Maßgefertigter Planartransformator

Der Kunde benötigte einen Transformator für einen Formel-E-Rennwagen, und die Abmessungen des Endprodukts standen bereits fest, bevor die magnetischen Komponenten entworfen wurden. Der für eine Leistung von 2 kW verfügbare Platz war zu klein, als dass eine herkömmliche Magnetkonstruktion dort Platz gefunden hätte. Ohne eine Lösung hätte der Kunde die Entwicklung vollständig einstellen und die Konstruktion von Grund auf neu beginnen müssen – wodurch Monate an Arbeit verloren gegangen wären

• Äußerst begrenzter Platzbedarf – eine maximale Grundfläche von 50 × 34 × 25 mm bei einer Leistung von 2 kW
• Im Voraus festgelegte Abmessungen – die Größe des Endprodukts wurde bereits vor der Auslegung der Magnetkomponenten festgelegt, sodass kein Spielraum für eine Anpassung der Rahmenbedingungen blieb
• Hohe Umgebungstemperatur – der Transformator musste bei einer Umgebungstemperatur von +70 °C mit voller Leistung (2 kW) betrieben werden, ohne zu überhitzen
• Für den Kunden stand viel auf dem Spiel – ein Scheitern hätte bedeutet, den gesamten Entwurfsprozess von vorne beginnen zu müssen, was Monate an Entwicklungszeit gekostet hätte

Wir gingen das Problem mithilfe von Simulationen, maßgeschneiderten Komponenten und Präzisionsfertigung an:

• Vollständige 3D-Simulation – Das gesamte Design wurde in der 3D-Simulationssoftware Ansys modelliert und mit unseren eigenen, firmeneigenen Softwareroutinen kombiniert, um den Entwurfsraum zu erkunden, bevor wir uns auf die Hardware festlegten.
• Ferritkerne in Sonderhöhen – basierend auf einer Standardkernform, deren Höhe angepasst wurde, um den begrenzten Platz optimal zu nutzen
• Maßgeschneiderter Leiterplattenaufbau – unter Verwendung von Hochleistungslaminaten zur Verringerung des Abstands zwischen den Schichten, wodurch der tatsächlich für Wicklungen nutzbare Bereich des Ferritkerns maximiert wird
• Lasergeschnittene Kupferwicklungen – die Sekundärwicklung wurde aus lasergeschnittenem Kupfer gefertigt, wobei die Anschlusspositionen individuell an die Löcher auf der Leiterplatte des Kunden angepasst wurden

Jeder Aspekt des Designs wurde durch die räumlichen Einschränkungen bestimmt. Bevor die Hardware überhaupt gebaut wurde, wurden in Ansys mehrere Iterationen simuliert, die anschließend in eine maßgeschneiderte Ferritkernhöhe, einen Leiterplattenaufbau mit hoher Laminatdichte und lasergeschnittene Sekundärwicklungen umgesetzt wurden, die exakt auf die Leiterplatte des Kunden abgestimmt waren – so wurde aus einem scheinbar unmöglichen Entwurf ein funktionsfähiger Transformator.

• Höhere Effizienz – die neuen Leiterplatten-Laminatmaterialien sorgen für eine verbesserte Kupferausnutzung und eine höhere Gesamteffizienz
• Bessere Wärmeableitung – wir haben dem Kunden empfohlen, eine kleine Aussparung in seine Aluminiumgrundplatte einzufräsen, damit der Ferritkern des Transformators darin Platz findet und die Wicklungen über Spaltpads direkt an die Kühlplatte gekühlt werden können
• Geringere Verluste – durch die Durchführung mehrerer Konstruktionssimulationen konnte die Konstruktion so optimiert werden, dass möglichst geringe Verluste erzielt wurden
• Verbesserte Zuverlässigkeit – die hochtemperaturbeständigen Hochleistungs-Leiterplattenlaminate verringern das Risiko eines Hochspannungsdurchschlags bei den hohen Eingangsspannungen des Gleichstrombusses der Anwendung
• Sehr hohe Leistungsdichte – 800 W pro Kubikzoll, was zu einer deutlich geringeren Stellfläche im Vergleich zu einer herkömmlichen Bauweise führt
• Streng kontrollierte Streuinduktivität und parasitäre Kapazität, zusätzlich zu den Gewinnen bei der Leistungsdichte