ITMI20111972A1 - Trasformatore elettrico in particolare ad alta frequenza - Google Patents

Description

“TRASFORMATORE ELETTRICO IN PARTICOLARE AD ALTA

FREQUENZAâ€

La presente invenzione ha per oggetto un trasformatore elettrico in particolare ad alta frequenza.

Secondo un particolare aspetto, la presente invenzione à ̈ rivolta ad un sistema di isolamento e supporto per avvolgimenti di un trasformatore elettrico in particolare ad alta frequenza.

In particolare, la presente invenzione si riferisce preferibilmente a trasformatori utilizzati per convertitori LLC risonanti.

Come noto, i trasformatori sono costituiti da almeno due avvolgimenti, generalmente denominati avvolgimento primario ed avvolgimento secondario, entrambi realizzati attorno ad un supporto cilindrico.

Il supporto cilindrico (rocchetto) à ̈ internamente cavo e presenta conformazione tubolare per permettere al suo interno l’alloggiamento di un materiale ferromagnetico (nucleo).

Inoltre, l’avvolgimento primario e l’avvolgimento secondario sono tra loro separati da una gola ottenuta in una zona mediana del rocchetto.

La gola à ̈ costituita da una coppia di piastre circolari interposte tra gli avvolgimenti ed opportunamente distanziate per determinare la citata gola.

La gola di separazione degli avvolgimenti crea una distanza superficiale ed in aria tra gli avvolgimenti per definire una induttanza dispersa di valore adeguato e controllato.

Tali trasformatori risultano essere particolarmente efficienti ed appropriati per le applicazioni soggette a normative di sicurezza elettrica in cui à ̈ richiesta una determinata distanza tra gli avvolgimenti.

Tuttavia, i trasformatori noti presentano alcuni inconvenienti, principalmente legati agli ingombri complessivi del rocchetto e degli avvolgimenti.

Infatti, per creare un alto valore di induttanza dispersa (per esempio richiesta in convertitori di tipo LLC), viene realizzata una gola di separazione molto ampia, tale da distanziare gli avvolgimenti con i conseguenti inconvenienti in termini di ingombri meccanici.

A tale proposito va considerato che per alcune applicazioni, quali ad esempio quelle medicali, le normative di sicurezza impongono maggiori distanze superficiali ed in aria tra avvolgimenti primari e secondari. Di conseguenza, per queste particolari applicazioni il trasformatore risulta essere particolarmente ingombrante.

Un ulteriore inconveniente à ̈ derivato dall’assenza di un opportuno isolamento del materiale ferromagnetico che, essendo elettricamente conduttivo, può interferire con altri componenti elettrici esterni al trasformatore o con gli stessi avvolgimenti.

In questo contesto, il compito tecnico precipuo della presente invenzione à ̈ proporre un trasformatore in grado di ovviare agli inconvenienti sopra citati.

In particolare, Ã ̈ scopo della presente invenzione proporre un trasformatore di ingombri molto contenuti ed allo stesso tempo in grado di mantenere buoni risultati in termini di efficienza e distanze superficiali tra avvolgimenti rispettando le vigenti normative di sicurezza.

Ulteriore scopo della presente invenzione à ̈ mettere a disposizione un trasformatore strutturalmente semplice ed opportunamente isolato per evitare interferenze tra il materiale ferromagnetico ed altri organi elettrici esterni od interni al trasformatore stesso.

Il compito tecnico precisato e gli scopi specificati sono sostanzialmente raggiunti da un trasformatore comprendente le caratteristiche tecniche esposte in una o più delle rivendicazioni annesse. Le rivendicazioni dipendenti corrispondono a rispettive forme di realizzazione dell'invenzione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa, e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un trasformatore in cui:

- la figura 1 mostra una vista prospettica di un trasformatore secondo la presente invenzione;

- la figura 2 mostra una vista prospettica ed in esploso del trasformatore di figura 1;

- le figure 3 e 4 mostrano viste prospettiche del trasformatore di figura 1 in rispettive sequenze operative di montaggio;

- la figura 5 mostra una vista in sezione secondo la traccia V-V del trasformatore di figura 1;

- la figura 6 mostra una vista in sezione secondo la traccia VI-VI del trasformatore di figura 1;

- le figure 7 ed 8 mostrano rispettivamente viste ingrandite di dettagli costruttivi che compongono il trasformatore di figura 1.

Con riferimento alle unite figure, con 1 Ã ̈ stato complessivamente indicato un trasformatore elettrico in particolare ad alta frequenza.

Va specificato che la presente invenzione si riferisce in particolare a trasformatori utilizzati per convertitori LLC risonanti.

Tuttavia, la presente invenzione può essere impiegata per trasformatori di qualsiasi tipologia, utilizzati in molteplici applicazioni.

Con particolare riferimento alla figura 1, si noti che il trasformatore 1 comprende un corpo di sostegno 2 che può essere posto sia in direzione verticale che in direzione orizzontale.

Sul corpo di sostegno 2 viene realizzato un avvolgimento elettrico primario 3 ed un avvolgimento elettrico secondario 4.

In particolare, con riferimento alla figura 8 in cui viene illustrato nel dettaglio il solo corpo di sostengo 2, si noti che il corpo 2 presenta una porzione tubolare 5, sulla quale si avvolgono le spire dei due avvolgimenti 3, 4.

La porzione tubolare 5 à ̈ internamente cava. La porzione tubolare 5 presenta una sezione trasversale circolare. Inoltre, in corrispondenza delle estremità opposte della porzione tubolare 5 si sviluppano rispettive flange anulari 6, sporgenti dalla superficie esterna cilindrica della porzione tubolare 5 stessa. Ogni flangia anulare 6 presenta una porzione di base 7 nella quale si sviluppano i connettori elettrici 8 di alimentazione degli avvolgimenti 3, 4. Tali connettori elettrici 8 sono elettricamente associati agli avvolgimenti 3, 4 secondo metodologie note e pertanto non ulteriormente descritte ed illustrate nel dettaglio.

In corrispondenza di una zona mediana della porzione tubolare 5 viene ricavata una gola 9 atta a dividere e mantenere isolati gli avvolgimenti 3, 4 tra loro.

Vantaggiosamente, la gola 9 presenta conformazione anulare. La gola 9 Ã ̈ definita da una coppia di piastre 10 sostanzialmente circolari e sporgenti dalla superficie esterna cilindrica della porzione tubolare 5. Ogni piastra 10 presenta una superficie esterna 10a rivolta verso un rispettivo avvolgimento 3, 4 ed una superficie interna 10b definente la citata gola 9.

In questa situazione, le superfici interne 10b delle piastre 10 risultano essere affacciate e distanziate in funzione del valore di induttanza dispersa che si vuole ottenere.

Vantaggiosamente, all’interno della gola 9 viene inserito almeno un elemento dielettrico 11 avente conformazione laminare ed anch’esso atto ad isolare elettricamente gli avvolgimenti 3, 4 tra di loro.

In maggiore dettaglio, con riferimento alla vista in sezione di figura 5 ed alla figura 7, l’elemento dielettrico 11 presenta due semiparti laminari 12 inseribili nella gola 9.

Le semiparti 12 presentano conformazione sostanzialmente a “C†definente rispettivi bordi di contatto 13 reciproco, preferibilmente arcuati.

In particolare, i bordi di contatto 13 sono rispettivamente controsagomati per permettere un accoppiamento reciproco delle due semiparti 12 (figura 5). Si noti che una porzione centrale 13a del bordo 13 va a contatto con la superficie esterna della porzione tubolare 5, mentre i tratti di estremità 13b del bordo 13 di entrambe le semiparti 12 sono a contatto reciproco.

In altre parole le due semiparti laminari 12 sono disposte a contatto di testa, evitando sovrapposizioni che richiederebbero di aumentare la dimensione della gola 9.

In questa situazione, il bordo di contatto 13 di ciascuna semiparte laminare 12 si sviluppa secondo una direzione diagonale “Y†rispetto ad un asse di simmetria “X†del corpo di sostegno 2.

Vantaggiosamente, come visibile nella vista in esploso di figura 2, le due semiparti 12 vengono inserite nella gola 9 da rispettive parti opposte del corpo di sostegno 2.

I bordi di contatto 13 reciproco delle semiparti 12 sono disposti in corrispondenza di estensioni laterali delle piastre 10 definenti la gola 9.

Ogni semiparte 12 risulta essere preferibilmente sostanzialmente a contatto delle superfici interne 10b di ciascuna piastra 10 (figura 6). Inoltre ogni semiparte 12 occupa un volume della gola pari alla metà del volume totale definito tra le piastre 10.

Preferibilmente, con riferimento alla figura 2, il trasformatore comprende inoltre due semigusci 14, accoppiabili da parti opposte del corpo di sostegno 2 per definire un guscio 15 (figure 1, 3 e 4) di contenimento del corpo 2 stesso e dei rispettivi avvolgimenti 3, 4.

Preferibilmente i semigusci sono realizzati mediante stampaggio di materiale plastico.

In maggiore dettaglio, ciascun semiguscio 14 presenta un elemento laterale 16, avente conformazione semicircolare ed adatta ad essere accoppiato ad una porzione laterale della porzione tubolare 5. Come visibile in figura 2, gli elementi laterali 16 dei due semigusci 14 vengono accoppiati alla porzione tubolare da parti opposte e lungo rispettive direzioni “A†.

Ogni elemento laterale 16 presenta una superficie interna 16a concava affacciata alla porzione tubolare e dalla quale emerge una rispettiva semiparte laminare 12. Di conseguenza, l’accoppiamento dei semigusci 14 con il corpo di sostegno 2 determina l’inserimento della rispettiva semiparte laminare 12 nella gola 9. Si noti che anche le semiparti laminari vengono inserite nella gola da parti opposte del corpo 2 e lungo le citate direzioni “A†(figura 2).

Ancora, ogni semiguscio 14 presenta un elemento di copertura 17, conformato a “C†ed avente sviluppo corrispondente allo sviluppo della rispettiva semiparte laminare 12. In generale ogni semiparte laminare comprende in un pezzo unico un elemento di copertura 17. L'elemento di copertura 17 si estende esternamente al corpo di sostegno 2 lungo una direzione trasversale all’asse longitudinale del corpo 2 stesso. In questo modo, i due elementi di copertura 17 dei semigusci 14 sono disposti in corrispondenza della gola 9 ed attorno ad essa lungo un profilo anulare come viene meglio illustrato nella vista in sezione di figura 6.

L'elemento di copertura 17 si estende esternamente al corpo di sostegno 2 lungo una direzione trasversale allo sviluppo della rispettiva semiparte laminare 12.

Il trasformatore 1 comprende inoltre un materiale ferromagnetico 18 associato al corpo di supporto 2 e sviluppantesi all’interno dei citati avvolgimenti primario e secondario 3, 4.

In particolare, il materiale ferromagnetico 18 presenta una coppia di nuclei metallici 19 (ferrite), parzialmente inseriti da parti opposte della porzione tubolare 5.

Ciascun nucleo 19 presenta una porzione centrale 20 avente conformazione per esempio cilindrica o comunque adatta ad essere inserita all’interno della porzione tubolare 5. La porzione centrale 20 à ̈ associata ad una porzione di supporto 22 la quale rimane esternamente a vista nella condizione di accoppiamento del nucleo nel corpo di sostegno (figura 4). Si noti che la porzione di supporto 22 presenta conformazione per esempio prismatica a sezione rettangolare. La porzione di supporto 22 presenta in corrispondenza di rispettive estremità opposte una coppia di sporgenze laterali 21 parallele tra di loro ed estendentisi parallelamente allo sviluppo longitudinale della porzione centrale.

Come visibile in figura 3, i nuclei vengono accoppiati al corpo 2 successivamente ai semigusci 14 e lungo le direzioni “B†parallele allo sviluppo longitudinale della porzione tubolare 5.

In questo modo, con riferimento alla figura 4, le sporgenze laterali 21 dei due nuclei metallici 19 vengono portate a contatto reciproco in corrispondenza di una superficie esterna dei semigusci 14 opposta alle rispettive superfici interne 16a.

Di conseguenza, le sporgenze laterali 21 dei nuclei 19 trattengono i semigusci 14 aderenti al corpo di sostegno 2.

Inoltre, il trasformatore 1 presenta una coppia di elementi di chiusura 23, ciascuno dei quali associato ad un rispettivo nucleo 19 per definire reciprocamente un vano di contenimento del corpo di sostegno 2, dei nuclei 19 e dei citato semigusci 14.

In maggiore dettaglio, ogni elemento di chiusura 23 presenta conformazione a calotta sferica e per esempio definisce una superficie interna 23a concava atta ad accoppiarsi ad un rispettivo nucleo 19. Come illustrato in figura 4, gli elementi di chiusura vengono accoppiati da rispettive parti opposte del corpo 2 e lungo le citate direzioni “B†. Ancora, ogni elemento di chiusura 23 à ̈ realizzato in materiale elettricamente isolante per ricoprire la porzione di supporto 22 del rispettivo nucleo 19 ed isolarla verso l’esterno.

Vantaggiosamente, in accordo con le sequenze di montaggio illustrate nelle figure da 2 a 4, il trasformatore viene composto partendo dai due semigusci 14. Con riferimento alla figura 2, vengono infatti inizialmente disposti i due semigusci 14 a contatto con la porzione tubolare 5.

Successivamente, vengono inseriti i due nuclei 19 per trattenere i gusci 14 sul corpo (figura 3) e per disporre il materiale ferromagnetico all’interno degli avvolgimenti 3, 4.

Infine, i nuclei 19 vengono elettricamente isolati applicando i citati elementi di chiusura 23 isolanti. In accordo con un possibile aspetto, la presente invenzione riguarda un sistema di isolamento e supporto per avvolgimenti di un trasformatore elettrico in particolare ad alta frequenza.

Tale sistema comprende l'elemento dielettrico 11 avente conformazione laminare preferibilmente realizzato in due semiparti laminari 12 inseribili nella gola 9. Le semiparti 12 presentano conformazione sostanzialmente a “C†definente rispettivi bordi di contatto 13 reciproco, preferibilmente arcuati.

Sono inoltre compresi i due semigusci 14, accoppiabili da parti opposte del corpo di sostegno 2 , preferibilmente realizzati mediante stampaggio di materiale plastico. Come detto precedentemente ciascun semiguscio 14 presenta un elemento laterale 16 adatto ad essere accoppiato ad una porzione laterale della porzione tubolare 5 e comprendente una semiparte laminare 12. Inoltre ogni semiguscio 14 presenta un elemento di copertura 17.

Vantaggiosamente, il trasformatore 1, può essere dimensionato con ingombri notevolmente ridotti e con un valore di induttanza dispersa controllabile e ripetibile.

Infatti, la presenza delle due semiparti laminari 12 all’interno della gola 9 aumenta la distanza superficiale fra i due avvolgimenti consentendo di limitare la dimensione della gola 9. La presenza dell'elemento di copertura 17 aumenta ulteriormente la distanza superficiale fra i due avvolgimenti senza aumentare l'ingombro trasversale del trasformatore.

In altre parole, l’elemento dielettrico 11 disposto nella gola 9 definisce un elevato isolamento tra gli avvolgimenti 3, 4. Pertanto, può essere realizzata una gola 9 avente ampiezza minore per ridurre le distanze meccaniche tra gli avvolgimenti 3, 4 con i conseguenti vantaggi nella riduzione degli ingombri dell’intero trasformatore 1. Un ulteriore vantaggio determinato dalla presenza delle semiparti laminari 12, à ̈ dato dalla possibilità di aumentare l’efficienza totale del trasformatore mediante il maggior spazio tra gli avvolgimenti e quindi l’utilizzo di maggiori sezioni del cavo elettrico.

L'utilizzo di semigusci, particolarmente in materiale plastico stampato, consente di automatizzare la fase di assemblaggio del trasformatore garantendo comunque la ripetibilità certa delle dimensioni e quindi della distanza elettrica fra i due avvolgimenti. In particolare à ̈ possibile evitare l'utilizzo di nastri di isolamento che devono essere applicati manualmente senza garanzia di ripetibilità del risultato.

Ancora, l’elemento dielettrico 11 disposto nella gola garantisce elevate e ripetibili distanze elettriche di sicurezza (sia superficiali che in aria) richieste dalle normative più severe (per esempio quelle medicali) sia tra i due avvolgimenti che verso il materiale ferromagnetico.

A tale proposito va rilevato che gli elementi di chiusura 23, realizzati in materiale isolante, eliminano la possibile interferenza tra il materiale ferromagnetico e gli altri organi elettrici esterni od interni al trasformatore 1.

Risulta ulteriormente vantaggiosa la disposizione del bordo di contatto 13 di ciascuna semiparte laminare 12 (che si sviluppa secondo una direzione diagonale “Y†rispetto ad un asse di simmetria “X†del corpo di sostegno 2) in quanto contribuisce a mantenere elevate le distanze superficiali fra i due avvolgimenti.

Si noti inoltre che il trasformatore 1 risulta essere strutturalmente semplice, specie per quanto riguarda il sistema di assemblaggio delle varie parti meccaniche. Con riferimento alla descrizione sopra fornita, sono possibili numerose varianti di forma e/o dimensioni. Per esempio la porzione tubolare può avere sezione interna differente da quella circolare, per esempio rettangolare o quadrata.

Inoltre la forma dei semigusci può essere arrotondata o comunque differente da quella descritta ed illustrata. Ancora le forme del materiale ferromagnetico possono essere differenti.

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Trasformatore comprendente: - un corpo di sostegno (2) presentante un avvolgimento elettrico primario (3) ed un avvolgimento elettrico secondario (4), detti avvolgimenti (3, 4) essendo affacciati e distanziati tra di loro da una gola (9) ricavata in detto corpo di sostegno (2); ed - un materiale ferromagnetico (18) associato a detto corpo di sostegno (2) e sviluppantesi all’interno di detti avvolgimenti primario e secondario (3, 4); caratterizzato dal fatto che comprende inoltre almeno un elemento dielettrico (11) avente conformazione laminare ed inseribile in detta gola (9).
2. 2. Trasformatore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che detto elemento dielettrico (11) presenta due semiparti laminari (12) inseribili nella gola (9) da rispettive parti opposte per accoppiarsi all’interno della gola (9).
3. 3. Trasformatore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che comprende due semigusci (14) accoppiabili da parti opposte del corpo di sostegno (2) per definire un guscio di contenimento (15) del corpo (2) e dei rispettivi avvolgimenti (3, 4); ciascun semiguscio (14) presentando una rispettiva semiparte laminare (12).
4. 4. Trasformatore secondo la rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detta gola (9) presenta conformazione sostanzialmente anulare; ciascuna semiparte (12) essendo conformata a “C†e presentando un bordo di contatto (13) reciproco tra le semiparti (12), preferibilmente arcuato.
5. 5. Trasformatore secondo una o più delle rivendicazioni da 2 a 4, caratterizzato dal fatto che un bordo di contatto (13) di ciascuna semiparte laminare (12) si sviluppa secondo una direzione diagonale (Y) rispetto ad un asse verticale di simmetria (X) di detto corpo di sostegno (2).
6. 6. Trasformatore secondo una o più delle rivendicazioni da 2 a 5, caratterizzato dal fatto che un bordo di contatto (13) di ciascuna semiparte laminare (12) à ̈ disposto in corrispondenza di estensioni laterali di piastre (10) affacciate tra loro per definire detta gola (9).
7. 7. Trasformatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 2 a 6, caratterizzato dal fatto detto corpo di sostegno (2) presenta una porzione tubolare (5) sulla quale si sviluppano i due avvolgimenti (3, 4), ed una coppia di piastre (10) sporgenti dalla porzione tubolare (5) e disposte tra i due avvolgimenti (3, 4); dette piastre (10) essendo affacciate tra loro per definire detta gola (9).
8. 8. Trasformatore secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che ciascuna semiparte laminare (12) Ã ̈ inserita tra le piastre (10) con le rispettive superfici opposte a contatto con le piastre (10) stesse.
9. 9. Trasformatore secondo una o più delle rivendicazioni da 2 a 8, caratterizzato dal fatto che dette semiparti laminari (12) si estendono lungo tutto l’ingombro della gola (9) definito da due piastre (10).
10. 10. Trasformatore secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 7 a 9, caratterizzato dal fatto che detto materiale ferromagnetico (18) presenta una coppia di nuclei (19) metallici, parzialmente inseriti da parti opposte della porzione tubolare (5); ciascun nucleo (19) presentando una coppia di sporgenze laterali (21) disposte esternamente al corpo di sostegno (2) ed impegnate a rispettivi semigusci (14) per mantenere detti semigusci (14) a contatto con il corpo (2) stesso.
11. 11. Trasformatore secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende inoltre una coppia di elementi di chiusura (23), ciascuno dei quali associato su un rispettivo nucleo (19) per definire reciprocamente un vano di contenimento del corpo di sostegno (2), di nuclei (19) e di semigusci (14).
12. 12. Trasformatore secondo una o più delle rivendicazioni 2-11, caratterizzato dal fatto che ogni semiparte laminare comprende, preferibilmente in un pezzo unico, un elemento di copertura (17) che si estende lungo una direzione trasversale allo sviluppo della rispettiva semiparte laminare (12).
13. 13. Trasformatore secondo la rivendicazione 12, caratterizzato dal fatto che comprende due semigusci (14) accoppiabili da parti opposte del corpo di sostegno (2) per definire un guscio di contenimento (15) del corpo (2) e dei rispettivi avvolgimenti (3, 4); ciascun semiguscio (14) presentando una rispettiva semiparte laminare (12) ed un rispettivo un elemento di copertura (17), conformato a “C†ed avente sviluppo corrispondente allo sviluppo della rispettiva semiparte laminare (12).
14. 14. Metodo per assemblare un trasformatore realizzato secondo una o più delle rivendicazioni da 1 a 13, comprendente: predisporre corpo provvisto di una porzione tubolare su cui sono previsti due avvolgimenti; disporre due semigusci (14) a contatto con la porzione tubolare; inserire due nuclei (19) per trattenere i semigusci (14) sulla porzione tubolare.