1 weist zwei aufeinander gestapelte ringförmige Kerne 2 auf, die aus einem amorphem oder nanokristallinen Material hergestellt sind. Die beiden Kerne 2 und 3
sind mit einer Primärwicklung 4 umwickelt. Die Primärwicklung 4 ist zu einer Oberseite 5 und einer Unterseite 6 hin von
Isolierscheiben 7 abgedeckt, über die eine Sekundärwicklung 8 aufgebracht ist. Die Isolierscheiben 7 sind im QuerschnittFirst, reference is made to Figures 1 to 3. A
Power transformer 1 has two stacked ring-shaped cores 2 made of an amorphous or nanocrystalline material. The two cores 2 and 3
are wound with a primary winding 4. The primary winding 4 is wound towards a top side 5 and a bottom side 6 by
Insulating disks 7, over which a secondary winding 8 is applied. The insulating disks 7 are in cross section

dachförmig ausgebildet, um ein Verrutschen der Isolierscheiben
7 beim Aufbringen der Sekundärwicklung 8 zu verhindern.
Außerdem gewährleisten die Isolierscheiben 7 einen vorgegebenen Abstand zwischen der Primärwicklung 4 und der Sekundär-roof-shaped to prevent the insulating panes from slipping
7 when applying the secondary winding 8.
In addition, the insulating disks 7 ensure a predetermined distance between the primary winding 4 and the secondary

Wicklung 8, um eine ausreichende Isolierung zwischen der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 8 zu bewerkstelligen.Winding 8 to ensure sufficient insulation between the primary winding 4 and the secondary winding 8.

In einem Kerninnenraum 9 befindet sich ein Metallrohr 10,
über das der Leistungsübertrager 1 mit Hilfe einer SchraubeIn a core interior 9 there is a metal tube 10,
over which the power transformer 1 is connected by means of a screw

an einem in den Figuren 1 bis 3 nicht dargestellten Träger
befestigbar ist. Der Kerninnenraum 9 ist ferner mit Gießharz
11 gefüllt, das auch einen Sockel 12 des Leistungsübertragers 1 bildet. Am Sockel 12 sind Noppen 13 ausgebildet, die ein
Verdrehen des Leistungsübertragers 1 beim Befestigen des Leistungsübertragers über eine durch das Metallrohr 10 hindurchgeführte Schraube auf dem für die Montage vorgesehenen Träger verhindert. Zu diesem Zweck sind auf dem zur Montage vorgese-on a carrier not shown in Figures 1 to 3
The core interior 9 is also filled with cast resin
11, which also forms a base 12 of the power transformer 1. On the base 12, knobs 13 are formed, which form a
Twisting of the power transformer 1 is prevented when fastening the power transformer to the support provided for mounting via a screw passed through the metal tube 10. For this purpose,

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henen Trägeraussparungen vorgesehen, in den die Noppen 13 des Leistungsübertragers 1 formschlüssig eingreifen. Die Höhe des Sockels 12 ist so gewählt, daß der Sockel 12 einen Umlenkbereich 14 von Anschlußleitungen 15 für die Primärwicklung 4 und von Anschlußleitungen 16 für die Sekundärwicklung 8 umschließt, damit die mit Kabelschuhen 17 versehenen Anschlußleitungen 15 und 16 in ihrer Lage fixiert sind.provided support recesses, into which the knobs 13 of the power transformer 1 engage in a form-fitting manner. The height of the base 12 is selected such that the base 12 encloses a deflection area 14 of connecting lines 15 for the primary winding 4 and of connecting lines 16 for the secondary winding 8, so that the connecting lines 15 and 16 provided with cable lugs 17 are fixed in their position.

Zur Herstellung des Leistungsübertragers 1 werden zunächst die Kerne 2 und 3 aufeinandergelegt, die Berührungsflächen abgedichtet und dann mit der Primärwicklung 4 umwickelt. Anschließend werden die Isolierscheiben 7 aufgelegt, die daraufhin mit der Sekundärwicklung 8 umwickelt werden. Der unvergossene Leistungsübertrager 1 wird dann in eine Vergußform eingebracht, auf deren Boden das Metallrohr 10 angeschraubt ist. Beim Vergießen berührt der Leistungsübertrager 1 nicht den Boden der Vergußform, sondern ist entweder an einer Schnur oder einem Faden aufgehängt oder auf Kunststoffteilen in der Vergußform aufgebockt.
20To produce the power transformer 1, the cores 2 and 3 are first placed on top of each other, the contact surfaces are sealed and then the primary winding 4 is wound around them. The insulating disks 7 are then placed on top, which are then wound around the secondary winding 8. The uncast power transformer 1 is then placed in a casting mold, onto the bottom of which the metal tube 10 is screwed. During casting, the power transformer 1 does not touch the bottom of the casting mold, but is either suspended from a cord or thread or jacked up on plastic parts in the casting mold.
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Anschließend wird das Gießharz 11 in den Kerninnenraum 9 eingegossen. Vorzugsweise wird dazu ein heißhärtendes Epoxidharz verwendet.The casting resin 11 is then poured into the core interior 9. Preferably, a hot-curing epoxy resin is used for this purpose.

Das in den Kerninnenraum 9 eingegossene Gießharz 11 füllt zunächst den Raum zwischen der Sekundärwicklung 8 und dem Boden der Vergußform und bildet dadurch den Sockel 12. Bei dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel erreicht der Verguß durch das Gießharz 11 im Außenbereich eine solche Höhe, daß der untere Kern 3 teilweise und die untere Isolierscheibe 7 ebenso wie der Umlenkbereich 14 der Anschlußleitungen 15 und 16 vom Gießharz 11 umhüllt werden, um auf diese Weise ein hohes Maß an Festigkeit zu erreichen.The casting resin 11 poured into the core interior 9 initially fills the space between the secondary winding 8 and the bottom of the casting mold and thereby forms the base 12. In the embodiment shown in Figures 1 to 3, the casting by the casting resin 11 in the outer area reaches such a height that the lower core 3 and the lower insulating disk 7 as well as the deflection area 14 of the connecting lines 15 and 16 are partially encased by the casting resin 11 in order to achieve a high degree of strength in this way.

Nach dem Anhärten des Gießharzes 11 im Bereich des Sockels 12 wird der Kerninnenraum 9 vergossen.After the casting resin 11 has hardened in the area of the base 12, the core interior 9 is cast.

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Falls für die Primärwicklung 4 oder die Sekundärwicklung 8 Hochfrequenzlitzen verwendet werden, dringt das Gießharz 11 aufgrund des Kapillareffektes auch in die äußere Ummantelung der Hochfrequenzlitze ein, so daß die Primärwicklung 4 oder die Sekundärwicklung 8 nach dem Erstarren des Gießharzes 11 auch im äußeren Bereich starr und somit mechanisch stabil werden. Zusätzlich können die Hochfrequenzlitzen zum mechanischen Schutz auch mit einer harzdurchlässigen Ummantelung, wie zum Beispiel einem Polyestergeflecht, versehen sein.If high-frequency strands are used for the primary winding 4 or the secondary winding 8, the casting resin 11 also penetrates into the outer sheath of the high-frequency strand due to the capillary effect, so that the primary winding 4 or the secondary winding 8 also becomes rigid in the outer area after the casting resin 11 has solidified and thus mechanically stable. In addition, the high-frequency strands can also be provided with a resin-permeable sheath, such as a polyester braid, for mechanical protection.

Die Verwendung von heißhärtendem Expoxidharz als Gießharz 11 bedingt vornehmlich den Einsatz von amorphen oder nanokristallinen Kernen 2 und 3, da beispielsweise Ferrite durch die mechanische und thermische Beanspruchung beim Vergießen durch das heißhärtende Epoxidharz zerstört oder in ihren magnetischen Eigenschaften verändert werden.The use of hot-curing epoxy resin as casting resin 11 primarily requires the use of amorphous or nanocrystalline cores 2 and 3, since ferrites, for example, are destroyed or their magnetic properties are changed by the mechanical and thermal stress during casting by the hot-curing epoxy resin.

Figur 4 zeigt einen Querschnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel des Leistungsübertragers 1. Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel des Leistungsübertragers 1 weist wie das in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel die von der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 8 umgebenen Kerne 2 und 3 auf, wobei der Abstand zwischen der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 8 von den Isolierscheiben 7 gewährleistet ist. Im Unterschied zu dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Leistungsübertrager 1 ist das in Figur 4 im Querschnitt gezeigte Ausführungsbeispiel des Leistungsübertragers 1 vor dem Vergießen mit dem Gießharz 11 auf eine Grundplatte 18 gelegt worden, die neben der Befestigung auf einem Träger dienende Bohrungen 19 auf ihrer Innenseite über Hinterschneidungen 20 verfügt. Die Grundplatte 18 kann aus einem Kunststoff oder aus Metall gefertigt sein. Wenn die Grundplatte 18 aus Metall gefertigt ist, ist zwischen der Sekundärwicklung 8 und der Grundplatte 18 eine zusätzliche Isolierfolie vorzusehen. Nach dem Vergießen des in Figur 4 dargestellten Leistungsübertragers 1 bilden die Grundplatte 18 zusammen mit der Primärwicklung 4 undFigure 4 shows a cross section through a modified embodiment of the power transformer 1. The embodiment of the power transformer 1 shown in Figure 4, like the embodiment shown in Figures 1 to 3, has the cores 2 and 3 surrounded by the primary winding 4 and the secondary winding 8, the distance between the primary winding 4 and the secondary winding 8 being ensured by the insulating disks 7. In contrast to the power transformer 1 shown in Figures 1 to 3, the embodiment of the power transformer 1 shown in cross section in Figure 4 has been placed on a base plate 18 before being cast with the casting resin 11, which base plate has undercuts 20 on its inside in addition to holes 19 for fastening to a carrier. The base plate 18 can be made of plastic or metal. If the base plate 18 is made of metal, an additional insulating film must be provided between the secondary winding 8 and the base plate 18. After casting the power transformer 1 shown in Figure 4, the base plate 18 together with the primary winding 4 and

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der Sekundärwicklung 8 sowie den Kernen 2 und 3 eine mechanisch starre Einheit, die über die Bohrungen 19 auf einem in Figur 4 nicht dargestellten Träger befestigbar ist.the secondary winding 8 and the cores 2 and 3 form a mechanically rigid unit which can be fastened via the holes 19 to a carrier not shown in Figure 4.

Das in Figur 4 dargestellte Ausführungsbeispiel des Leistungsübertragers 1 hat den Vorteil, daß zum Ausgießen mit dem Gießharz 11 keine zusätzliche Vergußform erforderlich ist, da die Grundplatte 18 selbst die zum Abdichten des Kerninnenraums 9 erforderliche Vergußform ist.The embodiment of the power transformer 1 shown in Figure 4 has the advantage that no additional casting mold is required for pouring the casting resin 11, since the base plate 18 itself is the casting mold required for sealing the core interior 9.

Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten beiden Ausführungsbeispiele weisen den gemeinsamen Vorteil auf, daß sowohl die Primärwicklung 4 als auch die Sekundärwicklung 8 von außen für einen Luftstrom zugänglich ist. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann daher die Wärme in allernächster Nähe zum Entstehungsort abgeführt werden. Da die Primärwicklung 4 und die Sekundärwicklung 8 im allgemeinen ein gutes Wärmeleitungsvermögen aufweisen, kann zusätzlich die im Bereich des Kerninnenraums 9 entstehende Wärme von der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 8 nach außen abtransportiert und dort an einen sowohl an der Primärwicklung 4 als auch der Sekundärwicklung 8 vorbeiziehenden Luftstrom abgegeben werden. Die beim Betrieb des Leistungsübertragers 1 entstehende Wärme kann somit auf wirksame Weise über eine Lüfterkühlung abgeführt werden.The two embodiments shown in Figures 1 to 4 have the common advantage that both the primary winding 4 and the secondary winding 8 are accessible from the outside for an air flow. In the embodiments described, the heat can therefore be dissipated as close to the source as possible. Since the primary winding 4 and the secondary winding 8 generally have good thermal conductivity, the heat generated in the area of the core interior 9 can also be transported outwards from the primary winding 4 and the secondary winding 8 and released there into an air flow passing both the primary winding 4 and the secondary winding 8. The heat generated during operation of the power transformer 1 can thus be effectively dissipated via fan cooling.

Da die Ringkerne 2 und 3 sowie die Primärwicklung 4 und die Sekundärwicklung 8 nur teilweise vergossen sind, ergibt sich im Vergleich zu herkömmlichen vollvergossenen Leistungsübertragern eine deutliche Reduzierung des Gewichts. Dies ist aber ein deutlicher Vorteil, wenn der Leistungsübertrager 1 in Flugzeugen zur Versorgung der Bordelektronik eingesetzt werden soll.Since the toroidal cores 2 and 3 as well as the primary winding 4 and the secondary winding 8 are only partially encapsulated, there is a significant reduction in weight compared to conventional fully encapsulated power transformers. However, this is a clear advantage if the power transformer 1 is to be used in aircraft to supply the on-board electronics.

Trotz des sparsamen Einsatzes des Gießharzes 11 ist die Festigkeit der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele des Leistungsübertragers 1 so hoch, daß erDespite the economical use of the casting resin 11, the strength of the embodiments of the power transformer 1 shown in Figures 1 to 4 is so high that it

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sich für den Einsatz in Traktionsanwendungen mit Beschleunigungen von mindestens 3g in jede Richtung eignet. Denn durch den Verguß des Kerninnenraums 9 und die Ausbildung eines Sokkels 12 sind die Kerne 2 und 3, die Primärwicklung 4 und die Sekundärwicklung 8 sowie die Isolierscheiben 7 sowie das Metallrohr 10 oder die Grundplatte 18 fest untereinander verbunden. Die Festigkeit kann jedoch noch weiter erhöht werden, wenn für die Herstellung der Primärwicklung 4 und der Sekundärwicklung 8 Leitungen verwendet werden, deren Ummantelung in der Lage ist, das zum Ausgießen verwendete Gießharz 11 aufzusaugen.is suitable for use in traction applications with accelerations of at least 3g in any direction. This is because the cores 2 and 3, the primary winding 4 and the secondary winding 8, the insulating disks 7 and the metal tube 10 or the base plate 18 are firmly connected to one another by the casting of the core interior 9 and the formation of a base 12. However, the strength can be increased even further if cables are used to manufacture the primary winding 4 and the secondary winding 8, the sheath of which is capable of absorbing the casting resin 11 used for casting.

Der so geschaffene Leistungsübertrager 1 läßt sich somit nicht nur auf einfache Weise kühlen, sondern weist auch ein hohes Maß an mechanischer Festigkeit auf.The power transformer 1 created in this way can not only be cooled in a simple manner, but also has a high degree of mechanical strength.

Claims

1. Power transformer with at least one closed core ( 2 , 3 ) and with a plurality of windings ( 4 , 8 ) surrounding each core ( 2 , 3 ), characterized in that each core ( 2 , 3 ) and the windings ( 4 , 8 ) are fixed by a casting ( 11 ) of the core interior ( 9 ).

2. Power transformer according to claim 1, characterized in that at least one winding ( 4 , 8 ) is formed by a high-frequency stranded wire.

3. Power transformer according to claim 2, characterized in that the high-frequency strand is surrounded by a sheath made of polyester braid.

4. Power transformer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the power transformer has a primary winding ( 4 ) wound over each core ( 2 , 3 ) and a further secondary winding ( 8 ) surrounding the primary winding ( 4 ).

5. Power transformer according to claim 4, characterized in that the primary winding ( 4 ) is separated from the secondary winding ( 8 ) by insulating disks ( 7 ) made of plastic with a roof-shaped cross-section.

6. Power transformer according to claim 4 or 5, characterized in that the connecting lines ( 15 , 16 ) for the primary winding ( 4 ) and the secondary winding ( 8 ) are cast in the deflection region ( 14 ).

7. Power transformer according to one of claims 1 to 6, characterized in that the encapsulation ( 11 ) is made of heat-curing epoxy resin.

8. Power transformer according to claim 7, characterized in that each core ( 2 , 3 ) is made of an amorphous material.

9. Power transformer according to claim 7, characterized in that each core ( 2 , 3 ) is made of a nanocrystalline material.

10. Power transformer according to one of claims 1 to 9, characterized in that a metal tube ( 10 ) is cast into the core interior ( 9 ) of the power transformer.

11. Power transformer according to one of claims 1 to 10, characterized in that the power transformer is cast in a base region ( 12 ) in an internally undercut base plate ( 18 ).