DE102005051038A1 - Electrical ring core transformer has a spacer element between primary and secondary coils to provide an integrated filter function - Google Patents

Electrical ring core transformer has a spacer element between primary and secondary coils to provide an integrated filter function Download PDF

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Abstract

Ring core electrical transformer (R) has a ferrite core (E) that is within a primary electrical winding (P). The primary winding has a spacer element (A) that provides an air gap to the secondary winding (S). This provides a filter function reducing power loss in pulse width modulation applications.

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator, insbesondere einen Ringkerntransformator gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a transformer, in particular a toroidal transformer according to the characteristics of claim 1

Ringkerntransformatoren sind weithin bekannt. Derartige Transformatoren haben einen besonders hohen Wirkungsgrad, da aufgrund der geschlossenen Ringkernform nur geringe Streufeld-Verluste entstehen. Ringkerne werden auch für Transformatoren zur Spannungsregelung verwendet, wobei ein mittig angeordneter Schleifer jede einzelne Spulenwicklung kontaktieren kann. Bei einem Transformator treten Übertragungsverluste durch den Ohmschen Widerstand der Wicklung, durch Wirbelstrombildung im Kern, Ummagnetisierungsverluste und durch andere Effekte auf. Bei zu starker Überlastung kann ein Transformator auch durchbrennen.Toroidal transformers are well known. Such transformers have a special high efficiency, because due to the closed toroidal form only low stray field losses occur. Ring cores are also used for transformers used for voltage regulation, with a centrally located grinder can contact each individual coil winding. At a transformer occur transmission losses by the ohmic resistance of the winding, by eddy current formation in the core, re-magnetization losses and other effects. With too much overload can also blow a transformer.

Aus der DE 29 45 040 A1 ist ein Ringkerntransformator bekannt. Dieser Ringkerntransformator besteht aus einem ringförmigen Eisenkern, den sowohl Primärwicklung als auch Sekundärwicklung auf seinem gesamten Umfang umschließen. Im Weiteren ist ein zweiter ringförmiger Eisenkern vorhanden, welcher zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung angeordnet ist. Die Primärwicklung umschließt beide Eisenkerne auf deren gesamten Umfang, die an die Last angeschlossene Sekundärwicklung jedoch nur den eigentlichen ringförmigen Eisenkern, der seine Sättigungsflussdichte vor der Sättigung des zweiten, zwischen den Wicklungen befindlichen, Eisenkerns erreicht. Ziel dieser Erfindung ist es, einen Schutz des Transformators vor Überlast zu erreichen. Hierzu wird der zweite Eisenkern in der erfindungsgemäßen Bewicklung verwendet. Nachteilig hierbei ist, dass durch den zweiten Eisenkern keine Filterfunktion, insbesondere keine Reduzierung der Verlustleistung bei Ansteuerung mit Pulsweitenmodulation erfolgt.From the DE 29 45 040 A1 a toroidal transformer is known. This toroidal transformer consists of an annular iron core that surrounds both the primary winding and the secondary winding over its entire circumference. In addition, a second annular iron core is present, which is arranged between the primary and the secondary winding. The primary winding encloses both iron cores on their entire circumference, but the secondary winding connected to the load only reaches the actual annular iron core which reaches its saturation flux density before the saturation of the second iron core located between the windings. The aim of this invention is to achieve protection of the transformer from overload. For this purpose, the second iron core is used in the winding according to the invention. The disadvantage here is that by the second iron core no filter function, in particular no reduction in power dissipation occurs in control with pulse width modulation.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es hingegen, einen Ringkerntransformator derart weiterzubilden, dass in den Transformator eine Filterfunktion integriert wird, insbesondere zur Reduzierung der Verlustleistung bei Ansteuerung mit einer Pulsweitenmodulation, wodurch eine gezielte Erhöhung der Streuinduktivität durch das Einbringen von Luft in die Wicklung realisiert wird.task the present invention, however, it is a toroidal transformer in such a way that in the transformer a filter function is integrated, in particular to reduce the power loss when driven with a pulse width modulation, creating a targeted increase the leakage inductance is realized by introducing air into the winding.

Diese Aufgabe wird anhand der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich anhand der abhängigen Ansprüche, der weiteren Beschreibung sowie der beigefügten Figuren.These The object is achieved by the features of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the Further description and the accompanying figures.

Der erfindungsgemäße Ringkerntransformator besteht aus einem ringförmigen Kern, welcher vorzugsweise aus Eisen gefertigt ist, einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung. Im Weiteren ist ein Abstandselement vorhanden, wobei die Primärwicklung und die Sekundärwicklung den Eisenkern umschließen und das Abstandselement zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung angeordnet ist. Durch das Abstandselement zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung wird ein definierter Luftraum bzw. -abstand in den Ringkerntransformator eingebracht, wobei die Sekundärwicklung das Abstandselement zumindest an einer Seite formschlüssig umschließt. Das Abstandselement A dient als Streuinduktivität. Es wird ein definierter Luftraum eingeschlossen, d. h. es wird eine Luftspule als Streu- oder Filterinduktivität gebildet. Diese Luftspule kann als toroidale Luftspule des eingebrachten Luftraumes bzw. -abstandes betrachtet werden.Of the Toroidal transformer according to the invention consists of an annular Core, which is preferably made of iron, a primary winding and a secondary winding. In addition, a spacer element is present, wherein the primary winding and the secondary winding enclose the iron core and the spacer disposed between the primary winding and the secondary winding is. By the spacer element between the primary winding and the secondary winding is a defined air space or distance in the toroidal transformer introduced, the secondary winding the spacer at least on one side encloses positively. The Distance element A serves as a leakage inductance. It becomes a defined one Airspace included, d. H. an air coil is used as a scatter or filter inductance educated. This air-core coil can be introduced as a toroidal air-core coil Airspace or distance are considered.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Figuren und eines konkreten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:in the Furthermore, the invention with reference to figures and a concrete Embodiment explained in more detail. It demonstrate:

1 ein Ersatzschaltbild eines realen Transformators; 1 an equivalent circuit diagram of a real transformer;

2 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ringkerntransformator in einer Schnittdarstellung; 2 a first embodiment of a toroidal transformer according to the invention in a sectional view;

3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ringkerntransformators in einer Schnittdarstellung; und 3 a second embodiment of a toroidal transformer according to the invention in a sectional view; and

4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ringkerntransformators in einer Schnittdarstellung. 4 a third embodiment of a toroidal transformer according to the invention in a sectional view.

In 1 ist das Ersatzschaltbild eines realen Transformators dargestellt. Ein realer Transformator weist Übertragungsverluste durch den Ohmschen Widerstand der Wicklung, durch Wirbelstrombildung im Kern, Ummagnetisierungsverluste und durch weitere Effekte auf. I1 repräsentiert den Strom in der Primärwicklung, R1 und R2 die Stromverluste, Lσ1 und Lσ2 stellen die Streuinduktivitäten dar, I2 den Strom im Sekundärkreis bzw. Sekundärwicklung, RFe repräsentiert die Hysterese- und Wirbelstromverluste, wobei RFe bei der Betrachtung gegen unendlich geht, LH zeigt den Magnetisierungsstrom im Leerlauf und Z' stellt den Blindwiderstand im Sekundärkreis bzw. Sekundärwicklung dar.In 1 the equivalent circuit diagram of a real transformer is shown. A real transformer has transmission losses due to the ohmic resistance of the winding, eddy current formation in the core, core losses and other effects. I 1 represents the current in the primary winding, R 1 and R 2 the current losses , L σ1 and L σ2 represent the stray inductances, I 2 the current in the secondary circuit and secondary winding, R Fe represents the hysteresis and eddy current losses, where R Fe at the consideration goes to infinity, L H shows the magnetizing current at idle and Z 'represents the reactance in the secondary circuit or secondary winding.

In 2 ist der schematische Aufbau einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ringkerntransformators im Schnitt dargestellt. Der Ringkerntransformator R weist einen Eisenkern E auf. Der Eisenkern E ist voll umfänglich von der Primärwicklung P umschlossen. An die Primärwicklung P ist ein Abstandshalteelement A angeordnet, wobei die Primärwicklung P und das Abstandshalteelement A von der Sekundärwicklung S umschlossen sind.In 2 the schematic structure of a first embodiment of the toroidal transformer according to the invention is shown in section. Of the Toroidal transformer R has an iron core E. The iron core E is fully surrounded by the primary winding P. To the primary winding P, a spacer element A is arranged, wherein the primary winding P and the spacer element A are enclosed by the secondary winding S.

Durch das Abstandselement A wird in den Ringkerntransformator R ein Luftraum bzw. -abstand eingebracht. Hierdurch wird die Streuinduktivität gezielt erhöht. Auf diese Weise wird eine Filterfunktion erzeugt, welche insbesondere eine Reduzierung der Verlustleistung bei einer Pulsweitenmodulationsansteuerung verursacht.By the spacer A is in the toroidal transformer R an airspace or distance introduced. As a result, the leakage inductance is targeted elevated. In this way, a filter function is generated, which in particular a reduction of the power loss in a pulse width modulation drive caused.

Der Ringkerntransformator R wird insbesondere bei einem Umrichter eingesetzt, wobei dem Umrichter eine geschaltete Spannung als pulsweitenmodulierter Spannungspegel zugeführt wird und auf eine gewünschte Spannung transformiert wird. Hierbei ist es zwingend notwendig, die Pulsweitenmodulation zu filtern. Dies geschieht üblicherweise durch Induktivitäten, die als Ringdrosselkern ausgeführt sind. Durch die Einbringung des Abstandselementes A werden, wie beschrieben, Streuinduktivitäten in den Transformator R auf einfache Weise eingebracht. Diese Streuinduktivitäten ersetzen faktisch die sonst üblichen Ringkerndrosseln. Hierdurch können die normalerweise notwendigen externen Filterkomponenten entfallen.Of the Toroidal transformer R is used in particular in a converter, wherein the inverter is a switched voltage as a pulse width modulated Supplied voltage level will and on a desired Voltage is transformed. It is imperative to filter the pulse width modulation. This usually happens through inductances, which are designed as a ring throttle core. By the introduction of the spacer A, as described, stray inductances introduced in the transformer R in a simple manner. Replace these leakage inductances in fact the usual Toroidal chokes. This allows the normally necessary external filter components are eliminated.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstandshalter A im Restloch des Ringkerntransformators R angeordnet. Hier ist dann die gewünschte Filterinduktivität mit dem geringsten Platzbedarf zu realisieren. Die Realisierung des Abstandshalters A kann in vorzugsweiser Ausführungsform durch einen dickwandigen Rohrabschnitt erfolgen.In a further advantageous embodiment of the invention is the Spacer A in the remaining hole of the toroidal transformer R is arranged. Here is the desired one filter inductance to realize with the smallest space requirement. The realization of the Spacer A may in a preferred embodiment by a thick-walled Pipe section done.

Gemäß 3 und 4 sind weitere Anordnungen des Abstandselementes A aufgezeigt. In 3 ist das Abstandselement A als im Außenradius des Ringkerntransformators R angeordnetes Abstandselement A realisiert. Das Abstandselement A ist von seiner Formgebung her als Ring realisiert, welcher einen definiert grösseren Durchmesser als der Eisenkern E aufweist. In vorzugsweiser Ausführung ist die Grösse (Höhe) des Abstandshalters A in etwa identisch mit der Grösse (Höhe) des Eisenkerns E. Hierdurch ist eine besonders einfache Bewicklung möglich.According to 3 and 4 further arrangements of the spacer A are shown. In 3 the spacer element A is realized as a spacer A arranged in the outer radius of the toroidal transformer R. The spacer A is realized by its shape forth as a ring, which has a defined larger diameter than the iron core E. In a preferred embodiment, the size (height) of the spacer A is approximately identical to the size (height) of the iron core E. This makes a particularly simple winding possible.

In einer weiteren vorzugsweisen Ausführung ist eine Bewicklung des Ringkerntransformators R mit integriertem Abstandselement A auf einer Wickelmaschine einfach durchführbar, in dem das Abstandselement A relativ formidentisch zum Eisenkern E, jedoch divergierend und abweichend im Durchmesser ausgestaltet ist.In Another preferred embodiment is a winding of the Toroidal transformer R with integrated spacer A on a winding machine easy to carry out, in which the spacer element A relatively identical in shape to the iron core E, but divergent and deviating in diameter is designed.

In einer weiteren vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung ist das Abstandselement A in seiner Bauhöhe geringer ist als der Eisenkern E. Hierdurch kann die vorgegebene ovale Form des Ringkerntransformators erreicht werden.In Another preferred embodiment of the invention is Distance element A in its height is lower than the iron core E. This allows the specified oval shape of the toroidal transformer can be achieved.

Eine Anordnung des Abstandselementes A oberhalb oder unterhalb des Eisenkernes E, wobei hier das Abstandselement A ebenfalls einen Ring bildet, stellt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dar. Durch diese Anordnung kann vorzugsweise die Baugrösse des Ringkerntransformators R reduziert werden.A Arrangement of the spacer A above or below the iron core E, here the spacer A also forms a ring, represents a further embodiment of the invention. Through this Arrangement may preferably be the size of the toroidal transformer R be reduced.

Schließlich können auch zwei Abstandshalteelemente A oberhalb und unterhalb des Eisenkerns E angeordnet sein, wie 4 zeigt. Auf diese Weise kann ein besonders großer Luftraum bzw. -abstand erzeugt werden.Finally, two spacer elements A can be arranged above and below the iron core E, as 4 shows. In this way, a particularly large air space or distance can be generated.

In einer weiteren Ausführungsform sind an jeder Seite, jeweils in 90° zueinander versetzt zum Eisenkern E, Abstandselemente A angeordnet. Dies führt dazu, dass ein kontinuierlicher Luftraum zwischen der Sekundär-S- und der Primärwicklung P vorhanden ist.In a further embodiment are on each side, each offset in 90 ° to the iron core E, spacer elements A arranged. This leads to a continuous Airspace between the secondary S and the primary winding P is present.

In einer weiteren vorzugsweisen Ausführungsform ist das Abstandselement A als Ringsegment ausgestaltet, wobei hierdurch mehrere Lufträume eingebracht werden. Zum einen liegt dann die Sekundärwicklung S teilweise an der Primärwicklung P an, teilweise wird ein Luftraum bzw. -abstand zwischen der Primärwicklung P und der Sekundärwicklung S erzeugt.In a further preferred embodiment, the spacer element A designed as a ring segment, thereby introducing several air spaces become. On the one hand, then the secondary winding S is partially at the primary P, sometimes becomes an air space or distance between the primary winding P and the secondary winding S generated.

Das Abstandselement A ist vorzugsweise aus nicht metallischem Material hergestellt, vorzugsweise aus Kunststoff.The Spacer A is preferably made of non-metallic material made, preferably made of plastic.

Claims (11)

Ringkerntransformator (R) bestehend aus einem ringförmigen Kern (E), einer Primärwicklung (P), einer Sekundärwicklung (S) und einem Abstandselement (A), wobei die Primärwicklung (P) und die Sekundärwicklung (S) den Eisenkern (E) umschließen und das Abstandselement (A) zwischen der Primärwicklung (P) und der Sekundärwicklung (S) angeordnet ist und zu einem Luftraum zwischen der Primärwicklung (P) und der Sekundärwicklung (S) führt, wobei die Sekundärwicklung (S) das Abstandselement (A) zumindestens an einer Seite formschlüssig umschließt und das Abstandselement (A) eine Streuinduktivität im Ringkerntransformator bewirkt.Toroidal transformer (R) consisting of a annular Core (E), a primary winding (P), a secondary winding (S) and a spacer element (A), wherein the primary winding (P) and the secondary winding (S) enclose the iron core (E) and the spacer (A) between the primary winding (P) and the secondary winding (S) is arranged and to an air space between the primary winding (P) and the secondary winding (S) leads, the secondary winding (S) the spacer element (A) encloses positively at least on one side and the Distance element (A) a leakage inductance in the toroidal transformer causes. Ringkerntransformator (R) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (E) ein Eisenkern ist.Toroidal transformer (R) according to claim 1, characterized characterized in that the core (E) is an iron core. Ringkerntransformator (R) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (A) als ringförmiges Element, Ringsegment oder dickwandiger Rohrabschnitt ausgeführt ist.Toroidal transformer (R) according to claim 1 or 2, characterized in that the spacer element (A) as a ring-shaped element, Ring segment or thick-walled pipe section is executed. Ringkerntransformator (R) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass und der Eisenkern (E) ringförmig ausgeführt ist.Toroidal transformer (R) according to claim 1 or 2, characterized in that and the iron core (E) is annular. Ringkerntransformator (R) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Ansteuerung des Ringkerntransformators (R) vorhanden ist, welche eine Pulsweitenmodulationsansteuerung bewirkt.Toroidal transformer (R) according to one or more of the preceding claims, characterized in that an electronic control of the Toroidal transformer (R) is present, which is a pulse width modulation drive causes. Ringkerntransformator (R) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkerntransformator (R) zum Einsatz als Umrichter dient.Toroidal transformer (R) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the toroidal transformer (R) is used serves as inverter. Ringkerntransformator (R) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Pulsweitenmodulationsansteuerung durch Einsatz des Abstandselements (A) eine Filterung aufgrund der Streuinduktivität entfällt.Toroidal transformer (R) according to one or more of the preceding claims, characterized in that in the pulse width modulation drive by using the spacer (A) filtering due to leakage inductance eliminated. Ringkerntransformator (R) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (A) als Ersatz für Filterinduktivität und Widerstände, insbesondere Ringdrosseln, dient.Toroidal transformer (R) according to one or more of the preceding claims, characterized in that the spacer element (A) as a substitute for filter inductance and resistances, in particular Ring chokes, serves. Ringkerntransformator (R) nach einem oder mehreren der vorangegangenen dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (A) im Kernloch angeordnet ist.Toroidal transformer (R) according to one or more the preceding characterized in that the spacer element (A) is located in the core hole. Ringkerntransformator (R) nach einem oder mehreren der vorangegangenen dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (A) im inneren Radius, im äusseren Radius, oberhalb oder unterhalb des Ringkerns in Form eines Ringes oder Ringsegmentes angeordnet ist.Toroidal transformer (R) according to one or more the preceding characterized in that the spacer element (A) in the inner radius, in the outer Radius, above or below the ring core in the form of a ring or ring segment is arranged. Ringkerntransformator (R) nach einem oder mehreren der vorangegangenen dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (A) aus Kunststoff besteht.Toroidal transformer (R) according to one or more the preceding characterized in that the spacer element (A) consists of plastic.
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