平面变压器.pdf

本发明涉及一种平面变压器，该平面变压器由具有集成的初级绕组(1)、次级绕组(2)和耦合绕组(3)的板状的导体基板(6)制成。该导体基板(6)具有空隙对(61,62；63,64)，通过这些空隙对分别插入两部分组成的、具有轭柱的铁磁芯(4；5)。每个芯(4；5)的一个柱由初级绕组(1)或次级绕组(2)围绕，而同时耦合绕组(3)则将芯的剩余柱部环绕。为了在初级绕组(1)和次级绕组(2)之间的电位隔离,至少保持一个最小的总绝缘间隔距离(L)，该总绝缘间隔距离由耦合绕组(3)与相邻的轭柱之间的、或与相邻的绕组之间的部分绝缘间隔距离而得出。

1.  一种平面变压器，包括:
-初级绕组(1)，
-至少一个次级绕组(2)，
-至少一个耦合绕组(3),
-配有轭柱(44,45)的、由铁磁芯组成的第一磁芯环(4),所述第一磁芯环包括两个轭芯半部(41,42),所述轭芯半部围绕第一环芯开口(43),
-配有轭柱(54,55)的、由铁磁芯组成的第二磁芯环(5)，所述第二磁芯环包括两个磁芯半部(51,52),所述磁芯半部围绕第二环芯开口(53),以及
-具有至少两对空隙(61,62；63,64)的唯一的板状导体基板(6),所述空隙构成了用于容纳所述铁磁芯的所述轭柱(44,45；54,55)的开口，
-其中，第一对的两个空隙中的至少一个(61)由所述初级绕组(1)来围绕，并且所述第一对中的所述空隙(61)或者另一个空隙(62)由所述耦合绕组(3)的第一部分区段(34)来围绕，
-其中，此外第二对的两个空隙中的至少一个空隙(64)由所述次级绕组(2)来围绕，并且所述空隙(64)或者另一个空隙(63)由所述耦合绕组(3)的第二部分区段(35)来围绕，
-其中，为了达到对所述环芯开口(43,53)的空间很好地利用，所述初级绕组(1)、所述次级绕组(2)和所述耦合绕组(3)作为所述唯一板状导体基板的集成元件来构造，
-其中，为了所述初级绕组(1)和所述次级绕组(2)之间的电位隔离，至少保持一个最小总绝缘间隔距离(L)，
-其中，所述初级绕组(1)在所述唯一的板状导体基板(6)的两个或多个层面(11,12,13,14)中采用螺旋形走向，
-其中，至少一个次级绕组(2)在所述唯一板状导体基板(6)的两个或多个层面(21,22,23,24)中采用螺旋形走向，并且
-其中，所述耦合绕组(3)在所述板状导体基板(6)的层面(31,32)中延伸并且所述最小总绝缘间隔距离(L)由最小部分绝缘间隔距离的总合得出，所述最小部分绝缘间隔距离是所述层面(31,32)与所述导体基板(6)的所述顶面和底面之间的、或者与相邻的所述初级绕组(1)及所述次级绕组(2)的层面之间的最小部分绝缘间隔距离，其中一个最小部分绝缘间隔距离为L/3至L/2,而另一个最小部分绝缘间隔距离为2L/3至L/2。

2.  根据权利要求1所述的平面变压器，其特征在于，在所述耦合绕组(3)的多个层面的情况下，所述层面上下间分别通过一个绝缘层而相互隔开，与构成绝缘间隔距离的绝缘相比所述绝缘层相对地薄。

3.  根据权利要求1或2所述的平面变压器，其特征在于，所述初级绕组(1)和所述次级绕组(2)也在所述导体基板的表面上或者接近表面处延伸，并且因此占据了所述导体基板(6)的外层的层面(11,14；21,24)，从而使所述第一磁芯环(4)在电位方面属于所述初级绕组(1)并且所述第二磁芯环(5)在电位方面属于所述次级绕组(2)。

4.  根据权利要求1或2所述的平面变压器，其特征在于，所述初级绕组(1)和所述次级绕组(2)在所述导体基板的内部延伸,并且因此受限于所述导体基板(6)的内层的层面(12，13；22，23)上,以及其中，所述耦合绕组(3)在所述导体基板的表面上或者接近表面处延伸，并因此处于所述导体基板(6)的外层的层面(31,32)上,从而使相邻的磁芯环(4,5)在电位方面属于所述耦合绕组(3)。

5.  根据权利要求1至4中的任意一项所述的变压器，其特征在于，在两个或多个次级绕组(2a,2b)的情况下，所述耦合绕组(3)具有多个分支(36,37)。

6.  根据权利要求1至5中的任意一项所述的平面变压器，其特 征在于，所述初级绕组(1)和/或所述次级绕组(2)在所述板状导体基板(6)的多个层面(11，12，13，14；21，22，23，24)中延伸，并且在此与所述耦合绕组(3)具有至少为L/3的最小部分绝缘间隔距离。

7.  根据权利要求1至5中的任意一项所述的平面变压器，其特征在于，所述初级绕组(1)和/或所述次级绕组(2)在所述板状导体基板(6)的表面上或者接近表面处延伸，并且在此接近于与所述磁芯环(4；5)对应的所述环芯开口(43,53)处而设置，而所述耦合绕组(3)占据了与所述磁芯环(4；5)对应的所述环芯开口(43,53)的中央区域。

8.  根据权利要求1至7中任意一项所述的平面变压器，其特征在于，所述板状导体基板(6)是变压器的电路板，其中，所述耦合绕组(3)完全处于所述电路板的内部并且所述初级绕组和所述次级绕组(1,2)设置在所述电路板的里面或上面。

9.  根据权利要求1至7中的任意一项所述的平面变压器，其特征在于，所述初级绕组(1)和/或所述次级绕组(2)处于所述板状导体基板(6)的内部，并且所述耦合绕组(3)处于所述导体基板的上面或者接近于所述导体基板的表面处。

平面变压器
技术领域
本发明涉及一种平面变压器，该平面变压器具有初级绕组、次级绕组、耦合绕组和导体基板，该导体基板是一个或多个磁芯环的支架。
背景技术
US 8 022 802 B2涉及到一种用于在高压环境中测量电参数的传感器，并且包含了多种实施方式的隔离变压器，其中包括为多个相邻设置的绕组设有单一主电路板的实施方式，这些绕组通过磁芯环而磁耦合，以及包括具有一个主电路板、一个副线路板以及两个磁芯环的另一种实施方式，这两个磁芯环通过主线路板和副线路板的开口穿入。初级绕组和次级绕组处在主线路板的内部和上方，而用于耦合这两个磁芯环的耦合绕组则设置在副线路板上。在这两个线路板之间有一些中间空间，并且在副线路板上的耦合绕组同样地与磁芯环内的开口的相应边缘具有间隔。以这样的方式，在磁芯环内需要有相对大的环芯开口。
在另一种变压器中(DE 10 2005 041 131 A1)为了形成线圈而卷绕铁磁芯，其中为了保持所要求的绝缘间隔，将线圈的绕组施加在不同的铁磁芯上。这些铁磁芯通过额外的、嵌入到线路板内的绕组相互磁耦合。由于必须对铁磁芯进行卷绕，只有以高成本才能制造这样构造的变压器。
从US 2011/0140824 A1中已知一种变压器，其中将在电位方面待隔离的绕组不对称地施加在不同的电路板上，这些电路板上下堆叠地通过两部分组成的铁磁芯来连接而构成变压器。
在US 2011/0095620 A1中描述了一种用于微型化用途的平面变压器，其线圈绕组设置在绝缘基板的相反侧。该装置基于电感而工作， 无需铁磁芯。
从EP 0 715 322 A1中已知一种以平面技术制成的变压器，其中将导体电路布置在电路板中的多个层中并这样构成了变压器绕组。铁磁芯利用环形的外柱和圆柱状的内柱围绕变压器绕组。
从DE 20 2009 002 383 U1中已知一种平面变压器，该平面变压器包含一个多层电路板，该电路板保证了在上下各电路板层中的在初级绕组和次级绕组之间的高介电强度。可以利用反向的信号无电势地操作变压器。在共同的初级绕组或单独的初级绕组的磁通正向上待传送的信号，直接在相同耦合方向的第一次级绕组内生成正向控制信号。在第二个绕组或相同绕组的磁通反向上的信号直接在与第一次级绕组相反耦合方向的第二次级绕组中生成了同样正向的控制信号，或者在第一次级绕组中生成负向控制信号，并且在没有下一个待传输的信号的情况下，通过电路元件对变压器完成自动或数字化控制的去磁化，这是在前一个已传输的信号结束后直接通过一个或者两个作为短路装置来操控的绕组来进行的。
DE 10 2009 037 340 A1说明了一种变压器，其中多个被卷绕的环形芯经短路绕组而连接起来。例如通过钎焊来将短路绕组与电路板的相应接触点接合。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种平面变压器，该平面变压器可以简单地制成并且在最小的空间内实现了两个或多个电位组之间的电位隔离。
该新型的平面变压器具有至少两个配有轭柱的铁磁芯以及一个唯一的、板状的导体基板，该导体基板用于构成初级绕组和至少一个次级绕组，这些绕组通过至少一个耦合绕组而相互耦合。该导体基板构成了为多个铁磁芯而设的板状的支架，该铁磁芯分割形成了能够组装起来的轭芯半部，并且就此具有两个能够穿通插入导体基板上的空隙的穿通轭柱，从而通过闭合轭芯半部而分别构成磁芯环。
为了在最小的空间内达到在初级绕组和次级绕组之间的电位隔 离，必须接受这点，即，磁芯环与板状导体基板之间只保持了很小的间隔距离，该导体基板在第一环芯开口区域内容纳了初级绕组的部分并且在第二环芯开口区域内容纳了接近导体基板表面的次级绕组的部分。尽管理所当然地，作为功能绝缘的绝缘层将所涉及的绕组与这至少两个磁芯环的铁磁材料隔开，却因此将相应的磁芯环就电位而言地分配给了其相邻的初级绕组或次级绕组，这些磁芯环相互间隔地设置，并且经耦合绕组彼此电磁耦合，不过却处于(初级绕组或次级绕组的)不同的电位。因此，耦合绕组必须与环芯开口的相邻内侧以及初级绕组和次级绕组的相邻绕组匝保持足够的绝缘间隔距离，从而能够通过总绝缘间隔距离将电位相互隔离。这个总绝缘间隔距离可以分为耦合绕组和环芯开口之间的、耦合绕组和初级绕组的相邻绕组匝之间或者耦合绕组和次级绕组的相邻绕组匝之间的多个相应的间隔距离，其中却必须分别保持相应的最小间隔距离。
在第一种构造方式中，初级绕组围绕着磁芯环的一个柱，而耦合绕组的第一部分区段环绕着另一个柱，该耦合绕组用其第二部分区段也环绕着相邻环芯的柱，而该环芯的另一个柱则由次级绕组围绕。多个配有次级绕组的次级磁芯环能够与单个初级磁芯环耦合。
在第二种构造方式中，分别使这两个磁芯环的第一柱由在导体基板的不同层面中的两个绕组来环绕，其中耦合绕组将这两个磁芯环连接起来并且将初级绕组分配给其中一个磁芯环，同时将次级绕组分配给另一个磁芯环。只要这两个磁芯环的第二柱分别在导体基板的不同层面上没有被所提及的绕组围绕，就可以出于控制目的而在那里设置辅助绕组。不过也可能的是，在本没有绕组的柱上续一段初级绕组或次级绕组。
通过将磁芯环构造为分成两部分的轭芯并且将包括了耦合绕组的多个绕组构造为板状导体基板的整体组成部分，简化了平面变压器的制造，因为只需要将轭芯的柱穿过在板状导体基板中的空隙，并且分别使其完成为磁芯环。与此同时，这种构造同时在相邻磁芯环之间电位隔离的情况下还实现了环芯开口的很好的空间利用。
附图说明
本发明的实施例将结合附图来说明。其中:
图1以俯视示意图示出了以平面结构的变压器的第一种结构形态，
图2示出了图1中所示的变压器根据线A-B而构成的截面图，
图3以俯视图示出了变压器的第二种结构形态而且
图4示出了根据线C-D构成的截面，
图5示出了具有两个次级绕组的变压器的俯视图，而且
图6示出了根据线E-F构成的截面，
图7示出了具有两个次级绕组的另一种变压器的俯视图，
图8以俯视示意图示出了另一种变压器，以及
图9示出了根据线G-H构成的截面，
图10以俯视示意图示出了根据图8、9的另一种变压器的一种变型，
图11以俯视示意图示出了具有接近表面的耦合绕组的另一种变压器，以及
图12示出了根据线I-J构成的截面，
图13以俯视示意图示出了具有E状芯半部的另一种变压器，以及
图14示出了根据线K-L构成的截面。
具体实施方式
图1和2示出了根据本发明的平面结构的变压器的第一种实施方式。变压器的主要组成部分为初级绕组1、次级绕组2、耦合绕组3、两部分组成的第一磁芯环4、两部分组成的第二磁芯环5以及唯一的板状导体基板6。磁芯环4、5分别包括了两个轭芯半部41、51和42、52，这些轭芯半部可以闭合成为具有第一环芯开口43的环4或具有第二环芯开口53的环5。磁芯环4、5分别具有穿通柱44、45或54、55以及在穿通柱之间的连接柱。柱44或54可以属于其中一个或者另一个芯半部41、42或51、52，或者如图9中所示地分开。 板状的导体基板6具有两对空隙61、62和63、64，这些空隙构成了为磁芯环4、5的穿通柱44、45或54、55而设的开口。空隙对61、62和63、64经绝缘距离而相互分隔并容纳了磁芯环4、5的穿通柱44、45或54、55。初级绕组1在导体基板6的多个层面围绕空隙61，这些层面在导体基板的表面上或者在接近表面处以及在导体基板内部延伸，这里示出了其中的四个层面11、12、13、14。导体基板6几乎填满了环芯开口43或53。
如图1中所示，初级绕组1在每个层面都采取了螺旋形的走向。这四个螺旋形相互连接从而形成了初级绕组1。以类似的方式，次级绕组在四个层面21、22、23、24中也存在螺旋形状并且围绕空隙64。
耦合绕组3凭借其部分区段34围绕穿通柱45且凭借其部分区段35围绕穿通柱55，并且以短路绕组而言构成自闭合，即，形成导电环路。耦合绕组可以设置在两个层面31、32中并且每侧都由具有一定厚度的绝缘层来包围，该厚度构成部分绝缘间隔距离L/2。就此,“L”意味着总绝缘间隔距离，这个距离由导体基板6的板厚度减去层面31、32之间的距离而计算得出。层面12、13和22、33由绝缘层而相互分隔，该绝缘层被称作为“功能绝缘”(Funktionsisolierung)。
在以总绝缘间隔距离L而电隔离的情况下，初级绕组1和次级绕组2通过利用磁芯环4、5以及耦合绕组3而相互耦合。
磁芯环4和5凭借其芯半部41、42或51、52围绕各自的环芯开口43或53。这些芯半部可以相同或者不同，并能够由不同的几何形状而组成。其横截面可以是矩形的、倒圆的、圆的或者椭圆的。在芯半部之间能够设置空气隙，不过也可能的是，在芯半部通过相互粘合或者夹紧而组装起来的情况下，将空气隙尽可能封闭。具体来说，芯半部可以采用U形、I形和E形。
如图1所示，初级绕组1的层面占据了环芯开口43的大概一半的横截面积，而耦合绕组3的层面31、32则占据了环芯开口43的另一半的横截面积。就此，与轭柱和初级绕组1都分别保持了L/2的部分绝缘间隔距离。
就次级侧而言也处于同样的情况下。这里次级绕组2的层面也占据了环芯开口的一半横截面积，并且耦合绕组3与开口边缘或次级绕组的层面具有L/2的部分绝缘间隔距离。以这样的方式，在初级绕组1和次级绕组2之间存在有2*L/2＝L的总绝缘间隔距离的电位隔离，这个总绝缘间隔距离如EN 60079-11要求的一样来选择，即，至少得到最小的或更大的总绝缘间隔距离。
耦合绕组3与所有其它电位绝缘地构造。由此可以将绝缘间隔距离L分为两个部分绝缘间隔距离。可以差别于L/2+L/2的分配方式而以其它的方式进行总绝缘间隔距离L的分配。为了满足于EN60079-11的要求，较小的部分绝缘间隔距离必须大于L/3。如从绘图中可见的，初级绕组1或次级绕组2不需要与对应的磁芯环4或5保持很大的绝缘间隔。所提到的功能绝缘通常就足够了，从而绕组的单个匝并不通过相邻的连接柱跨接。因此可以为磁芯环分配与绕组相同的电位。
选择相邻的磁芯环4和5之间的足够大的绝缘间隔距离，从而在变压器的工作中使磁芯环保持其各自的不同电位。如果初级绕组和次级绕组并不与对应的磁芯环保持大绝缘间隔，这意味着，环芯开口43或53的很大部分横截面积可以用于绕组1或2的匝，并且这个空间的节省意味着，与不允许绕组接近环芯开口边缘的情况相比，在相同的面积中有更多的匝数以及由此达到更高的电感。因此该新的平面变压器适合于微型化。
图3、4示出了根据图1、2的平面变压器的变型，其中板状的导体基板6的内层仅仅为了耦合绕组3而使用，这里该耦合绕组也分别以半个绝缘间隔距离L/2与所有其它电位隔离。初级绕组1和次级绕组2处于导体基板6的顶面和底面，或者接近于表面地与耦合绕组3的部分区段34或35重叠。与根据图1、2的实施方式相比，环芯开口43、53可以比根据图1、2的实施方式中实施得更小，不过这要以减少初级绕组和次级绕组的匝数为代价。
图5和6示出了具有两个次级绕组的变压器的变型。由此，有两个次级磁芯环5a，5b和两个次级绕组2a、2b以及一个具有两个“耳 部”或分支36、37的耦合绕组3。磁芯环的柱在空隙61、62、63a、63b、64a、64b处穿过导体基板6。除此外的细节都与根据图1和2的变压器的细节相符。不过也可以采用如图3和4所描述的细节。在根据图5、6的变压器的构造的情况下，次级绕组2a、2b的末端彼此独立。相应的输出电压取决于初级绕组和各自次级绕组的变换比，即，末端是并联的。如果一个末端没有使用，还是可以在另一个末端接收到电流。
图7示出了具有两个次级绕组2a、2b的变压器的另一种变型。为了该变型而使用到三个磁芯环4、5a、5b和一个耦合绕组3，该耦合绕组使全部三个磁芯环4、5a、5b都相互连接。磁芯环的柱在空隙61、62、63a、63b、64a、64b处穿过导体基板6。这两个次级绕组的末端就功能而言并不是彼此独立的，因为它们在等效电路图中是串联的。这意味着，在理想的情况下只在这两个末端处能够同时分别流过一股电流。
图8和9示出了变压器的一种结构设计，其中每个磁芯环4、5具有一个由两个绕组围绕的柱44或54。柱44由初级绕组1和耦合绕组3的部分区段34围绕，同时柱54由次级绕组2和耦合绕组3的部分区段35围绕。与柱44平行的柱45以及与柱54平行的柱55因此是自由的并且例如能够带有辅助绕组，该辅助绕组能够用于控制用途。如在图9中可见，初级绕组1和次级绕组2处于导体基板6的顶面和底面上，或者接近于表面地且部分地与耦合绕组3的部分区段34、35重叠，该耦合绕组可以设置在两个层面31、32中。
图10示出了根据图8、9的实施方式的一种变型。这两个磁芯环4和5的柱44、45或54、55分别由螺旋形的绕组段15、16、17、18或25、26、27、28占据。绕组段15在导体基板6的顶面上形成了左旋的螺旋形绕组匝并且在通孔穿过导体基板，从而在导体基板6的底面上再次形成左旋的螺旋形绕组匝，该绕组匝在图中大部分被绕组段15所遮盖，并因此在图中只能见到该轨迹。绕组段16在底面上与绕组段17导电连接，也就是与绕组段17的外线匝导电连接。右旋的螺旋形绕组匝从那里穿过，该绕组匝也部分地被绕组段18所遮盖。 借助于通孔而将导线引入到导体基板6的顶面上，右旋的螺旋形绕组匝在那里一直延伸到在导体基板6的外边缘上的接线柱。次级绕组2的形状与初级绕组1的形状呈镜像。与图9中所示相符地，耦合绕组3在导体基板6的内部的一个层面中延伸。
图11和12示出了变压器的一种实施方式，其中耦合绕组3处于导体基板6的顶面和底面上并由此具有和磁芯环4、5相同的电位。磁芯环之间的绝缘间隔并不必要。初级绕组1以及次级绕组2分别以与磁芯环4、5和耦合绕组3具有半个绝缘间隔距离的方式延伸到导体基板的内层中。芯半部41、42或51、52例如设计为U形。这里，和其它的实施方式中一样，磁芯环也能够以不同于示出的方式组装，其中分别可以由一个以上的部分来构成芯半部。因此可以例如由四个柱杆来组成磁芯环。
图13、14示出了具有E形芯半部41、42的变压器的一种实施方式，在组合这两个芯半部的情况下构成了相当于柱44的中心腹板，该柱能够穿过导体基板6中的空隙61。另一个磁芯环6也具有这样的用于构成柱54的中心腹板。柱44由初级绕组1并且柱54由次级绕组2螺旋状地在两个层面11、14中环绕，类似于图9所示。耦合绕组3凭借其部分区段34、35构成了围绕着磁芯环这两个中央腹板的闭合环路。这可以在导体基板6内部的两个层面31、32中实现。
由于芯半部41、42或51、52的E形状，在导体基板6中分别需要三个空隙61、62a、62b或64、63a、63b。这些空隙中的每两个在权利要求中视为一对空隙对。根据图13、14的实施方式与根据图8、9的实施方式在功能上相应。不过也可以采取根据图10的结构，其中第三柱46或56还可以用于辅助绕组。也可以在出于替换目的在具有自由柱46、56的情况下，为了轭柱44、45和54、55而应用根据图1、2的结构。最后，也可以将两个或三个初级绕组与相应的次级绕组相互组合，例如为了在失效的情况下作为替代的目的。
所有实施方式中的板状的导体基板6优选地作为电子线路板来制造。不过作为喷镀的基板来制造也是可能的。可以作为具有单独电路板的单独的元件来制造变压器，其中这个元件随后必须装配在主电 路板上，该变压器也可以直接集成在主电路板上。
除了所述的变型以外也可以有其它的变型。例如可以为初级绕组和/或次级绕组配有一个或多个中间抽头。
如下所述地制造变压器:
如所述和所示出地提供两部分组成的、具有轭柱的铁磁芯。这些铁磁芯包括两个芯半部41、42或51、52，这些芯半部可以构成闭合的环结构、磁芯环4、4a、4b、5、5a、5b，并且并不必须仅由两个部分组成。此外，提供具有至少两对作为轭柱开口的空隙61、62、63、64的导体基板6，也就是说为每一个磁芯环提供独有的、与其它空隙对分隔的空隙对。第一个空隙对的两个空隙中的至少一个，即空隙61由初级绕组1环绕地制成，同样地第二空隙对中的第二个空隙64由次级绕组2环绕。第一空隙对中的另一个空隙62与其相邻的空隙对中的空隙63通过耦合绕组3来连接。
通过将轭柱穿过导体基板6的对应的空隙，并且分别将轭芯半部闭合来构成磁环，轭芯半部41、42或51、52由此安装成为磁芯环4、5。初级绕组1由此与耦合绕组3连接并经该耦合绕组与次级绕组2电磁耦合。
从上述而显而易见的是，可以很简单地制造根据本发明的变压器。在初级侧和次级侧之间能够实现电位隔离，就像例如根据EN60079-11标准而为了爆炸危险区域所要求的。就此，只需要在磁芯环的环结构内部的很小空间，因为在初级侧的和次级侧的绕组可能有相对大的绕组堆积密度，而这无需在轭柱上采用常规绕组。因此，即使在变压器微型化结构的情况下，经济地制造该新型变压器也是可能的。