Op maat gemaakte vlakke transformator

De klant had een transformator nodig voor een Formule E-raceauto, en de afmetingen van het eindproduct stonden al vast voordat de magnetische componenten werden ontworpen. De beschikbare ruimte voor 2 kW vermogen was te klein om er een conventioneel magnetisch ontwerp in te passen. Zonder een oplossing had de klant de ontwikkeling helemaal moeten stopzetten en helemaal opnieuw moeten beginnen — waardoor maanden werk verloren zouden zijn gegaan

• Superbeperkte ruimte — een maximale afmeting van 50 x 34 x 25 mm voor een vermogen van 2 kW
• Afmetingen die al van tevoren vaststonden — de grootte van het eindproduct was al bepaald voordat de magnetische onderdelen werden ontworpen, waardoor er geen ruimte was om de beperkingen aan te passen
• Hoge omgevingstemperatuur — de transformator moest op vol vermogen (2 kW) draaien zonder oververhit te raken bij een omgevingstemperatuur van +70 °C
• Er stond veel op het spel voor de klant — als het niet zou lukken, moest het hele ontwerpproces opnieuw beginnen, wat maanden aan ontwikkelingstijd zou kosten

We hebben het probleem aangepakt met behulp van simulatie, op maat gemaakte onderdelen en precisieproductie:

• Volledige 3D-simulatie — het hele ontwerp is gemodelleerd in Ansys 3D-simulatiesoftware, in combinatie met onze eigen softwareroutines, om de ontwerpmogelijkheden te verkennen voordat we definitief voor de hardware kozen
• Ferrietkernen op maat — gebaseerd op een standaardkernvorm, qua hoogte aangepast om de beperkte ruimte optimaal te benutten
• Aangepaste PCB-opbouw — met behulp van hoogwaardige laminaten om de afstand tussen de lagen te verkleinen, waardoor het venster van de ferrietkern zo veel mogelijk daadwerkelijk kan worden benut voor de wikkelingen
• Lasergesneden koperen wikkelingen — de secundaire wikkeling is gemaakt van lasergesneden koper, waarbij de posities van de aansluitingen precies zijn afgestemd op de gaten in de printplaat van de klant

Elk onderdeel van het ontwerp werd bepaald door de beperkte ruimte. Voordat er ook maar iets werd gebouwd, zijn er in Ansys meerdere varianten gesimuleerd. Die werden vervolgens omgezet in een ferrietkern op maat, een printplaat met een hoge laminaatlaag en lasergesneden secundaire wikkelingen die precies op de printplaat van de klant waren afgestemd — waardoor van een schijnbaar onmogelijk ontwerp een werkende transformator is geworden.

• Hoger rendement — de nieuwe PCB-laminaatmaterialen zorgen voor een beter gebruik van koper en een hoger totaalrendement
• Betere warmteafvoer — we hebben de klant aangeraden om een klein uitsparing in hun aluminium basisplaat te frezen, zodat de ferrietkern van de transformator daarin past, waardoor de wikkelingen via tussenstukken rechtstreeks naar de koelplaat kunnen worden gekoeld
• Minder verliezen — door meerdere ontwerpsimulaties uit te voeren, konden we het ontwerp zo optimaliseren dat de verliezen zo laag mogelijk werden gehouden
• Verbeterde betrouwbaarheid — de hoogwaardige PCB-laminaten voor hoge temperaturen verminderen het risico op hoogspanningsdoorbraak bij de hoge ingangsspanningen van de DC-bus in de toepassing
• Zeer hoge vermogensdichtheid — 800 W per kubieke inch, waardoor het veel minder ruimte inneemt dan een traditioneel ontwerp
• Nauwkeurig geregelde lekinductie en parasitaire capaciteit, bovenop de verbeteringen in vermogensdichtheid