IT202100015065A1

IT202100015065A1 - High frequency transformer with improved heat dissipation

Info

Publication number: IT202100015065A1
Application number: IT102021000015065A
Authority: IT
Inventors: Gabriele Pallottini
Original assignee: Rgm S P A
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-12-09
Also published as: EP4186080A1; WO2022259273A1

Description

DESCRIZIONE del brevetto per invenzione industriale avente per titolo: ?Trasformatore ad alta frequenza con dissipazione termica migliorata?, DESCRIPTION of the patent for industrial invention entitled: ?High-frequency transformer with improved thermal dissipation?,

TESTO DELLA DESCRIZIONE DESCRIPTION TEXT

La presente invenzione riguarda i trasformatori elettrici, ed in particolare riguarda i trasformatori ad alta frequenza; pi? in particolare, l?invenzione riguarda un trasformatore a alta frequenza con una migliorata dissipazione termica. The present invention relates to electrical transformers, and in particular to high-frequency transformers; more in particular, the invention relates to a high-frequency transformer with improved heat dissipation.

I trasformatori ad alta frequenza hanno campi d?applicazione principalmente rivolte all?ottenimento di correnti a valori elevati da una sorgente di energia, quale ad esempio un inverter; una delle principali caratteristiche dei trasformatori ad alta frequenza ? quella di avere dimensioni modeste rispetto ai trasformatori a bassa frequenza, caratteristica che ne favorisce l?impiego in strutture modulari. The high-frequency transformers have fields of application mainly aimed at obtaining high-value currents from an energy source, such as an inverter for example; one of the main characteristics of high-frequency transformers ? that of having modest dimensions compared to low-frequency transformers, a characteristic which favors their use in modular structures.

Le caratteristiche di un trasformatore ad alta frequenza devono tenere conto di necessit? legate alla sua struttura, che deve essere in grado di assorbire al meglio le vibrazioni generate, e che deve adeguatamente dissipare il calore, oltre ad essere in grado di minimizzare le correnti parassite. The characteristics of a high-frequency transformer must take into account the needs linked to its structure, which must be able to absorb the generated vibrations in the best possible way, and which must adequately dissipate the heat, as well as being able to minimize the parasitic currents.

Nel documento US6087916 ? descritto un trasformatore a alta frequenza comprendente una coppia di elementi tubolari portanti giustapposti, collegati rigidamente tra loro ad una rispettiva estremit?, essendo all?estremit? opposta collegati ad opportuni mezzi di supporto, ed essendo disposti su ciascuno detti elementi tubolari una pluralit? di elementi ferromagnetici anulari dimensionati per cooperare con detti elementi tubolari e atti a formare il nucleo di detto trasformatore, gli avvolgimenti di detto trasformatore essendo disposti coassialmente a detti elementi tubolari; questo tipo di trasformatore viene raffreddato avvolgendo gli elementi ferromagnetici con una lamina di metallo che va poi a scaricare il calore sulla piastra di un radiatore. Questa soluzione non risulta per? ottimale, perch? non ? completamente efficace la superficie di contatto tra il trasformatore e la lamina. In the document US6087916 ? described a high-frequency transformer comprising a pair of juxtaposed load-bearing tubular elements, rigidly connected to each other at a respective end?, being at the end? opposite connected to suitable support means, and being arranged on each said tubular elements a plurality of annular ferromagnetic elements sized to cooperate with said tubular elements and able to form the core of said transformer, the windings of said transformer being arranged coaxially with said tubular elements; this type of transformer is cooled by wrapping the ferromagnetic elements with a sheet of metal which then discharges the heat onto a radiator plate. This solution does not result for? optimal, why? Not ? the contact surface between the transformer and the foil is fully effective.

Il documento EP3474300, di cui la medesima richiedente ? titolare, riguarda un trasformatore ad alta frequenza di tipo analogo a quello sopra descritto, in cui il problema della dissipazione termica ? affrontato introducendo il trasformato in un contenitore scatolare riempito di resina termo-conduttiva; anche in questo caso per? la soluzione non d? sempre i risultati attesi, dato che eventuali disomogeneit? nella distribuzione della resina all? interno del contenitore possono portare ad una cattiva dispersione del calore. The document EP3474300, of which the same applicant? owner, concerns a high-frequency transformer of a type similar to the one described above, in which the problem of heat dissipation ? tackled by introducing the processed product into a box-like container filled with thermo-conductive resin; also in this case for? the solution does not d? always the expected results, given that any inhomogeneity? in the distribution of the resin to the inside the container can lead to poor heat dispersion.

Scopo della presente invenzione ? pertanto un trasformatore ad alta frequenza in cui la dissipazione termica ? realizzata in modo semplice, efficace, e tale da consentire una disposizione ben organizzata sulla superficie destinata al raffreddamento . Purpose of the present invention? therefore a high-frequency transformer in which the thermal dissipation ? made in a simple, effective way, and such as to allow a well-organized arrangement on the surface intended for cooling.

Oggetto della presente invenzione ? pertanto un trasformatore a alta frequenza comprendente una coppia di elementi tubolari portanti giustapposti, essendo disposti su ciascuno detti elementi tubolari una pluralit? di elementi ferromagnetici anulari dimensionati per cooperare con detti elementi tubolari e atti a formare il nucleo di detto trasformatore, gli avvolgimenti di detto trasformatore essendo disposti coassialmente a detti elementi tubolari; detto trasformatore ? inserito in contenitore parallelepipedo in materiale metallico, comprendente due semi-gusci, ciascun semi-guscio essendo provvisto di una coppia di cavit? semicilindriche giustapposte, atte ad alloggiare gli elementi ferromagnetici anulari, ed essendo formate alle estremit? delle cavit? semicilindriche, e perpendicolarmente alle medesime, due cavit? ellissoidali, destinate ad alloggiare gli avvolgimenti di detto trasformatore, essendo previsti una pluralit? di fori passanti, perpendicolari agli assi longitudinali delle suddette cavit? semicilindriche, per il posizionamento di mezzi di fissaggio attraverso entrambi i semi-gusci; un semi-guscio ? provvisto di aperture passanti sulla parete di fondo di dette cavit? ellissoidali. Preferibilmente, dette aperture hanno il medesimo perimetro esterno delle suddette cavit? ellissoidali. Object of the present invention ? therefore a high-frequency transformer comprising a pair of juxtaposed load-bearing tubular elements, a plurality of of annular ferromagnetic elements sized to cooperate with said tubular elements and able to form the core of said transformer, the windings of said transformer being arranged coaxially with said tubular elements; said transformer? inserted in a parallelepiped container in metallic material, comprising two half-shells, each half-shell being provided with a pair of cavities juxtaposed semi-cylindrical, suitable for housing the annular ferromagnetic elements, and being formed at the ends? of the cavities? semi-cylindrical, and perpendicular to the same, two cavit? ellipsoidal, intended to house the windings of said transformer, being provided a plurality of through holes, perpendicular to the longitudinal axes of the aforementioned cavities? semi-cylindrical, for positioning fastening means through both half-shells; a half shell? provided with openings passing through the back wall of said cavities? ellipsoidal. Preferably, said openings have the same external perimeter as said cavities? ellipsoidal.

In una forma esecutiva, tra le dette due cavit? semicilindriche di ciascun semi-guscio ? prevista una parete di uno spessore minimo tale da consentire la formazione di almeno un foro passante per i posizionamento di adeguati mezzi di fissaggio. In particolare, tale parete ha uno spessore minimo compreso tra 3 ,0 mm e 7,0 mm. In an executive form, between said two cavities? semi-cylindrical of each half-shell ? a wall is provided with a minimum thickness such as to allow the formation of at least one through hole for the positioning of suitable fixing means. In particular, this wall has a minimum thickness of between 3.0 mm and 7.0 mm.

Ulteriori vantaggi e caratteristiche del trasformatore secondo la presente invenzione risulteranno evidenti dalle seguente descrizione di una forma esecutiva della medesima resa, a scopo esemplificativo e non limitativo, con riferimento alle tavole di disegni allegate, in cui: Further advantages and characteristics of the transformer according to the present invention will become evident from the following description of an embodiment of the same yield, by way of example and not of limitation, with reference to the attached tables of drawings, in which:

la figura 1 ? una vista in prospettiva di una forma esecutiva del trasformatore secondo la presente invenzione; figure 1 ? a perspective view of an embodiment of the transformer according to the present invention;

la figura 2 ? una vista in sezione trasversale del trasformatore della figura 1 : figure 2 ? a cross-sectional view of the transformer of figure 1 :

le figure 3A e 3B sono viste in prospettiva di un semiguscio del contenitore del trasformatore della figura 1 ; e le figure 4A e 4B sono viste in prospettiva dell?altro semi-guscio del contenitore del trasformatore della figura 1. figures 3A and 3B are perspective views of a half-shell of the container of the transformer of figure 1 ; and Figures 4A and 4B are perspective views of the other half-shell of the transformer container of Figure 1.

In figura 1 ? illustrata una forma esecutiva del trasformatore secondo la presente invenzione; con 1 ? designato il corpo contenitore parallelepipedo in cui sono collocati gli anelli toroidali 2, disposti sui supporti tubolari giustapposti 102, in cui sono sistemati gli avvolgimenti 202 primario e 302 secondario, come meglio risulter? di seguito. Il contenitore 1 comprende i due semi-gusci 101 e 201 ; il semi-guscio superiore 101, provvisto delle aperture ellissoidali 131 che consentono il collegamento dei capi degli avvolgimenti, che sono alloggiati nelle rispettive cavit? ellissoidali 121 , 221 di ciascun semi-guscio. In prossimit? dei quattro vertici della faccia esterna del semi-guscio 101 sono formati i fori passanti 111 b , perpendicolari al piano della detta faccia; un analogo foro 111a ? formato centralmente alla medesima faccia. In figure 1 ? illustrated an embodiment of the transformer according to the present invention; with 1 ? designated the parallelepiped container body in which the toroidal rings 2 are arranged, disposed on the juxtaposed tubular supports 102, in which the primary and secondary windings 202 and 302 are arranged, as it will turn out better? right away. The container 1 comprises the two half-shells 101 and 201; the upper half-shell 101, provided with ellipsoidal openings 131 which allow the ends of the windings to be connected, which are housed in the respective cavities? ellipsoidal 121 , 221 of each half-shell. in the vicinity? the four vertices of the external face of the half-shell 101 are formed through holes 111 b , perpendicular to the plane of said face; a similar hole 111a ? formed centrally to the same face.

In figura 2 ? illustrato il trasformatore della figura 1 in sezione trasversale; alle parti uguali corrispondono uguali numerali. Nella figura ? ben evidenziata la struttura del trasformatore, con gli anelli toroidali 2 supportati dagli elementi tubolari 2, sagomati in modo da alloggiare sia il primario 202 che il secondario 302. Le due serie giustapposte di anelli 2 sono collocate nelle cavit? semicilindriche 141 del semi-guscio 101 e 241 del semi-guscio 201 , che sono separate tra loro dalle pareti intermedie rispettive, 151 e 251. Attraverso dette pareti sono formati i fori passanti 1 11 a e 21 1a, per l?inserimento dei mezzi di fissaggio. In figure 2 ? shown the transformer of figure 1 in cross section; equal parts correspond to equal numerals. In the figure ? the structure of the transformer is well highlighted, with the toroidal rings 2 supported by the tubular elements 2, shaped so as to house both the primary 202 and the secondary 302. Are the two juxtaposed series of rings 2 placed in the cavities? semi-cylindrical 141 of the half-shell 101 and 241 of the half-shell 201, which are separated from each other by the respective intermediate walls, 151 and 251. The through holes 111a and 211a are formed through said walls, for inserting the means of fixing.

Nelle figure 3A e 3B ? illustrato in prospettiva il semiguscio inferiore 201 ; alle parti uguali corrispondono uguali numerali. Nella figura ? evidenziata la forma e la posizione delle cavit? ellissoidali 221 , poste alle estremit? delle cavit? cilindriche 241, e con l?asse maggiore perpendicolare a quello longitudinale delle dette cavit? cilindriche. Si pu? inoltre notare che la parete intermedia 251 e le due pareti laterali 261 hanno sostanzialmente il medesimo spessore minimo. I fori passanti 211a e 2 11 b sono disposti a quinconce; la faccia esterna della figura 3B ? quella che deve andare a contatto con i mezzi di dissipazione del calore, quali una piastra fredda, un radiatore o simili. In figures 3A and 3B ? shown in perspective the lower half shell 201 ; equal parts correspond to equal numerals. In the figure ? highlighted the shape and position of the cavities? ellipsoidal 221 , placed at the ends? of the cavities? cylindrical 241, and with the major axis perpendicular to the longitudinal axis of said cavities? cylindrical. Can you? it should also be noted that the intermediate wall 251 and the two side walls 261 have substantially the same minimum thickness. The through holes 211a and 211b are arranged in a quincunx pattern; the external face of figure 3B ? the one that has to come into contact with the heat dissipation means, such as a cold plate, a radiator or the like.

Nelle figure 4A e 4B ? illustrato in prospettiva il semiguscio superiore 101 ; alle parti uguali corrispondono uguali numerali. Nella figura ? evidenziato il fatto che la cavit? ellissoidale 121 ? completamente aperta alla sua sommit?, o fondo, e il perimetro dell? apertura 131 corrisponde al perimetro massimo della suddetta cavit? 121. Le pareti 161 laterali esterne e la parete intermedia 151 presentano le medesime caratteristiche delle analoghe pareti descritte per il semi-guscio inferiore 201, cos? come i fori passanti 111 a e 111b. In figures 4A and 4B ? shown in perspective the upper half shell 101 ; equal parts correspond to equal numerals. In the figure ? highlighted the fact that the cavity? ellipsoidal 121 ? completely open to its top?, or bottom, and the perimeter of? opening 131 corresponds to the maximum perimeter of the aforementioned cavity? 121. The external lateral walls 161 and the intermediate wall 151 have the same characteristics as the analogous walls described for the lower half-shell 201, so such as the through holes 111a and 111b.

La costruzione e il funzionamento del trasformatore secondo la presente invenzione appariranno evidenti da quanto segue. I due semi-gusci sono realizzati in materiale metallico, e preferibilmente in un materiale metallico a elevata conduttivit? e preferibilmente leggero. A tale scopo ? preferibile l?utilizzazione di Al o delle sue leghe. I due semi-gusci del contenitore possono essere realizzati per lavorazione con asportazione di materiale, cos? come possono essere ottenuti per pressofusione. The construction and operation of the transformer according to the present invention will become apparent from the following. Are the two half-shells made of a metallic material, and preferably of a highly conductive metallic material? and preferably light. For this purpose ? the use of Al or its alloys is preferable. The two half-shells of the container can be made by machining with material removal, so as they can be obtained by die-casting.

Le aperture 131 formate sul semi-guscio superiore 101 consentono il passaggio dei capi degli avvolgimenti, e al tempo stesso mantengono i suddetti capi alla distanza opportuna dalla superficie di raffreddamento su cui il trasformatore viene fissato. La scelta di formare una parete divisoria tra le due cavit? cilindriche discende da due valutazioni; la prima di ordine strutturale, dato che viene in questo modo fornito una linea di irrigidimento intermedia oltre alle due pareti laterali 161 , 261. La seconda ? legata alla possibilit? di inserire in questo modo almeno un mezzo di fissaggio al centro del contenitore, rendendo in questo modo pi? efficace il contatto con la superficie di raffreddamento e quindi ottenendo una migliore dissipazione termica. Inoltre, la struttura compatta di questo corpo contenitore e il robusto sistema di fissaggio consentono un efficace controllo delle vibrazioni. The openings 131 formed on the upper half-shell 101 allow the ends of the windings to pass through, and at the same time keep the aforesaid ends at a suitable distance from the cooling surface on which the transformer is fixed. The decision to form a dividing wall between the two cavities? cylindrical comes from two assessments; the first of a structural order, given that in this way an intermediate stiffening line is provided in addition to the two side walls 161 , 261. The second ? linked to the possibility to insert in this way at least a means of fixing in the center of the container, thus making it more? effective contact with the cooling surface and therefore obtaining better heat dissipation. Furthermore, the compact structure of this container body and the robust fixing system allow effective vibration control.

Le dimensioni del contenitore sono chiaramente legate al numero e alla dimensione degli elementi toroidali che sono previsti nello specifico progetto di trasformatore ad alta frequenza. La dimensione della parete intermedia ? chiaramente legata alle simmetrie di tutta la struttura, ma ? anche dettata dalle dimensioni minime del mezzo di fissaggio che viene scelto per collegare il trasformatore alla superficie di raffreddamento. Nei casi pi? generalmente riscontrabili, lo spessore minimo della parete pu? essere compreso tra 3,0 mm e 7,0 mm, e nel caso in esame ? considerato uno spessore di 4,5 mm. Le pareti laterali esterne hanno uno spessore sostanzialmente analogo a quello della parete intermedia. The dimensions of the container are clearly related to the number and size of the toroidal elements which are foreseen in the specific high frequency transformer design. The dimension of the intermediate wall? clearly linked to the symmetries of the whole structure, but ? also dictated by the minimum dimensions of the fixing means which is chosen to connect the transformer to the cooling surface. In the most cases generally found, the minimum thickness of the wall pu? be between 3.0 mm and 7.0 mm, and in the present case ? considered a thickness of 4.5 mm. The outer side walls have a thickness substantially similar to that of the intermediate wall.

La forma regolare del corpo contenitore e le ampie aperture sul semi-guscio superiore 101 facilitano un efficace processo di resinatura sottovuoto dell'assieme. Questo migliora la qualit? della resinatura stessa evitando la formazione di bolle d'aria. La nuova soluzione, oltre ad adattarsi naturalmente alla costruzione di un trasformatore del tipo sopra descritto, fornisce alla fine del processo un elemento del tutto elettricamente isolato che pu? essere efficacemente fissato ad un qualunque radiatore senza necessit? di alcun ulteriore isolante o similari. The regular shape of the container body and the wide openings on the upper half-shell 101 facilitate an effective vacuum resin process of the assembly. Does this improve the quality? of the resin itself avoiding the formation of air bubbles. The new solution, in addition to naturally adapting to the construction of a transformer of the type described above, provides at the end of the process a completely electrically isolated element which can be be effectively fixed to any radiator without the need? of any additional insulation or the like.

I fori passanti per l?inserimento dei mezzi di fissaggio sono preferibilmente disposti a quinconce, cos? come evidenziato nelle figure dei disegni allegati, in modo da distribuire il carico di fissaggio su tutta la superficie di contatto del corpo contenitore. The through holes for inserting the fastening means are preferably arranged in a quincunx pattern, so as highlighted in the figures of the attached drawings, so as to distribute the fastening load over the entire contact surface of the container body.

Il trasformatore secondo la presente invenzione risolve quindi i problemi evidenziati dallo stato della tecnica, mediante una soluzione di semplice realizzazione ed efficace nella dissipazione del calore. The transformer according to the present invention therefore solves the problems highlighted by the state of the art, by means of a solution that is simple to implement and effective in dissipating heat.

Claims

1. High-frequency transformer, comprising a pair of juxtaposed load-bearing tubular elements (102), a plurality of of annular ferromagnetic elements (2) sized to cooperate with said tubular elements (102) and able to form the core of said transformer, the windings (202, 302) of said transformer being arranged coaxially with said tubular elements (102), characterized by the fact that said transformer ? inserted in a parallelepiped container (1) made of metallic material, comprising two half-shells (101, 201), each half-shell being provided with a pair of cavities semi-cylindrical juxtaposed ( 141, 241), suitable for housing the annular ferromagnetic elements (2), and being formed at the ends? of the cavities? semi-cylindrical ( 141 , 241), and perpendicular to the same, two cavit? ellipsoidal ( 121 , 221), intended to house the windings (202, 302) of said transformer, being provided a plurality of through holes (11 la, 11 1 b ), perpendicular to the longitudinal axes of the aforementioned cavities? semi-cylindrical ( 141,241), for the positioning of fixing means through both half-shells ( 101 , 201).

The transformer according to claim 1, wherein a half shell (101) is provided with through openings (131) on the bottom wall of each said cavity? ellipsoidal (121 , 221).

3. Transformer according to claim 2, wherein said through openings (131) have the same external perimeter as said cavities? ellipsoidal (121) .

4. Transformer according to any one of claims from 1 to 3, wherein between said two cavities? semi-cylindrical ( 141 , 241) of each half-shell (101 , 201) ? an intermediate wall (151, 251) is provided having a minimum thickness such as to allow the formation of at least one through hole (11 la) for positioning suitable fastening means.

5. Transformer according to claim 4, this wall (151, 251) has a minimum thickness of between 3.0 mm and 7.0 mm.

6. Transformer according to any one of the preceding claims from 1 to 5, wherein said container is made in A1 or an alloy thereof.