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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen induktive Bauelemente und insbesondere Transformatoren mit geringem Bauvolumen, die für eine hohe Ausgangsspannung ausgelegt sind.
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In vielen Bereichen der Technik gibt es das Bestreben, die Abmessungen von Geräten und Bauelementen zu verringern, ohne dabei jedoch Einbußen im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit der entsprechenden Bauelemente oder Geräte hinzunehmen. Bei der Miniaturisierung dieser Bauelemente oder Baugruppen müssen auch die elektronischen Komponenten, die für die Leistungsversorgung vorgesehen sind, in ihrer Größe in geeigneter Weise angepasst werden. Beispielsweise können im Bereich der Lichttechnik zunehmend leistungsfähige Gasentladungsleuchten bereitgestellt werden, die bei geringerem Bauvolumen im Vergleich zu bislang verwendeten Leuchten eine gleichbleibende oder sogar höhere Leistung bieten. Das geringe Bauvolumen dieser Leuchtmittel führt jedoch auch dazu, dass die zur Ansteuerung der Leuchtmittel erforderlichen elektronischen Komponenten in der Größe reduziert werden müssen. Insbesondere die induktiven Komponenten und ins besondere Transformatoren müssen dabei jedoch unter Berücksichtigung zahlreicher das Leistungsverhalten beeinflussender Parameter entwickelt werden, da eine geeignete Anpassung eines induktiven Bauelements von zahlreichen Faktoren, etwa der Form des magnetischen Kerns, der Art des verwendeten Ferritmaterials, der Leitungsführungen in den Wicklungen, sowie generell der Schaltungstopologie abhängt. Obwohl in vielen Bereichen der Elektronik eine Verringerung der Größe der Bauelemente angestrebt wird, ist insbesondere das Erreichen einer ausreichend hohen Leistungsdichte für speziell gewählte Bauteilabmessungen bei induktiven Bauelementen mit hohem Aufwand verbunden, wobei zahlreiche durch die Eigenschaften der Magnetmaterialien vorgegebene physikalische Randbedingungen einzuhalten sind, so dass unterschiedliche Lösungsansätze zu unterschiedlichen Endergebnissen führen können, die sich dann jedoch gegebenenfalls nicht in gleicher Weise in der Zielanwendung verhalten.
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Für viele Anwendungszwecke ist beispielsweise eine hohe Betriebsspannung zumindest in gewissen Betriebsphasen erforderlich, so dass neben den Schwierigkeiten, die aufgrund einer gewünschten kompakten Bauweise zu bewältigen sind, auch weitere Probleme zu berücksichtigen sind, die sich aus der hohen Betriebsspannung ergeben. Ein Beispiel für die Verwendung kleiner leistungsfähiger Transformatoren, die eine hohe Ausgangsspannung liefern müssen, ist der Einsatz in Verbindung mit gewissen Leuchtmitteln, etwa Xenon-Leuchten, und dergleichen, da hier zumindest zum Zünden des Leuchtmittels eine relativ hohe Spannung von bis zu 30 kV erforderlich ist. Insbesondere für den mobilen Einsatz, in welchem ein geringes Volumen und ein geringes Gewicht wesentliche Aspekte für einen Hochspannungstransformator sind, muss gleichzeitig auf eine hohe Spannungsfestigkeit und Zuverlässigkeit des Transformators bei vielen unterschiedlichen Umgebungsbedingungen großer Wert gelegt werden. Auch in vielen anderen Bereichen, etwa für Messgeräte im Bereich der Umwelttechnologien, und dergleichen, sind teilweise hohe Spannungen beispielsweise für Strahlungsdetektion erforderlich, wobei auch hier typischerweise auf kleines Volumen und geringes Gewicht großer Wert gelegt wird, da typischerweise die Messgeräte für den mobilen Einsatz unter rauen Bedingungen vorgesehen sind.
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Beispielsweise ist es bei der Ansteuerung spezieller Leuchtmittel aus Gründen eines kompakten Gesamtaufbaus erforderlich, die Größe und Form der entsprechenden elektronischen Platine der Gestalt und Größe des Leuchtmittels anzupassen, um damit insgesamt eine kompakte Bauform zu erreichen. Aufgrund dieser Vorgaben werden daher kleine Abmessungen für entsprechende Transformatoren gefordert, die aber dennoch die Erfordernisse im Hinblick auf die Leistungsdichte, die Betriebstemperatur, das elektromagnetische Verhalten, die Isolationsfestigkeit und dergleichen erfüllen müssen. Beispielsweise kann bei einem Leistungsbereich von einigen 10 W, wie dies etwa für moderne Gasentladungsleuchten typisch ist, eine Anpassung an die längliche Form der Röhren gewisse laterale Abmessungen erfordern, die von der induktiven Komponente nicht überschritten werden dürfen, um damit insgesamt die gewünschte Formanpassung der elektronischen Platine zu ermöglichen. Beispielsweise sind Ferritkerne in vielen standardmäßigen Größen und mit vielen standardmäßigen Ferritmaterialien erhältlich, wobei jedoch im Größenbereich von Kernen mit einem magnetischen wirksamen Volumen von etwa 1000 mm3 und darunter die erforderlichen Bauteileigenschaften mit einer geschlossenen Kerngeometrie, die beispielsweise eine relativ kompakte Bauweise mit gutem thermischen Verhalten und relativ geringer Störanfälligkeit bietet, gegebenenfalls nicht erreicht werden können, um eine ausreichende Leistung bei einem gewünschten kompakten Aufbau des Transformators bereit zustellen. D.h., häufig wird eine lineare Kernform für Transformatoren verwendet, um kompakte Abmessungen zumindest in einer Dimension zu erreichen, wobei ein magnetischer Aufbau mit etwas geringerer Effizienz im Vergleich zu Transformatoren mit nahezu geschlossenem magnetischen Kreis in Kauf genommen wird. Beispielsweise sind Ringkerne oder andere geschlossene magnetische Systeme häufig nicht kompatibel im Hinblick auf das zur Verfügung stehende Bauvolumen insbesondere in kritischen Anwendungen, etwa Mobilgeräten, Kraftfahrzeugen, und dergleichen. Es hat sich daher für kleine Hochspannungstransformatoren, die beispielsweise für Entladungsleuchten, Messgeräte, und dergleichen verwendet werden können, in der Praxis eine lineare Konfiguration des magnetischen Kernmaterials als geeignet erwiesen aufgrund der geringen Abmessungen, die sich senkrecht zur linearen Erstreckung des Transformators erreichen lassen. Dennoch gibt es für lineare Transformatoren bzw. Transformatoren mit stabförmigen zentralen Kernbereichen, die für eine hohe Ausgangsspannung ausgelegt sind, ein ausgeprägtes Bestreben, die Abmessungen und/oder Leistungseigenschaften weiter zu verbessern, da etwa im Bereich der Beleuchtungstechnik die Konkurrenzfähigkeit von Leuchtmitteln auf Basis von Entladungsleuchten im Vergleich zu neuen Niederspannungstechniken basierend auf LED-Technik ganz wesentlich auch durch die Eigenschaften des Transformators bestimmt ist.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator zur Bereitstellung hoher Spannungen, der zur Reduzierung des Bauvolumens keine geschlossene Kernanordnung aufweist, anzugeben, der insbesondere trotz kompakter Form und geringer Größe zuverlässig in stark wechselnden Umgebungsbedingungen einsetzbar ist.
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Zur Lösung der zuvor genannten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Transformator bereitgestellt, der die folgenden Merkmale aufweist. Der Transformator umfasst eine erste Wicklung mit zwei Windungen. Des weiteren ist eine zweite Wicklung mit mehreren Wicklungsabschnitten vorgesehen, wobei jeweils zwei benachbarte Wicklungsabschnitte durch eine entsprechende Windung der ersten Wicklung getrennt sind. Ferner umfasst der Transformator ein nicht als geschlossener Magnetkreis bereitgestelltes magnetisches Kernmaterial mit einem Stabkernbereich.
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Der erfindungsgemäße Transformator weist als Besonderheit eine erste Wicklung, die beispielsweise als Primärwicklung fungiert, mit lediglich zwei Windungen auf, die so vorgesehen sind, dass die zweite Wicklung, beispielsweise die Sekundärwicklungen, in einzelne Wicklungsabschnitte unterteilt wird. Insbesondere wurde erkannt, dass das Vorsehen von zwei Windungen für einen Transformator, der typischerweise eine relativ hohe Ausgangsspannung liefern soll, überraschenderweise trotz der an sich weniger effizienten Kopplung zwischen Primärwicklung und Sekundärwicklung einen äußerst kompakten Aufbau zulässt, da durch die erste Wicklung mit reduzierter Windungszahl insbesondere die Länge, d.h. die Erstreckung in Richtung der Magnetfeldlinien innerhalb des Stabkernbereichs, verringert werden kann, wobei dennoch eine ausreichende Kopplung an das Kernmaterial und die zweite Wicklung erreicht werden kann. Durch die Reduzierung der Windungszahl in der ersten Wicklung im Vergleich zu konventionellen Stabkernanordnungen kann damit auch für eine gewünschte hohe Ausgangsspannung die Anzahl der Windungen in der zweiten Wicklung reduziert werden, so dass eine Verringerung der Gesamtlänge des Transformators dennoch ausreichend Platz bietet, um einerseits die erforderliche Anzahl an Windungen der zweiten Wicklung anordnen zu können, ohne dass die Anforderungen im Hinblick auf die Isolationsfestigkeit zwischen den einzelnen Windungen der zweiten Wicklung und insbesondere zwischen den Windungen der zweiten Wicklung und der ersten Wicklung im Vergleich zu konventionellen Stabkerntransformatoren für Hochspannungsanwendungen eingeschränkt werden müssen.
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Des weiteren ermöglicht es der Aufbau mit lediglich zwei Windungen in der ersten Wicklung, dass insgesamt für einen Aufbau mit nicht geschlossenem Kern, d.h. ohne geschlossene Kerngeometrie, eine Verbesserung der magnetischen Kopplung erreicht werden kann. D.h., im Vergleich zu Transformatoren, wie sie beispielsweise zum Zünden von Gasentladungsleuchten für mobile Anwendungen, und dergleichen eingesetzt werden und typischerweise mindestens drei oder mehr Windungen auf der Primärseite aufweisen, ergibt sich durch die kompakte Bauweise und den dadurch erreichten kompakteren magnetischen Feldverlauf in der vorliegenden Erfindung entsprechende gleiche oder sogar größere Ausgangsspannung im Vergleich zu einem konventionellen Transformator.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Transformator die zweite Wicklung mit 50 Windungen oder mehr auf. Auf diese Weise kann eine gewünschte relativ hohe Ausgangsspannung sichergestellt werden, wobei eben die kompakten Abmessungen, die sich durch die nur zwei Windungen in der ersten Wicklung erreichen lassen, zu einem insgesamt effizienten magnetischen Verhalten beitragen.
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D.h., durch die Reduzierung der Anzahl der Windungen in der ersten Wicklung kann auch die Anzahl der Windungen in der zweiten Wicklung verringert werden, etwa auf 50 Windungen oder mehr, ohne dabei Einbußen in der Ausgangsspannung hinnehmen zu müssen. Auf diese Weise können weiterhin die Vorteile eines offenen magnetischen Kreises im Hinblick auf die gesamten Abmessungen in besonderem Maße beibehalten werden, wobei vorteilerhafter Weise hinzukommt, dass die im erfindungsgemäßen Transformator verwirklichte geringere Länge im Vergleich zu entsprechenden konventionellen Transformatoren mit größerer Windungszahl in der Primärseite zu einer Verringerung der Streuung führt. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen liegt die Anzahl der Windungen in der zweiten Wicklung bei 100 oder höher, so dass bei Eingangsspannungen an der ersten Wicklung von mehreren 10 V entsprechend hohe Ausgangsspannungen bereitgestellt werden können. Durch die kompakten Abmessungen ist damit der erfindungsgemäße Transformator besonders für Anwendungen im Mobilbereich, in Anwendungen, in denen anspruchsvolle Umgebungsbedingungen vorherrschen, und dergleichen geeignet, wenn relativ hohe Ausgangsspannungen von etwa 1000 V bis zu mehreren 10.000 V erforderlich sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Länge des Stabkernbereichs 20 mm oder weniger. D.h., der erfindungsgemäße Transformator ist in dieser Ausführungsform insbesondere für Anwendungen geeignet, in denen eine geringe Länge in Verbindung mit einer insgesamt sehr kompakten Bauweise wesentliche Vorteile mit sich bringt. Dabei sind vor allem Anwendungen zu nennen, in denen der erfindungsgemäße Transformator zur Erzeugung hoher Spannungen in Geräten für den mobilen Einsatz, etwa in tragbaren Beleuchtungseinrichtungen, Beleuchtungsanlagen von Fahrzeugen, etwa in Fahrrädern, Motorrädern, KfZ, und dergleichen, tragbaren Messgeräten, und dergleichen eingesetzt wird, da hierbei typischerweise eine Platine zur Aufnahme des Transformators mit kleinerer Fläche vorgesehen werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das als nicht geschlossener magnetischer Kreis vorgesehene Kernmaterial eine Endplatte an jedem Ende des Stabkernbereichs auf. Auf diese Weise kann das magnetische Verhalten im Vergleich zu einem Stabkern ohne abschließende Feldplatten deutlich verbessert werden, wobei auch in diesem Falle die reduzierte Abmessung in der Längsrichtung in Verbindung mit dem Bereitstellen von Endplatten insgesamt eine Verbesserung des magnetischen Verhaltens ergibt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform entspricht eine Abmessung des Transformators entlang der magnetischen Längsrichtung des Stabkernbereichs 80 bis 120% einer Abmessung des Transformators in einer zur magnetischen Längsrichtung des Stabkerns senkrecht orientierten Richtung. D.h., in dieser Ausführungsform sind die Abmessungen des Transformators so festgelegt, dass sich insgesamt eine näherungsweise würfelförmige Gestalt bei nahezu rechteckigen Querschnitt ergibt, wobei dies ebenso zu verstehen ist, dass die maximale Abmessung in der Längsrichtung des Transformators 80 % bis 120 % der maximalen Abmessung des Transformators in der Breite und/oder Höhe entspricht. Bei einer nahezu runden Querschnittsform des Transformators ergibt sich eine kompakte zylinderförmige Gestalt, in der die Länge vergleichbar mit dem Durchmesser ist. Durch diesen nahezu würfelförmigen Aufbau wird also ein relativ großes Verhältnis von Volumen zu Oberfläche erreicht, so dass ein kompaktes Bauelement bereitgestellt wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Transformator einen Spulenkörper auf, der ausgebildet ist, jede der zwei Windungen der ersten Wicklung zumindest über einen wesentlichen Bereich der Leiterlänge hinweg zwischen einer Materialaussparung aufzunehmen. In dieser Ausführungsform sind also beide Windungen der ersten Wicklung in ihrer wesentlichen Erstreckung in einer entsprechenden Materialaussparung des Spulenkörpers aufgenommen, so dass sich damit sehr günstige Eigenschaften im Hinblick auf die Isolationsfestigkeit der ersten Wicklung zur zweiten Wicklung ergeben. Ferner bieten die Materialaussparungen, da sie Bestandteil des Spulenkörpers sind, die Möglichkeit, die Position der beiden Windungen in sehr präziser Weise festzulegen. D.h., die Materialaussparungen werden im Rahmen des Herstellungsprozesses für den Spulenkörper erzeugt, beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren, und dergleichen, so dass die Position der ersten Wicklung in gut reproduzierbarer Weise durch konstruktive Maßnahmen bei der Herstellung des Spulenkörpers festgelegt wird. Damit werden aber auch bei einer Massenproduktion des Transformators die elektrischen und magnetischen Eigenschaften in gut reproduzierbarer Weise festgelegt, da die lediglich zwei Windungen der ersten Wicklung mit hoher mechanischer Genauigkeit in den Aufbau des Transformators integriert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist jede Materialaussparung zur Aufnahme jeweils einer der beiden Windungen der ersten Wicklung so gestaltet ist, dass leitendes Material der Windungen bis zu einer radialen Erstreckung einbaubar ist, die der Höhe der zweiten Wicklung entspricht. D.h., die radiale Erstreckung bzw. die Höhe des leitenden Materials jeder einzelnen Windung der ersten Wicklung ist so bemessen, dass sie der Höhe der gesamten Lagen an Windungen in der zweiten Wicklung, d.h. dem dort verwendeten leitenden Material, entspricht. Auf diese Weise wird ein hoher Kopplungsgrad zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung ermöglicht, da beide Wicklungen im Wesentlichen den gleichen magnetischen Fluss mit gleichem Querschnitt umschließen. Des weiteren ist das leitende Material der Windungen der ersten Wicklung vollständig über die gesamte Höhe hinweg in der Materialaussparung enthalten, so dass ein hohes Maß an Isolationsfestigkeit sichergestellt ist.
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In einer anschaulichen Ausführungsform weist der Spulenkörper eine zentrale Öffnung zur Aufnahme und Fixierung des Stabkernbereichs auf, wobei die Öffnung zwischen einem ersten Endbereich und einem zweiten Endbereich des Spulenkörpers zumindest zu der zweiten Wicklung hin offene Bereiche aufweist. In dieser Ausführungsform ist der zentrale Stabkernbereich des magnetischen Materials nicht vollständig von Material des Spulenkörpers umschlossen, so dass beispielsweise bei Vorsehen eines Vergussmaterials damit eine innige Verbindung zwischen zumindest der zweiten Wicklung und dem Kernmaterial hergestellt ist.
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Beispielsweise dringt das Vergussmaterial zwischen die Leitermaterialien der Wicklungen und insbesondere in den Raumbereich zwischen Spulenkörper bzw. Wicklungen und Kernmaterial ein und verbindet sich mit dem Kernmaterial. Dadurch werden insbesondere Lufteinschlüsse vermieden oder zumindest erheblich reduziert, so dass sich eine Verbesserung der Isolationseigenschaften ergibt. Ferner kann auf diese Weise auch eine verbesserte thermische Kopplung zwischen diesen Bereichen des Transformators erreicht werden, wenn beispielsweise ein thermisch relativ gut leitendes Vergussmaterial Verwendung findet. Damit kann beispielsweise der Stabkernbereich effizient zur Ableitung von Verlustwärme aus den Wicklungen verwendet werden, insbesondere wenn an den jeweiligen Endbereichen des Stabkernbereichs entsprechende Feldplatten vorgesehen sind, wie dies bereits zuvor erläutert ist. Umgekehrt kann auch bei einer relativ hohen Verlustleistung im Kernbereich, die beispielsweise bei einer entsprechenden Betriebsphase auftreten kann, diese wirksam auf die Wicklungen übertragen werden, so dass letztlich über die Oberfläche des Transformators eine effiziente Ableitung von Wärme erfolgen kann. Insgesamt lassen sich damit Temperaturgradienten innerhalb des Bauteils deutlich verringern, so dass thermische Verspannungen reduziert werden können, wodurch die Langzeitzuverlässigkeit verbessert wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst jede der zwei Windungen der ersten Wicklung einen selbsttragenden Leiterbügel. D.h., in dieser Ausführungsform kann nahezu die gesamte erste Wicklung in Form von formstabilen, d.h. selbsttragenden, Leiterbügeln bereitgestellt werden, die durch einen geeigneten Fertigungsprozess mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit hergestellt werden können. Auf diese Weise lassen sich nicht nur genau definierte reproduzierbare elektrische Eigenschaften der ersten Wicklung sicherstellen, sondern aufgrund der genauen Passform wird insbesondere in Verbindung mit den Materialaussparungen im Spulenkörper eine sehr präzise Positionierung und Fixierung der ersten Wicklung gewährleistet. Beispielsweise können die Leiterbügel aus Kupfer oder auch einem anderen leitenden Material durch Stanzen, und dergleichen hergestellt werden.
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In einer anschaulichen Ausführungsform weist der Leiterbügel einen Anschlusszapfen zur Kontaktierung einer Platinenanschlussstelle auf. Auf diese Weise können auch die Position, Form und elektrische Eigenschaften der Verbindungsstelle zu einer Leiterplatte in gut definierter Weise vorgegeben werden. Der Leiterbügel kann auch mit zwei oder mehr Anschlusszapfen versehen sein, wenn dies im Hinblick auf die mechanische und/oder elektrische Kontaktierung des Transformators von Vorteil ist. Auch kann der Anschlusszapfen zur Verbindung der beiden Leiterbügel verwendet werden, so dass damit eine durchgehende Wicklung bereitgestellt wird. Dazu kann ein geeignetes Leiterstück, etwa ein Draht, ein selbsttragendendes Leitelemente, und dergleichen verwendet werden, während in anderen anschaulichen Ausführungsformen eine direkte Verbindung zwischen den beiden Leiterbügeln der ersten Wicklung im Transformator nicht erfolgt, da eine entsprechende Verbindung auch über eine Leiterplatte, oder über ein anderes Trägermaterial, auf welcher bzw. welchem der Transformator zu montieren ist, hergestellt werden kann.
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In einer weiteren anschaulichen Ausführungsform weist der Leiterbügel einen Abgriffszapfen auf, der mit der zweiten Wicklung verbunden ist. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn die erste Wicklung und die zweite Wicklung galvanisch zu koppeln sind, etwa einen gemeinsamen Spannungsknoten aufweisen. Beispielsweise kann ein Wicklungsende der zweiten Wicklung mit dem Abgriffszapfen verbunden werden, so dass beide Wicklungen auf ein gemeinsames Potenzial gelegt werden können.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Spulenkörper ferner einen Fixierzapfen auf, der zu dem Abgriffszapfen ausgerichtet ist und zur Fixierung des Leiters der zweiten Wicklung dient, die über den Abgriffszapfen mit der ersten Wicklung verbunden ist. D.h., in dieser Ausführungsform kann der Leiter der zweiten Wicklung, der beispielsweise in Form eines Drahtes auf den Spulenkörper aufzuwickeln ist, zunächst an dem Fixierzapfen befestigt werden, beispielsweise durch Umwicklung, und dann geeignet an dem Abgriffszapfen des Leiterbügels der ersten Wicklung durch eine geeignete Verbindungstechnik befestigt werden. Dies kann beispielsweise durch Lötung, Schweißen, Verpressen, und dergleichen bewerkstelligt werden. Durch die Ausrichtung des Fixierzapfens zu dem Abgriffszapfen kann damit eine Verbindung mit hoher Präzision und mechanischer Belastbarkeit bei genau definierter Länge des Verbindungsstücks zwischen Fixierzapfen und Abgriffszapfen eingerichtet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jede der zwei Windungen der ersten Wicklung eine Höhe auf, die der Höhe der zweiten Wicklung entspricht. Die zweite Wicklung ist typischerweise aus zwei oder mehreren Lagen aufgebaut, um damit die gewünschte Anzahl an Windungen zu erhalten, so dass die erforderliche Spannung erreicht wird. Die für die Anzahl der Lagen erforderliche radiale Erstreckung bzw. Höhe entspricht in dieser Ausführungsform auch der radialen Erstreckung des leitenden Materials der beiden Windungen der ersten Wicklung, so dass auf diese Weise zu einem äußerst geringen elektrischen Widerstand und einer verbesserten Kopplung zwischen der ersten und der zweiten Wicklung beigetragen wird. Zusätzlich zu der reduzierten magnetischen Länge des Transformators trägt diese Anordnung auch dazu bei, die an sich schlechtere Ankopplung von Wicklungen mit einer sehr geringen Anzahl an Windungen zu kompensieren, so dass dennoch insgesamt ein magnetisch und elektrisch äußerst effizienter Aufbau mit insgesamt reduziertem Bauvolumen erreicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform beträgt die Länge des Spulenkörpers 80 bis 120% der Höhe des Spulenkörpers. D.h., die Abmessung in der Längsrichtung des Spulenkörpers und damit der zweiten Wicklung ist vergleichbar mit der Erstreckung des Transformators in einer dazu senkrechten Richtung, d.h. der Breite, so dass sich, wie bereits zuvor erläutert ist, insgesamt ein nahezu würfelförmiger Aufbau ergibt. Dazu ist beispielsweise in einer vorteilhaften Ausführungsform die Breite des Spulenkörpers gleich der Höhe.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Breite des Spulenkörpers 20 mm oder kleiner. Der Spulenkörper ermöglicht daher die Aufnahme der ersten und der zweiten Wicklung in einem nahezu würfelförmigen Raumbereich, wobei dennoch die hohen Anforderungen im Hinblick auf Isolationsfestigkeit, Wärmeableitung, magnetische Kopplung, und dergleichen erfüllt werden, um damit relativ hohe Ausgangsspannungen bei Leistungen von mehreren 10 W zu erreichen. Dabei sind vorteilhafterweise entsprechende Aussparungen im Spulenkörper vorgesehen, die eine Führung des Leiters der zweiten Wicklung von einem Abschnitt zum anderen ermöglichen, wobei erforderliche Isolationsabstände zu der ersten Wicklung zuverlässig eingehalten werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Länge des Spulenkörpers kleiner als die Breite des Spulenkörpers. Dadurch kann ein nahezu würfelförmiger Aufbau erreicht werden, selbst nachdem weitere Komponenten des Transformators, etwa Endplatten, die mit dem Stabkernbereich in Verbindung sind, in der Längsrichtung montiert werden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen auch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1A und 1B schematisch eine Seitenansicht und eine Draufsicht eines Transformators der vorliegenden Erfindung zeigen,
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1C schematisch eine Schnittansicht entlang der Linie IC, die in 1B gezeigt ist, darstellt,
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1D schematisch eine Frontansicht des erfindungsgemäßen Transformators zeigt,
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2 schematisch einen Leiterbügel, der als eine Windung der ersten Wicklung des Transformators dient, gemäß einer anschaulichen Ausführungsform zeigt,
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3A schematisch eine Frontansicht eines Spulenkörpers des erfindungsgemäßen Transformators zeigt und
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3B und 3C schematisch jeweils seitliche Schnittansichten des Spulenkörpers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
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Mit Bezug zu den Zeichnungen werden nunmehr weitere Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei zu beachten ist, dass teilweise die in den Zeichnungen dargestellten Komponenten nicht maßstabsgetreu gezeigt sind.
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1A zeigt eine Seitenansicht eines Transformators 100 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Transformator 100, der in anschaulichen Ausführungsformen eine Eingangsspannung von mehreren 10 V bis mehreren 100 V auf eine relativ hohe Ausgangsspannung im Bereich von mehreren 100 V bis mehrere 10.000 V transformiert, ist insbesondere aufgrund der kompakten Bauweise für mobile Anwendungen, im Kfz-Bereich, und dergleichen geeignet, wenn relativ hohe Ausgangsspannungen erforderlich sind.
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Der Transformator 100 umfasst eine erste Wicklung 110, die lediglich aus zwei Windungen 111 und 112 aufgebaut ist. Es wurde erkannt, dass zwei Windungen für die erste Wicklung 110 ausreichend sind, – entgegen der üblichen technischen Lehre, da mit reduzierter Windungszahl die Kopplung beeinträchtigt wird –, um bei einem Transformator mit nicht geschlossenem Kernmaterial dennoch eine ausreichende Kopplung zu einer zweiten Wicklung 120 zu erreichen. Die zweite Wicklung 120 ist dabei durch die beiden Windungen 111 und 112 in einzelne Wicklungsabschnitte 121, 122, 123 und 124 unterteilt. Diese Wicklungsabschnitte enthalten dabei typischerweise mehrere Lagen, um die erforderliche Windungszahl zu erreichen. In der dargestellten Ausführungsform weist jedoch der Abschnitt 123 gegebenenfalls nur eine einzelne Lage auf, um etwa eine geeignete Führung des Leiters für die automatische Bewicklung, und dergleichen zu erreichen. Die Gesamtzahl der Windungen der zweiten Wicklung 120 ist so gewählt, dass die gewünschte Ausgangsspannung, wenn die zweite Wicklung die Sekundärwicklungen des Transformators 100 darstellt, erhalten wird. Beispielsweise sind 50 Windungen oder mehr, etwa 100 Windungen und mehr in der zweiten Wicklung 120 vorgesehen.
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Ferner umfasst der Transformator 100 ein magnetisches Kernmaterial 130, das einen Stabkernbereich 133 umfasst, der im Wesentlichen von der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 umschlossen ist. Der Stabkernbereich 133 ist mit Feldplatten bzw. Endplatten 131 und 132 verbunden, die zu einem günstigeren Feldverlauf führen, ohne jedoch die Gesamtabmessungen des Transformators 100 wesentlich zu beeinflussen. Wie eingangs bereits erläutert ist, wird in Anwendungen, in denen ein äußerst kompakter Aufbau für einen Transformator erforderlich ist, häufig ein nicht geschlossener Magnetkreis angewendet, in welchem zwar die magnetischen Eigenschaften ungünstiger sind im Vergleich zu einem im Wesentlichen geschlossenen Kernmaterial, jedoch insgesamt kleinere Abmessungen erreichbar sind. In der vorliegenden Erfindung kann der Streufluss des Kernmaterials 130 durch die Verwendung der Feldplatten 131, 132 reduziert werden im Vergleich zu konventionellen Transformatoren mit gleicher Leistung und einer größeren Anzahl an Windungen in der ersten Wicklung, da generell die Länge des Stabkernbereichs 133 relativ klein gehalten wird, d.h. in Ausführungsformen beträgt die Länge des Stabkernbereichs 133 20 mm und weniger, z.B. 15 mm oder weniger, so dass damit auch günstige Verhältnisse im Hinblick auf die Kopplung der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 geschaffen werden. Die Feldplatten 131 und 132 können jeweils als einzelne Komponente oder als zusammengesetzte Teilstücke vorgesehen sein.
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In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Transformator 100 ferner einen Spulenkörper 140, der zur Aufnahme der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 dient. Dazu umfasst in einer Ausführungsform der Spulenkörper 140 eine erste Materialaussparung 141, die zur Aufnahme der Windung 111 der ersten Wicklung 110 dient. In ähnlicher Weise ist eine zweite Materialaussparung 142 vorgesehen, die die Windung 112 der ersten Wicklung 110 aufnimmt. Die beiden Materialaussparungen 141 und 142 sind somit entsprechende "Kammern", die jedoch nur eine geringe Erstreckung in Längsrichtung L aufweisen, so dass die Windungen 111 und 112 passgenau eingeführt werden können, um damit die Position in präziser Weise festzulegen. Ferner dienen die Materialaussparungen 141 und 142 dazu, das leitende Material der Windungen 111 und 112 in Längsrichtung L mit isolierendem Material einzuschließen, um damit die erforderliche Isolationsfestigkeit zwischen der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 herzustellen. Auf diese Weise sind die Position der Windungen der ersten Wicklung 110 sowie ihre Isolationseigenschaften durch konstruktive Maßnahmen, d.h. durch den Aufbau des Spulenkörpers 140, in präziser und reproduzierbarer Weise festgelegt.
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In der Seitenansicht der 1A ist in dieser Ausführungsform ferner ein oder mehrere Anschlusszapfen 113 für die erste Windung 111 und ein oder mehrere Anschlusszapfen 114 für die Windung 112 gezeigt. Diese Anschlusszapfen sind in geeigneter Weise ausgebildet, mit entsprechenden Verbindungsstellen einer nicht gezeigten Platine oder eines anderen Trägermaterials in Kontakt gebracht zu werden. Beispielsweise können die Anschlusszapfen 113, 114 in Form von Lötstiften vorgesehen sein. Wie nachfolgend erläutert ist, sind in anschaulichen Ausführungsformen die Anschlusszapfen 113, 114 integrale Bestandteile von selbsttragenden Leiterbügeln.
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1B zeigt schematisch eine Draufsicht des Transformators 100, wobei in der dargestellten Ausführungsform zumindest an einer der Windungen der ersten Wicklung 110, in dem gezeigten Beispiel an der Windung 111, ein Abgriffszapfen 115 vorgesehen ist, der zu einem entsprechenden Fixierzapfen 146 des Spulenkörpers 140 ausgerichtet ist, so dass eine präzise Fixierung einer Verbindung 125 zwischen der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 ermöglicht wird. Beispielsweise kann der Wicklungsdraht der zweiten Wicklung 120 an dem entsprechenden Abschnitt herausgeführt und um den Fixierzapfen 146 herumgeführt werden, um dann zu dem Abgriffszapfen 115 weitergeführt zu werden, an welchem der Draht dann durch eine geeignete Verbindungstechnik angebracht ist. Das Vorsehen des Abgriffszapfens 115 ist vorteilhaft in Ausführungsformen, in denen die erste Wicklung 110 und die zweite Wicklung 120 auf einem gemeinsamen Schaltkreisknoten liegen, da die entsprechende Verbindung nicht über eine Platine hergestellt werden muss, sondern unmittelbar im Transformator selbst erfolgt.
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1C zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie IC aus 1B. Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist die Wicklung 120 zumindest in den Abschnitten 121, 122 und 124 aus mehreren Lagen aufgebaut, so dass die erforderliche Anzahl an Windungen bei geringer Erstreckung in Längsrichtung L erreicht wird. Die dazu erforderliche radiale Erstreckung bzw. Höhe 126 der Wicklung 120 ist in anschaulichen Ausführungsformen so festgelegt, dass in Verbindung mit der Geometrie des Stabkernbereichs 133 eine Gesamthöhe 101 des Transformators 100 erhalten wird, die vergleichbar ist mit einer Gesamtlänge 102 des Transformators 100. D.h., in vorteilhaften Ausführungsformen liegt die Länge 102 in einem Bereich von 80 % bis 120 % der Höhe 101, so dass für den Transformator 100 eine "würfelförmige" Gestalt erhalten wird, wenn der Querschnitt, beispielsweise des Spulenkörpers 140, einer quadratischen Form angenähert ist. Als Höhe 101 wird diejenige Abmessung bezeichnet, durch die Anschlusszapfen festgelegt ist, die die Unterseite des Transformators definieren. In anderen Ausführungsformen kann eine runde oder ovale Querschnittsform eingesetzt werden, beispielsweise, wenn der Stabkernbereich 133 eine runde oder ovale Querschnittsform besitzt. Auch in diesem Falle können Durchmesser des Transformators und dessen Länge vergleichbare Werte aufweisen, die in dem oben genannten Bereich liegen.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die radiale Erstreckung bzw. Höhe der Windungen 111 und 112 der ersten Wicklung an die Höhe 126 der zweiten Wicklung 120 angepasst, d.h. die erste Wicklung 110 weist näherungsweise ebenfalls die Höhe 126 auf, so dass sich dadurch eine gute Kopplung der beiden Wicklungen 110 und 120 ergibt. In einer Ausführungsform beträgt die Höhe 126 3 bis 6 mm, etwa ca. 4 mm.
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1D zeigt schematisch eine Frontansicht des Transformators 100, in der in der gezeigten Ausführungsform die Höhe 101, ohne Berücksichtigung der Anschlusszapfen 113, nahezu identisch mit einer Breite 103 ist, die wiederum in dem oben angegebenen Bereich der Länge (1C) liegt, so dass sich ein kompaktes Volumen für den Transformator 100 ergibt, da das Verhältnis von Oberfläche zu umschlossenem Volumen wesentlich günstiger ist im Vergleich zu Transformatoren mit langgestrecktem Aufbau.
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2 zeigt schematisch eine Ansicht in Richtung der Längsrichtung des Transformators, d.h., in dieser Darstellung die Richtung senkrecht zur Zeichenebene, auf eine der Windungen der ersten Wicklung, die in diesem Beispiel als die Windung 111 bezeichnet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist die Windung 111 in Form eines selbsttragenden Leiterbügels vorgesehen, der aus einem geeigneten leitenden Material, etwa Kupfer, Aluminium, und dergleichen aufgebaut ist. Der Begriff "selbsttragend" ist dabei so zu verstehen, dass die Windung 111 formstabil ist und damit nach der Herstellung keine wesentliche Deformierung erfährt, so dass die erste Wicklung präzise und reproduzierbar unabhängig zu den restlichen Komponenten des Transformators hergestellt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform weist die Windung 111 die Anschlusszapfen 113 auf, die beispielsweise zur elektrischen und/oder mechanischen Kontaktierung eines Trägermaterials oder einer Platine dienen. Ferner ist zumindest in der dargestellten Windung 111 der Abgriffszapfen 115 vorgesehen, der zur Verbindung der ersten Wicklung mit der zweiten Wicklung dient, falls dies für den elektrischen Aufbau erforderlich ist. Ferner ist die radiale Erstreckung bzw. Höhe des leitenden Materials so gewählt, dass sie beispielsweise der Höhe 126 entspricht, die für den mehrlagigen Aufbau der zweiten Wicklung erforderlich ist.
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3A zeigt eine Frontansicht des Spulenkörpers 140 mit einer Öffnung 143, die zur Aufnahme des Stabkernbereichs des magnetischen Kernmaterials des Transformators dient. Wie gezeigt, besitzt die Öffnung 143 einen rechteckigen Querschnitt, wenn der Stabkernbereich mit einem entsprechenden rechteckigen Querschnitt vorgesehen ist. In anderen Ausführungsformen kann ein ovaler oder runder Querschnitt für den Stabkernbereich und damit die Öffnung 143 geeignet verwendet sein. Entsprechend dem rechteckigen Querschnitt der Öffnung 143 ist auch die gesamte Querschnittsform des Spulenkörpers 140 in Form eines gerundeten Rechtecks bzw. Quadrats vorgesehen, um einen möglichst kompakten Aufbau zu erreichen. Bei einer runden Querschnittsform der Öffnung 143 kann der gesamte Querschnitt des Spulenkörpers 140 nahezu in Kreisform bereitgestellt werden. Ferner ist der Fixierzapfen 146 gezeigt, der ausgerichtet in Verbindung mit dem Abgriffszapfen 115 (2) vorgesehen ist, um eine Verbindung zwischen der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung in präziser und zuverlässiger Weise herzustellen, wie dies bereits zuvor erläutert ist.
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3B zeigt schematisch eine seitliche Schnittansicht des Spulenkörpers 140, wobei die Öffnung 143 durch gegenüberliegende "Platten" 145 begrenzt ist, während in der dazu senkrechten Richtung, d.h. in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 3B, kein Material zur Eingrenzung der Öffnung 143, mit Ausnahme der Einzelnen Aussparungen 141, 142 und anderer Trennwände vorgesehen ist. Auf diese Weise ergibt sich eine verbesserte Anbindung des Kernmaterials an das leitende Material der Wicklungen, wenn beispielsweise ein Vergussmaterial verwendet wird. Insbesondere kann das thermische Verhalten des Vergussmaterials so gewählt werden, dass eine verbesserte thermische Ankopplung erfolgt, so dass ein effizienteres Ableiten von Verlustwärme von den Wicklungen in das Kernmaterial oder von dem Kernmaterial in die Wicklungen möglich ist.
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3C zeigt schematisch eine seitliche Schnittansicht des Spulenkörpers 140, die um 90° gemäß einer in der Zeichenebene der 3C und 3B horizontal verlaufenden Achse gedreht ist. Wie ersichtlich ist, ist die Öffnung 143 durch die entsprechende Materialplatte 145 in Richtung senkrecht zur Zeichenebene abgegrenzt.
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Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Transformator mit kompakten Abmessungen von beispielsweise 20 mm und kleiner in der Länge, der Höhe und der Breite bereit, mit welchem sich Spannungen von bis zu mehreren 10.000 V erreichen lassen, wobei trotz der kompakten Abmessungen ein hoher Grad an Isolationsfestigkeit erreicht wird. Der kompakte Aufbau ergibt sich durch das Vorsehen von zwei Windungen auf der Primärseite, wobei dennoch eine ausreichende magnetische Kopplung erzielt wird. Der erfindungsgemäße Transformator ist somit insbesondere für mobile Anwendungen in Messgeräten, Beleuchtungsgeräten, und dergleichen sowie in Einsatzbereichen, die ein kompaktes Bauvolumen erfordern, etwa im Kfz-Sektor geeignet.
