DE102014106480A1

DE102014106480A1 - Streuverlustarme Transformatoren und Herstellungsverfahren für diese

Info

Publication number: DE102014106480A1
Application number: DE102014106480.1A
Authority: DE
Inventors: Juan Jose Gutierrez Estrada
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2013-05-13
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2014-11-13
Also published as: US20140333408A1; US20170236637A1; US9640315B2; CN104157416B; US10153085B2; US20150310985A9; CN104157416A

Abstract

Ein Transformator enthält einen Magnetkern, eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung. Der Magnetkern enthält mehrere einen ersten Wicklungsschenkel beinhaltende Schenkel. Die erste Wicklungsanordnung enthält einen ersten Leiter, der spiralförmig um den ersten Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die erste Wicklungsanordnung hat eine erste magnetische Länge. Die zweite Wicklungsanordnung enthält einen zweiten Leiter, der um einen von den mehreren Schenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt und hat eine zu der ersten magnetischen Länge im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Transformatoren und insbesondere Transformatoranordnungen, die zur Minimierung von Streuverlusten ausgelegt sind.
Transformatoren sind übliche elektrische Komponenten, die bei der elektrischen Verteilung, Übertragung und bei Steuerungssystemen zur Umsetzung einer Eingangsspannung auf eine gewünschte Ausgangsspannung eingesetzt werden. Der Wirkungsgrad herkömmlicher Transformatoren ist durch Energieverluste in Verbindung mit Joulescher Erwärmung in den Transformatorwicklungen, Kernverluste (wie z.B. Hysterese- und Wirbelstromverluste in dem Kern) und Streuverluste begrenzt. Streuverluste resultieren aus dem Kern austretendem und Wirbelströme in leitenden Materialien innerhalb der Transformatoranordnung induzierendem magnetischen Fluss. Diese Wirbelströme werden letztlich durch resistive Wärmeerzeugung vernichtet, was oft zur Überhitzung und zum Ausfall von Transformatoren führen kann. Zusätzlich werden Streuverluste (und die resultierenden Wirbelströme) oft erheblich in Transformatoren verstärkt, welche Spannung an eine nicht-lineare Last, wie z.B. elektronische Geräte, liefern. Herkömmliche Transformatoren sind nicht auf die Minimierung derartiger Streuverluste ausgelegt.
KURZBESCHREIBUNG
In einem Aspekt wird ein Transformator bereitgestellt. Der Transformator enthält einen Magnetkern, eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung. Der Magnetkern enthält mehrere einen ersten Wicklungsschenkel beinhaltende Schenkel. Die erste Wicklungsanordnung enthält einen ersten Leiter, der spiralförmig um den ersten Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die erste Wicklungsanordnung hat eine erste magnetische Länge. Die zweite Wicklungsanordnung enthält einen zweiten Leiter, der um einen von den mehreren Schenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt und hat eine zu der ersten magnetischen Länge im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge.
Die zweite Wicklung der Transformatoranordnung kann um den ersten Wicklungsschenkel und die erste Wicklungsanordnung herum gewickelt sein.
Der zweite Leiter jedes vorstehend erwähnten Transformators kann spiralförmig um einen von den mehreren Schenkel gewickelt sein.
Die erste Wicklungsanordnung jedes vorstehend erwähnten Transformators kann eine erste axiale Länge haben, während die zweite Wicklungsanordnung eine zweite axiale Länge im Wesentlichen gleich
haben kann, wobei L_A die axiale Länge der ersten Wicklungsanordnung ist, N_A die erste Anzahl von Windungen ist und N_B die zweite Anzahl von Windungen ist.
Der zweite Leiter jedes vorstehend erwähnten Transformators kann eine scheibenartige Wicklungsanordnung sein.
Die zweite Wicklungsanordnung jedes vorstehend erwähnten Transformators kann eine erste axiale Länge haben, während die erste Wicklungsanordnung eine zweite axiale Länge im Wesentlichen gleich
haben kann, wobei L_B die axiale Länge der zweiten Wicklungsanordnung ist, N_A die erste Anzahl von Windungen ist.
In einem weiteren Aspekt wird ein Transformator bereitgestellt. Der Transformator enthält einen Magnetkern, eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung. Der Magnetkern enthält einen Wicklungsschenkel. Die erste Wicklungsanordnung enthält mehrere erste Lagen und ist induktiv mit dem Magnetkern gekoppelt. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt. Die erste und die zweite Wicklungsanordnung sind konzentrisch um den Wicklungsschenkel in einer verschachtelten Ausgestaltung dergestalt gewickelt, dass jede zweite Lage zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen angeordnet ist.
Demzufolge kann der Transformator aufweisen: einen Magnetkern mit einem Wicklungsschenkel; eine erste Wicklungsanordnung mit mehreren ersten Lagen, wobei die erste Wicklungsanordnung induktiv mit dem Magnetkern gekoppelt ist; und eine zweite Wicklungsanordnung, die induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt ist, wobei die zweite Wicklungsanordnung mehrere zweite Lagen aufweist, wobei die erste und zweite Wicklungsanordnung konzentrisch um den Wicklungsschenkel in einer verschachtelten Ausgestaltung gewickelt sind, wobei jede zweite Lage zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen angeordnet ist.
Jede von den ersten Lagen des vorstehend erwähnten Transformators kann wenigstens einen ersten Leiter aufweisen, der spiralförmig um den Wicklungsschenkel gewickelt ist, und jede von den zweiten Lagen weist wenigstens einen zweiten Leiter auf, der spiralförmig um den Wicklungsschenkel gewickelt ist.
Jede von der ersten und zweiten Lage jedes vorstehend erwähnten Transformators kann durch wenigstens eine Isolationslage getrennt sein.
Die erste und zweite Wicklungsanordnung jedes vorstehend erwähnten Transformators kann koaxial zu einer Längsachse des Wicklungsschenkels ausgerichtet sein.
Die mehreren zweiten Lagen jedes vorstehend erwähnten Transformators können in Paaren benachbarter zweiter Lagen gewickelt sein, wobei keine ersten Lagen zwischen den benachbarten ein Paar bildenden zweiten Lagen angeordnet sind, und wobei wenigstens zwei erste Lagen zwischen benachbarten Paaren zweiter Lagen angeordnet sind.
In noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Anordnen eines Transformators beschrieben. Das Verfahren beinhaltet die Bereitstellung eines Magnetkerns mit mehreren einen ersten Wicklungsschenkel beinhaltenden Schenkeln, die Bereitstellung einer ersten Wicklungsanordnung mit einem ersten Leiter, die Bereitstellung einer zweiten Wicklungsanordnung mit einem zweiten Leiter, die induktive Kopplung der ersten Wicklungsanordnung mit dem Magnetkern durch spiralförmiges Wickeln des ersten Leiters um den ersten Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen dergestalt, dass die erste Wicklungsanordnung eine erste magnetische Länge hat, und die induktive Kopplung der zweiten Wicklungsanordnung mit der ersten Wicklungsanordnung, indem der zweite Leiter um einen Schenkel von den mehreren Schenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen dergestalt gewickelt wird, dass die zweite Wicklungsanordnung zu der ersten magnetischen Länge eine im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge hat.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass die induktive Kopplung der zweiten Wicklungsanordnung mit der ersten Wicklungsanordnung den Schritt der spiralförmigen Wicklung des zweiten Leiters um einen Schenkel der mehreren Schenkel aufweist.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass der erste Leiter spiralförmig um den ersten Wicklungsschenkel dergestalt gewickelt wird, dass die erste Wicklungsanordnung eine erste axiale Länge hat, und der zweite Leiter spiralförmig um einen Schenkel von den mehreren Schenkeln dergestalt gewickelt wird, dass die zweite Wicklungsanordnung eine zweite Länge im Wesentlichen gleich
hat, wobei L_A die axiale Länge der ersten Wicklungsanordnung ist, N_A die erste Anzahl von Windungen ist und N_B die zweite Anzahl von Windungen ist.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass die induktive Kopplung der zweiten Wicklungsanordnung mit der ersten Wicklungsanordnung den Schritt der Wicklung des zweiten Leiters um einen von den mehreren Schenkeln dergestalt aufweist, dass mehrere Scheiben der Reihe nach entlang der axialen Länge des Schenkels ausgebildet werden.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass die zweite Wicklungsanordnung um einen Schenkel von den mehreren Schenkeln dergestalt gewickelt wird, dass die zweite Wicklungsanordnung eine erste axiale Länge hat, und dass die erste Wicklungsanordnung spiralförmig um den ersten Wicklungsschenkel dergestalt gewickelt wird, dass die erste Wicklungsanordnung eine zweite axiale, im Wesentlichen gleich
hat, wobei L_B die axiale Länge der zweiten Wicklungsanordnung ist, N_A die erste Anzahl von Windungen ist.
In noch einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Anordnen eines Transformators beschrieben. Das Verfahren beinhaltet die Bereitstellung eines einen Wicklungsschenkel beinhaltenden Magnetkerns, die Bereitstellung einer ersten Wicklungsanordnung mit mehreren ersten Lagen, die Bereitstellung einer zweiten Wicklungsanordnung mit mehreren zweiten Lagen und die konzentrische Wicklung der ersten und der zweiten Wicklungsanordnung um den Wicklungsschenkel des Magnetkerns in einer verschachtelten Ausgestaltung dergestalt, dass jede zweite Lage zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen angeordnet ist.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass jede von den ersten Lagen wenigstens einen ersten Leiter enthält, jede von den zweiten Lagen wenigstens einen zweiten Leiter enthält und dass die konzentrische Wicklung der ersten und zweiten Wicklungsanordnung um den Wicklungsschenkel des Magnetkerns eine spiralförmige Wicklung des ersten und zweiten Leiters um die Wicklungsschenkel des Magnetkerns in einem abwechselnden Muster dergestalt aufweist, dass jede zweite Lage zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen angeordnet ist.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass die erste und zweite Wicklungslage so gewickelt werden, dass jede von der ersten und zweite Lage durch wenigstens eine Isolationslage getrennt sind.
Jedes vorstehend erwähnte Verfahren kann beinhalten, dass der Schritt der konzentrischen Wicklung der ersten und zweiten Wicklungsanordnung um den Wicklungsschenkel des Magnetkerns den Schritt der Wicklung der zweiten Lagen in Paaren benachbarter zweiter Lagen dergestalt aufweist, dass keine ersten Lagen zwischen den benachbarten ein Paar bildenden zweiten Lagen angeordnet sind, und wobei wenigstens zwei erste Lagen zwischen benachbarten Paaren zweiter Lagen angeordnet sind.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines Transformators, der Wicklungsanordnungen mit im Wesentlichen gleichen magnetischen Längen enthält.
2 ist eine Teilseitenansicht eines herkömmlichen Transformators.
3 ist eine Seitenansicht eines alternativen Transformators der Wicklungsanordnungen mit im Wesentlichen gleichen magnetischen Längen enthält.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Transformators, der verschachtelte konzentrisch gewickelte Wicklungsanordnungen enthält.
5 ist eine schematische Querschnittsansicht des in 4 dargestellten Transformators.
6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen Transformators.
7 ist eine Auftragung der kumulativen Amperewindungen in einer Querschnittsfläche des in 5 dargestellten Transformators.
8 ist eine Auftragung der kumulativen Amperewindungen in einer Querschnittsfläche des in 6 dargestellten herkömmlichen Transformators.
9 ist ein Flussdiagramm eines Anordnungsverfahrens eines Transformators.
10 ist ein Flussdiagramm eines Anordnungsverfahrens eines Transformators.
Obwohl spezifische Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen dargestellt sein können und in anderen nicht, dient dieses nur der Vereinfachung. Es kann auf jedes Merkmal in jeder Zeichnung Bezug genommen werden und/oder dieses in Kombination mit jedem Merkmal jeder anderen Zeichnung beansprucht werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es werden exemplarische Ausführungsformen von streuverlustarmen Transformatoren hierin beschrieben. In einer Ausführungsform enthält ein Transformator einen Magnetkern, eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung. Der Magnetkern enthält mehrere einen ersten Wicklungsschenkel beinhaltende Schenkel. Die erste Wicklungsanordnung hat eine erste magnetische Länge und enthält einen ersten Leiter, der spiralförmig um den ersten Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt und enthält einen zweiten Leiter, der um einen von den mehreren Schenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die zweite Wicklungsanordnung hat eine zu der ersten magnetischen Länge im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge. In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Transformator einen Magnetkern, eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung. Der Magnetkern enthält einen Wicklungsschenkel. Die erste Wicklungsanordnung enthält mehrere erste Lagen und ist induktiv mit dem Magnetkern gekoppelt. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt und enthält mehrere zweite Lagen. Die erste und die zweite Wicklungsanordnung sind konzentrisch um den Wicklungsschenkel in einer verschachtelten Ausgestaltung gewickelt. Jede zweite Lage ist zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen angeordnet.
1 ist eine Seitenansicht eines Transformators 100, der einen Magnetkern 102, eine erste Wicklungsanordnung 104 und eine zweite Wicklungsanordnung 106 enthält. Der in 1 dargestellte Transformator 100 ist ein Kerntyptransformator, obwohl andere Transformatoren, wie z.B. Manteltransformatoren verwendet werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenlegung abzuweichen.
Der Magnetkern 102 enthält im Wesentlichen einen ersten und zweiten Wicklungsschenkel 108 und 110, die miteinander über obere und untere Abschnitte 112 und 114 eines Magnetkerns 102 gekoppelt sind. Zusammen bilden der erste und der zweite Wicklungsschenkel 108 und 110 und der obere und der untere Abschnitt 112 und 114 eine geschlossene Schleife für einen von der ersten und/oder zweiten Wicklungsanordnung 104 und 106 erzeugten magnetischen Fluss. In der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Magnetkern 102 aus Ferrit aufgebaut, obwohl jedes beliebige andere Material mit geeigneter magnetischer Permeabilität, das die Funktion des Transformators 100 wie hierin beschrieben ermöglicht, für den Magnetkern 102 verwendet werden kann. In der in 1 dargestellten Ausführungsform hat der Magnetkern 102 einen quadratischen Querschnitt. In alternativen Ausführungsformen kann der Magnetkern 102 einen kreisrunden Querschnitt, einen polygonalen Querschnitt oder jeden beliebigen anderen geeignet geformten Querschnitt haben, der die Funktion des Transformators 100 wie hierin beschrieben ermöglicht.
Die erste und die zweite Wicklungsanordnung 104 und 106 sind induktiv miteinander durch den Magnetkern 102 gekoppelt. Insbesondere enthält die erste Wicklungsanordnung 104 einen oder mehrere Leiter 116, die parallelgeschaltet und spiralförmig um den ersten Schenkel 108 unter Ausbildung einer Anzahl von Windungen N₁₀₄ um den ersten Schenkel 108 gewickelt sind. Ebenso enthält die zweite Wicklungsanordnung 106 einen oder mehrere Leiter 108, die parallelgeschaltet und spiralförmig um den zweiten Schenkel 110 unter Ausbildung einer Anzahl von Windungen N₁₀₆ um den zweiten Schenkel 110 gewickelt sind. Das Verhältnis von N₁₀₄ zu N₁₀₆ ist das Windungsverhältnis des Transformators 100 und kann so eingestellt werden, dass man eine erwünschte Erhöhung oder Verringerung zwischen einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung erhält.
In der in 1 dargestellten Ausführungsform enthält die erste Wicklungsanordnung 104 zwei Leiter 116, die parallelgeschaltet und spiralförmig um den ersten Schenkel 108 gewickelt sind. Jede Windung der ersten Wicklungsanordnung 104 enthält somit zwei Leiter 116. In alternativen Ausführungsformen kann die erste Wicklungsanordnung 104 mehr oder weniger Leiter 116, wie z.B. einen, drei, vier oder fünf Leiter oder jede beliebige geeignete Anzahl von Leitern enthalten, die eine Funktion des Transformators 100 wie hierin beschrieben ermöglichen. In der in 1 dargestellten Ausführungsform enthält die zweite Wicklungsanordnung 106 vier Leiter 118, die parallelgeschaltet und spiralförmig um den zweiten Schenkel 110 gewickelt sind. Jede Windung der zweiten Wicklungsanordnung 106 enthält somit vier Leiter 118. In alternativen Ausführungsformen kann die zweite Wicklungsanordnung 106 mehr oder weniger Leiter 118, wie z.B. einen, drei oder fünf Leiter oder jede beliebige geeignete Anzahl von Leitern enthalten, die eine Funktion des Transformators 100 wie hierin beschrieben ermöglichen.
In der 1 dargestellten Ausführungsform sind die Leiter 116 und 118 isolierter Kupferdraht, obwohl jeder beliebige andere geeignete elektrisch Leiter für die Leiter 116 und 118 verwendet werden kann, der eine Funktion des Transformators 100 wie hierin beschrieben ermöglicht.
In Betrieb sind das erste und zweite Anschlussende 120 und 122 der ersten Wicklungsanordnung 104 mit den positiven und negativen Anschlüssen einer (nicht dargestellten) Spannungsquelle verbunden, und das erste und zweite Anschlussende 124 und 126 der zweiten Wicklungsanordnung 106 sind mit den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen einer (nicht dargestellten) Last verbunden. Durch die erste Wicklungsanordnung 104 fließender Strom induziert einen Strom in der zweiten Wicklungsanordnung 106, der an die Last bei einer gewünschten Spannung geliefert wird. Alternativ kann die zweite Wicklungsanordnung 106 mit einer Spannungsquelle verbunden sein und die erste Wicklungsanordnung 104 kann mit einer Last verbunden sein.
Jede Wicklungsanordnung 104 und 106 hat eine axiale Länge L₁₀₄ und L₁₀₆. Wie in 1 dargestellt, ist die axiale Länge L₁₀₄ und L₁₀₆ jeder Wicklungsanordnung 104 und 106 die axiale Strecke (d.h., die Strecke entlang des entsprechenden Schenkels des Magnetkerns 102) zwischen gegenüberliegenden Enden des spiralförmig gewickelten Abschnittes der entsprechenden Wicklungsanordnung. Jede Wicklungsanordnung 104 und 106 hat eine magnetische Länge M₁₀₄ und M₁₀₆. Die magnetische Länge einer Wicklungsanordnung bezieht sich auf eine durchschnittliche axiale Länge des Kernschenkels, um welchen die Wicklungsanordnung gewickelt ist, der durch die Wicklungsanordnung abgedeckt oder bewickelt ist. Aufgrund der spiralförmigen Wicklung der ersten und der zweiten Wicklungsanordnung 104 und 106 gibt es Abschnitte 128 in der Nähe des oberen und unteren Bereichs jedes Schenkels 108 und 110 des Magnetkerns 102, die nur teilweise durch eine Wicklungsanordnung bewickelt sind. Demzufolge sind die magnetischen Längen M₁₀₄ und M₁₀₆ der spiralförmig gewickelten Wicklungsanordnungen 104 und 106 kleiner als die entsprechenden axialen Längen L₁₀₄ und L₁₀₆.
Die magnetischen Längen M₁₀₄ und M₁₀₆ der Wicklungsanordnungen 104 und 106 können auf der Basis axialer Längen L₁₀₄ und L₁₀₆ der Wicklungsanordnungen 104 und 106 ermittelt werden. Insbesondere ist die magnetische Länge M₁₀₄ der ersten Wicklungsanordnung 104 gleich
ist, wobei L₁₀₄ die axiale Länge der ersten Wicklungsanordnung 104 und N₁₀₄ die Anzahl der Windungen der ersten Wicklungsanordnung 104 ist. Ebenso ist die magnetische Länge M₁₀₆ der zweiten Wicklungsanordnung 106 gleich
ist, wobei L₁₀₆ die axiale Länge der zweiten Wicklungsanordnung 106 und N₁₀₆ die Anzahl der Windungen der zweiten Wicklungsanordnung 104 ist.
Die teilweise bewickelten Abschnitte 128 des Transformators 100 sind für wenigstens einen Teil der Streuverluste verantwortlich, die den Wirkungsgrad des Transformators 100 begrenzen. Streuverluste bezüglich der teilweise bewickelten Abschnitte 128 werden verstärkt, wenn sich die magnetische Länge einer Wicklungsanordnung von der magnetischen Länge einer zweiten Wicklungsanordnung unterscheidet.
2 ist eine Teilseitenansicht eines herkömmlichen Transformators 200. Der herkömmliche Transformator ist dergestalt aufgebaut, dass die erste und zweite Wicklung 202 und 204 dieselbe axiale Abmessung L₂₀₂ und L₂₀₄ haben. Da die erste und die zweite Wicklung 202 und 204 unterschiedliche physikalische Eigenschaften (z.B. Anzahl der Windungen, Abmessung des Leiters, Anzahl der Leiter pro Windung usw.) haben, sind die magnetischen Längen M₂₀₂ und M₂₀₄ jeder Wicklung 202 und 204 unterschiedlich. Somit verstärkt der Aufbau des herkömmlichen Transformators 200 Verluste in Verbindung mit teilweise bewickelten Abschnitten 128.
Gemäß nochmaligem Bezug auf 1 ist der Transformator 100 dergestalt angeordnet, dass die erste und die zweite Wicklungsanordnung 104 und 106 im Wesentlichen gleiche magnetische Längen M₁₀₄ und M₁₀₆ haben. Insbesondere beruht die axiale Länge L₁₀₆ der zweiten Wicklungsanordnung 106 auf der magnetischen Länge M₁₀₄ der ersten Wicklungsanordnung 104, welche wiederum auf der axialen Länge L₁₀₄ der ersten Wicklungsanordnung 104 beruht. Unter Verwendung der vorstehenden Beziehungen zwischen der axialen Länge einer gegebenen Wicklungsanordnung und der magnetischen Länge einer gegebenen Wicklungsanordnung kann die axiale Länge L₁₀₆ der zweiten Wicklungsanordnung 106 gemäß der nachstehenden Gleichung gewählt werden:
wobei L₁₀₄ die axiale Länge der ersten Wicklungsanordnung 104 ist, N₁₀₆ die Anzahl von Windungen in der zweiten Wicklungsanordnung 106 ist und N₁₀₄ die Anzahl von Windungen in der ersten Wicklungsanordnung 104 ist. Alternativ kann die axiale Länge L₁₀₄ der ersten Wicklungsanordnung 104 auf der axialen Länge L₁₀₆ der zweiten Wicklungsanordnung 106 beruhen. Demzufolge sind die magnetischen Längen M₁₀₄ und M₁₀₆ der ersten und zweiten Wicklungsanordnungen 104 und 106 im Wesentlichen zueinander gleich. Daher verbessert der Aufbau des Transformators 100 den Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Transformatoren durch die Verringerung von Streuverlusten.
Obwohl der Transformator 100 mit zwei Wicklungsanordnungen und zwei Wicklungsschenkeln dargestellt ist, ist der Transformator 100 nicht auf die in 1 veranschaulichte spezifische Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann der Transformator 100 in alternativen Ausführungsformen mehr als zwei Wicklungsanordnungen mit im Wesentlichen gleichen magnetischen Längen enthalten. Die Wicklungsanordnungen können um denselben Wicklungsschenkel oder andere Wicklungsschenkel gewickelt sein. In noch weiteren alternativen Ausführungsformen kann der Transformator 100 nur einen Wicklungsschenkel enthalten, oder der Transformator 100 kann mehr als zwei Wicklungsschenkel enthalten.
3 ist eine Seitenansicht eines alternativen Transformators 300, der zur Minimierung von Streuverlusten ausgelegt ist. Der Transformator 300 ist im Wesentlichen dem (in 1 dargestellten) Transformator 100 mit der Ausnahme ähnlich, dass der Transformator 300 eine scheibenartige Wicklungsanordnung enthält. Somit sind in 3 dargestellte Komponenten mit denselben Bezugszeichen wie den in 1 verwendeten bezeichnet.
Die zweite Wicklungsanordnung 302 des Transformators 300 ist eine scheibenartige Wicklungsanordnung. Insbesondere enthält die zweite Wicklungsanordnung 302 um einen zweiten Schenkel 110 gewickelten einen Leiter 304, um mehrere Scheiben 306 auszubilden, die der Reihe nach entlang der axialen Länge des zweiten Schenkels 110 angeordnet sind. Jede Scheibe 306 wird durch eine oder mehrere konzentrische Lagen des Leiters 304 ausgebildet, der sich in einer radialen Richtung in Bezug auf die Längsachse des zweiten Schenkels 110 erstreckt. Jede Lage entspricht einer Windung der zweiten Wicklungsanordnung 302 um den zweiten Schenkel 110. Die zweite Wicklungsanordnung 302 ist um den zweiten Schenkel 110 mit insgesamt N₃₀₂ Windungen gewickelt. Die Scheiben 306 sind in Reihe geschaltet und sind abwechselnd von innen nach außen und von der außen nah innen derart gewickelt, dass die Scheiben 306 aus nur einem einzigen Leiter gebildet werden.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform ist der Leiter 304 ein isoliertes Kupferband, obwohl jeder andere geeignete elektrische Leiter für den Leiter verwendet werden kann, der eine Funktion des Transformators 300 wie hierin beschrieben ermöglicht.
Ähnlich zu dem Transformator 300 sind im Betrieb das erste und zweite Anschlussende 120 und 122 der ersten Wicklungsanordnung 104 mit dem positiven und negativen Anschluss einer (nicht dargestellten) Spannungsquelle verbunden, und das erste und zweite Anschlussende 308 und 310 der zweiten Wicklungsanordnung 302 sind mit dem Eingangs- und Ausgangsanschluss einer (nicht dargestellten) Last verbunden. Durch die erste Wicklungsanordnung 104 fließender Strom induziert einen Strom in der zweiten Wicklungsanordnung 302, welcher bei einer gewünschten Spannung an die Last geliefert wird. Alternativ kann die zweite Wicklungsanordnung 302 mit einer Spannungsquelle verbunden sein und die erste Wicklungsanordnung 104 kann mit einer Last verbunden sein.
Ähnlich zu der ersten und zweiten Wicklungsanordnung 104 und 106 des Transformators 100 hat die zweite Wicklungsanordnung 302 eine axiale Länge L₃₀₂ und eine magnetische Länge M₃₀₂. Da die zweite Wicklungsanordnung 302 eine scheibenartige Wicklungsanordnung ist, gibt es keine teilweise bewickelten Abschnitte 128 des zweiten Schenkels 110 des Magnetkerns 102. Demzufolge sind die axiale Länge L₃₀₂ und die magnetische Länge M₃₀₂ im Wesentlichen gleich.
Ähnlich zu dem Transformator 100 ist der Transformator 300 dergestalt angeordnet, dass die erste und die zweite Wicklungsanordnung 104 und 302 im Wesentlichen gleiche magnetische Längen M₁₀₄ und M₃₀₂ haben. Insbesondere beruht die axiale Länge L₃₀₂ der zweiten Wicklungsanordnung 302 auf der magnetischen Länge M₁₀₄ der ersten Wicklungsanordnung 104, welche wiederum auf der axialen Länge L₁₀₄ der ersten Wicklungsanordnung 104 basiert. Unter Verwendung der vorstehenden Beziehungen zwischen der axialen Länge einer gegebenen Wicklungsanordnung und der magnetischen Länge einer gegebenen Wicklungsanordnung kann die axiale Länge L₃₀₂ der zweiten Wicklungsanordnung 302 gemäß der nachstehenden Gleichung gewählt werden:
wobei L₁₀₄ die axiale Länge der ersten Wicklungsanordnung 104 und N₁₀₄ die Anzahl von Windungen in der ersten Wicklungsanordnung 104 ist. Alternativ kann die axiale Länge L₁₀₄ der ersten Wicklungsanordnung 104 auf der axialen Länge L₃₀₂ der zweiten Wicklungsanordnung 302 beruhen. In derartigen Ausführungsformen kann die axiale Länge L₁₀₄ der ersten Wicklungsanordnung 104 gemäß der nachstehenden Gleichung gewählt werden:
wobei L₃₀₂ die axiale Länge der zweiten Wicklungsanordnung 302 und N₁₀₄ die Anzahl von Windungen in der ersten Wicklungsanordnung 104 ist. Demzufolge kann der Transformator 300 dergestalt angeordnet sein, dass die magnetische Länge M₁₀₄ und M₃₀₂ der ersten und zweiten Wicklungsanordnungen 104 und 304 im Wesentlichen gleich zueinander sind. Daher verbessert der Aufbau des Transformators 300 den Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Transformatoren durch die Verringerung von Streuverlusten.
Obwohl der Transformator 300 mit zwei Wicklungsanordnungen und zwei Wicklungsschenkeln dargestellt ist, ist der Transformator 300 nicht auf die in 3 dargestellte spezifische Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann der Transformator 300 in alternativen Ausführungsformen mehr als zwei Wicklungsanordnungen mit im Wesentlichen gleichen magnetischen Längen enthalten. Die Wicklungsanordnungen können um denselben Wicklungsschenkel oder unterschiedliche Wicklungsschenkel gewickelt sein. In noch weiteren alternativen Ausführungsformen kann der Transformator 300 nur einen Wicklungsschenkel enthalten, oder der Transformator 300 kann mehr als zwei Wicklungsschenkel enthalten.
In 4 ist ein zur Minimierung von Streuverlusten ausgelegter alternativer Transformator insgesamt mit 400 bezeichnet. Der Transformator enthält einen Magnetkern 402, eine erste Wicklungsanordnung 404 und eine zweite Wicklungsanordnung 406. Ein Abschnitt der ersten und zweiten Wicklungsanordnung 404 und 406 wurde zur Veranschaulichung entfernt. Der Magnetkern 402 enthält einen ersten Schenkel 408, einen zweiten Schenkel 410 und einen dritten Schenkel 412, die jeweils miteinander durch gegenüberliegende obere und untere Abschnitte 414 und 416 gekoppelt sind. In der in 4 dargestellten Ausführungsform wird der zweite Schenkel 410 des Magnetkerns 402 als der Wicklungsschenkel verwendet. In alternativen Ausführungsformen kann jeder Schenkel des Magnetkerns 402 als ein Wicklungsschenkel verwendet werden. In noch weiteren alternativen Ausführungsformen kann mehr als nur ein Schenkel des Magnetkerns 402 als ein Wicklungsschenkel verwendet werden.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist der Magnetkern 402 aus Ferrit aufgebaut, obwohl jedes andere Material mit geeigneter magnetischer Permeabilität, das eine Funktion des Transformators 400 wie hierin beschrieben ermöglicht, für den Magnetkern 402 verwendet werden kann. In der in 4 dargestellten Ausführungsform hat der Magnetkern 402 einen quadratischen Querschnitt. In alternativen Ausführungsformen kann der Magnetkern 402 einen kreisrunden Querschnitt, einen polygonalen Querschnitt oder jeden beliebigen anderen geeignet geformten Querschnitt haben, der eine Funktion des Transformators 400 wie hierin beschrieben ermöglicht.
Die erste Wicklungsanordnung 404 und die zweite Wicklungsanordnung 406 sind konzentrisch um den zweiten Schenkel 410 des Magnetkerns 402 gewickelt. Die erste und die zweite Wicklungsanordnung 404 und 406 sind auch koaxial zu einer Längsachse 418 des zweiten Schenkels 410 des Magnetkerns 402 ausgerichtet. Die erste und die zweite Wicklungsanordnung 404 und 406 sind somit durch den Magnetkern 402 miteinander induktiv gekoppelt.
Die erste Wicklungsanordnung 404 enthält mehrere erste Lagen 420, die jeweils durch ein einzelnes zusammenhängendes Stück aus leitendem Material gebildet werden. In der in 4 und 5 dargestellten Ausführungsform wird ein (in 5 dargestellter) als erster Leiter 502 bezeichneter Leiter als das leitende Material verwendet. Der erste Leiter 502 ist um den zweiten Schenkel 410 des Magnetkerns 402 dergestalt gewickelt, dass jede erste Lage 420 der ersten Wicklungsanordnung 404 dieselbe Ausrichtung in Bezug auf eine erste Ausrichtung hat. Somit ist die erste Wicklungsanordnung 404 um den zweiten Schenkel 410 in einer ersten Ausrichtung gewickelt.
In der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsform ist der erste Leiter 502 spiralförmig um den zweiten Schenkel 410 des Magnetkerns 402 gewickelt. In alternativen Ausführungsformen kann der erste Leiter 502 in jeder beliebigen geeignet geschichteten oder verschachtelten Ausgestaltung gewickelt sein, die eine Funktion des Transformators 400 wie hierin beschrieben ermöglicht. Beispielsweise kann der erste Leiter 502 als eine scheibenartige Wicklung gewickelt sein, wie es vorstehend detaillierter unter Bezugnahme auf 3 beschrieben und dargestellt wurde.
Die zweite Wicklungsanordnung 406 enthält mehrere zweite Lagen 422, die jeweils von einem einzelnen zusammenhängenden Stück aus leitendem Material gebildet werden. In der in 4 und 5 dargestellten Ausführungsform wird ein (in 5 dargestellter) als zweiter Leiter 504 bezeichneter Leiter als das leitende Material verwendet. Der zweite Leiter 504 ist um den zweiten Schenkel 410 des Magnetkerns 402 dergestalt gewickelt, dass jede zweite Lage 422 der zweiten Wicklungsanordnung 406 dieselbe Ausrichtung in Bezug auf eine zweite Ausrichtung hat. In der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsform ist der zweite Leiter 504 spiralförmig um den zweiten Schenkel 410 des Magnetkerns 402 gewickelt. In alternativen Ausführungsformen kann der zweite Leiter 504 in jeder beliebigen geeignet geschichteten oder verschachtelten Ausgestaltung gewickelt sein, die eine Funktion des Transformators 400 wie hierin beschrieben ermöglicht. Beispielsweise kann der zweite Leiter 504 als eine scheibenartige Wicklung gewickelt sein, wie es vorstehend detaillierter unter Bezugnahme auf 3 beschrieben und dargestellt wurde.
Der zweite Leiter 504 ist dergestalt gewickelt, dass die Ausrichtung jeder zweiten Lage 422 der zweiten Wicklungsanordnung 406 im Wesentlichen entgegengesetzt zu der Ausrichtung der ersten Lage 402 der ersten Wicklungsanordnung 404 ist. Somit ist die zweite Wicklungsanordnung 406 um den zweiten Schenkel 410 des Magnetkerns 402 in einer zweiten Ausrichtung gewickelt, die im Wesentlichen entgegengesetzt zur ersten Ausrichtung der ersten Wicklungsanordnung 404 ist. In der in 4 dargestellten Ausführungsform ist die erste Wicklungsanordnung 404 die primäre Wicklungsanordnung und die zweite Wicklungsanordnung 406 ist die sekundäre Wicklungsanordnung. In alternativen Ausführungsformen kann die zweite Wicklungsanordnung 406 als die primäre Wicklung verwendet werden und die erste Wicklungsanordnung 404 kann als die sekundäre Wicklungsanordnung verwendet werden.
In der in 4 dargestellten Ausführungsform sind der Leiter 502 und 504 isolierter Kupferdraht, obwohl jeder andere geeignet leitende elektrische Leiter, der eine Funktion des Transformators 400 wie hierin beschrieben ermöglicht, für den Leiter 502 und 504 verwendet werden kann.
Gemäß Darstellung in 4 sind die erste und die zweite Wicklungsanordnung 404 und 406 konzentrisch um den zweiten Schenkel 410 des Magnetkerns 402 in einer verschachtelten oder abwechselnden Anordnung gewickelt. Mit anderen Worten, eine oder mehrere erste Lagen 420 sind zwischen einer oder mehreren zweiten Lagen 422 in einem sich wiederholenden Muster angeordnet, während sich die erste und die zweite Wicklungsanordnung 404 und 406 von dem Magnetkern 402 radial nach außen erstrecken. In der in 4 dargestellten Ausführungsform sind zwei Lagen 420 der ersten Wicklungsanordnung 404 zwischen jeweils zwei benachbarten Lagen 422 der zweiten Wicklungsanordnung 406 angeordnet. In alternativen Ausführungsformen können die erste und die zweite Wicklungsanordnung 404 und 406 in alternativen verschachtelten oder abwechselnden Mustern gewickelt sein. Beispielsweise können die erste und die zweite Wicklungsanordnung 404 und 406 dergestalt gewickelt sein, dass jede zweite Lage 422 zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen 420 angeordnet ist.
Obwohl der Transformator 400 mit zwei Wicklungsanordnungen und einem Wicklungsschenkel dargestellt ist, ist der Transformator 400 nicht auf die in 4 veranschaulichte spezifische Ausführungsform beschränkt. Beispielsweise kann der Transformator 400 in alternativen Ausführungsformen mehr als einen Wicklungsschenkel wie z.B. zwei, drei, vier, oder sogar fünf Wicklungsschenkel enthalten. In weiteren alternativen Ausführungsformen kann der Transformator 400 mehr als zwei Wicklungsanordnungen enthalten, die in einer verschachtelten Ausgestaltung gewickelt sind. Die Wicklungsanordnungen können um den denselben Wicklungsschenkel oder verschiedene Wicklungsschenkel gewickelt sein.
5 und 6 sind schematische Querschnittsdarstellungen des in 4 dargestellten Transformators 400 bzw. eines herkömmlichen Transformators 600. Gemäß Darstellung in 5 ist jede Lage 420 und 422 von einer anderen durch wenigstens eine isolierende Lage 506 getrennt. Jede isolierende Lage 506 kann eine getrennte Komponente in dem Transformator 400 sein, oder die isolierende Lage 506 kann eine integrierte Komponente entweder der ersten oder der zweiten Lage 420 und 422 sein. Beispielsweise kann jede isolierende Lage 506 aus einer elektrischen Isolation ausgebildet sein, die jeden Leiter 502 und 504 umgibt. In der in 5 dargestellten Ausführungsform werden die isolierenden Lagen 506 durch Luftspalte zwischen den Lagen 420 und 422 gebildet.
Die Richtung des durch jeden Leiter 502 und 504 fließenden Stroms in jeder ersten und zweiten Lage 420 und 422 wird durch ein "x" dargestellt, das einen in die Seite hineinfließenden Strom anzeigt oder durch ein "•", der einen aus der Seite heraus fließenden Strom anzeigt. Gemäß Darstellung in 4 fließt der durch jede erste Lage 420 fließende Strom in einer im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung zu dem durch die zweite Lage 422 fließenden Strom.
In 6 sind die Wicklungsanordnungen 602 und 604 des herkömmlichen Transformators 600 nicht in einer abwechselnden oder verschachtelten Ausgestaltung angeordnet. Stattdessen ist eine Wicklungsanordnung 602 vollständig innerhalb der anderen Wicklungsanordnung 604 angeordnet.
7 und 8 sind Auftragungen der kumulativen Amperewindungen in einer gegebenen Querschnittsfläche, die sich in einer Richtung rechtwinklig zu dem Wicklungsschenkel des in den 4 und 5 dargestellten Transformators 400 bzw. des in 6 dargestellten herkömmlichen Transformators 600 erstrecken. Die Anzahl kumulativer Amperewindungen in den Wicklungen eines Transformators steht in direktem Bezug zu dem Leckagefluss in den Wicklungen, welcher für einen signifikanten Anteil der Streuverluste in einem gegebenen Transformator verantwortlich ist. Insbesondere ist der Leckagefluss in den Wicklungen eines Transformators eine Funktion der Fläche unter den in den 7 und 8 dargestellten Kurven. Somit zeigt eine größere Fläche unter den in 7 und 8 dargestellten Kurven einen höheren Leckagefluss an.
Gemäß Darstellung in 8 nimmt die Anzahl kumulativer Amperewindungen im herkömmlichen Transformator 600 zu, da jede aufeinanderfolgende Lage der ersten Wicklungsanordnung 602 berücksichtigt wird. Da der durch jede Lage der ersten Wicklungsanordnung 602 fließende Strom in derselben Richtung fließt, trägt jede Lage der ersten Wicklungsanordnung 602 zu der Anzahl kumulativer Amperewindungen bei. Die kumulative Anzahl von Amperewindungen im herkömmlichen Transformator 600 erreicht ein Maximum an der äußersten Lage der ersten Wicklungsanordnung 602. An diesem Punkt beginnt der in den Lagen der zweiten Wicklungsanordnung 604 entgegengesetzt fließende Strom mit der Kompensation der Amperewindungen aus der ersten Wicklungsanordnung 602, und verringert dadurch die kumulativen Amperewindungen.
Gemäß 7 verringert die abwechselnde Anordnung der ersten und zweiten Wicklungsanordnung 404 und 406 die Spitzenanzahl kumulativer Amperewindungen im Vergleich zum herkömmlichen Transformator 600. Insbesondere werden mit jeder Wiederholung des abwechselnden Musters der ersten und zweiten Schicht 420 und 422 der ersten und zweiten Wicklungsanordnung 404 und 406 die Amperewindungen der ersten Wicklungsanordnung 404 durch die Amperewindungen der zweiten Wicklungsanordnung 406 aufgrund des im Wesentlichen in entgegengesetzter Richtung fließenden Stroms kompensiert. Demzufolge wird die Fläche unter der Kurve der kumulativen Amperewindungen verringert, was eine Verringerung in dem Leckagefluss in den Wicklungen des Transformators 400 im Vergleich zum herkömmlichen Transformator 600 anzeigt. Daher verbessern der Aufbau und die Gestaltung des Transformators 400 den Wirkungsgrad gegenüber herkömmlichen Transformatoren durch eine Verringerung von Streuverlusten.
9 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 900 zum Anordnen eines Transformators, wie z.B. des in 1 dargestellten Transformators 100. Ein Magnetkern, wie z.B. der Magnetkern 102 wird bereitgestellt, 902. Der Magnetkern enthält mehrere Schenkel einschließlich eines ersten Wicklungsschenkels. Eine erste Wicklungsanordnung, wie z.B. die erste Wicklungsanordnung 904 wird bereitgestellt, 904. Die erste Wicklungsanordnung enthält einen ersten Leiter. Eine zweite Wicklungsanordnung, wie z.B. die zweite Wicklungsanordnung 106 wird bereitgestellt, 906. Die zweite Wicklungsanordnung enthält einen zweiten Leiter. Die erste Wicklungsanordnung ist induktiv mit dem Magnetkern durch spiralförmige Wicklung des ersten Leiters um den Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen dergestalt gekoppelt, 908, dass die erste Wicklungsanordnung eine erste magnetische Länge hat. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit ersten Wicklungsanordnung durch Wicklung des zweiten Leiters um einen Schenkel von den mehreren Wicklungsschenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen dergestalt gekoppelt, 910, dass die zweite Wicklungsanordnung eine zur ersten magnetischen Länge im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge hat.
10 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens 1000 zum Anordnen eines Transformators, wie z.B. des in 4 dargestellten Transformators 400. Ein Magnetkern, wie z.B. der Magnetkern 402 wird bereitgestellt, 1002. Der Magnetkern enthält einen Wicklungsschenkel. Eine erste Wicklungsanordnung, wie z.B. die erste Wicklungsanordnung 404 wird bereitgestellt, 1004. Die erste Wicklungsanordnung enthält mehrere erste Lagen. Eine zweite Wicklungsanordnung, wie z.B. die zweite Wicklungsanordnung 406 wird bereitgestellt, 1006. Die zweite Wicklungsanordnung enthält mehrere zweite Lagen. Die erste und zweite Wicklungsanordnung werden konzentrisch um den Wicklungsschenkel des Magnetkerns in einer verschachtelten Ausgestaltung derart gewickelt 1008, dass jede zweite Lage zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen angeordnet ist.
Es sind hierin exemplarische Ausführung von streuarmen Transformatoren beschrieben. In einer Ausführungsform enthält der Transformator einen Magnetkern, eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung. Der Magnetkern enthält mehrere einen ersten Wicklungsschenkel beinhaltende Schenkel. Die erste Wicklungsanordnung hat eine erste magnetische Länge und enthält einen ersten Leiter, der spiralförmig um den ersten Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt und enthält einen zweiten Leiter, der um einen von den mehreren Schenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die zweite Wicklungsanordnung hat eine zu der ersten magnetischen Länge im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge. In einer weiteren Ausführungsform enthält ein Transformator einen Magnetkern, eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung. Der Magnetkern enthält einen Wicklungsschenkel. Die erste Wicklungsanordnung enthält mehrere erste Lagen und ist induktiv mit dem Magnetkern gekoppelt. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt und enthält mehrere zweite Lagen. Die erste und die zweite Wicklungsanordnung sind konzentrisch um den Wicklungsschenkel in einer verschachtelten Ausgestaltung gewickelt. Jede zweite Lage ist zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen angeordnet.
Im Vergleich zu wenigstens einigen Transformatoren nutzt in den hierin beschriebenen Systemen und Verfahren ein Transformator Wicklungsanordnungen mit im Wesentlichen gleichen magnetischen Längen. Wicklungsanordnungen mit im Wesentlichen gleichen magnetischen Längen reduzieren Streuverluste in Verbindung mit teilweise bewickelten Abschnitten eines Magnetkerns. Demzufolge haben Transformatoren, welche Wicklungen mit im Wesentlichen gleicher magnetischer Länge verwenden, geringere Streuverluste und einen verbesserten Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren. Zusätzlich nutzt in den hierin beschriebenen Systemen und Verfahren ein Transformator konzentrische Wicklungsanordnungen, die in einer abwechselnden oder verschachtelten Ausgestaltung angeordnet sind. In in abwechselnder oder verschachtelter Anordnung angeordnete konzentrische Wicklungsanordnungen kompensieren die Amperewindungen einer Wicklungsanordnung, die Amperewindungen der anderen Wicklungsanordnung, und reduzieren dadurch die Spitzenanzahl kumulativer Amperewindungen und dementsprechend Streuverluste in Verbindung mit dem Leckagefluss in den Transformatorwicklungen. Demzufolge haben Transformatoren, welche in einer abwechselnden oder verschachtelten Ausgestaltung angeordnete konzentrische Wicklungsanordnungen verwenden, geringere Streuverluste und einen verbesserten Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren.
Zusätzlich ermöglicht die Verwendung von Wicklungsanordnungen mit im Wesentlichen gleichen magnetischen Längen und/oder konzentrisch gewickelten Wicklungsanordnungen, die in einer verschachtelten Ausgestaltung angeordnet sind, den Bau leichterer, kompakterer Transformatoren. Da diese Designs Streuverluste im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren verringern, wird weniger Wärme während des Betriebs erzeugt. Demzufolge können Transformatoren einen leichteren kompakteren Aufbau haben, da weniger Wärme während des Betriebs abgeführt werden muss. Dieses ist insbesondere ein erheblicher Vorteil für Transformatoren, die Spannungen an nicht-lineare Lasten, wie z.B. elektronische Geräte liefern, da derartige Transformatoren oft deutlich überdimensioniert sind, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Obwohl spezifische Merkmale verschiedener Ausführungsformen der Erfindung in einigen Zeichnungen dargestellt sein können und in anderen nicht, dient dieses nur der Vereinfachung. Gemäß den Prinzipien der Erfindung kann auf jedes Merkmal einer Zeichnung Bezug genommen werden und/oder dieses in Kombination mit jedem Merkmal jeder anderen Zeichnung beansprucht werden.
Diese Beschreibung nutzt Beispiele, um die Erfindung einschließlich ihrer besten Ausführungsart offenzulegen und um auch jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Nutzung aller Elemente und Systeme und der Durchführung aller einbezogenen Verfahren in die Praxis umzusetzen. Der patentfähige Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele umfassen, die für den Fachmann ersichtlich sind. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Schutzumfang der Erfindung enthalten sein, sofern sie strukturelle Elemente besitzen, die sich nicht von dem Wortlaut der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Änderungen gegenüber dem Wortlaut der Ansprüche enthalten.
Ein Transformator enthält einen Magnetkern, eine erste Wicklungsanordnung und eine zweite Wicklungsanordnung. Der Magnetkern enthält mehrere einen ersten Wicklungsschenkel beinhaltende Schenkel. Die erste Wicklungsanordnung enthält einen ersten Leiter, der spiralförmig um den ersten Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die erste Wicklungsanordnung hat eine erste magnetische Länge. Die zweite Wicklungsanordnung enthält einen zweiten Leiter, der um einen von den mehreren Schenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen gewickelt ist. Die zweite Wicklungsanordnung ist induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt und hat eine zu der ersten magnetischen Länge im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge.
Bezugszeichenliste

100: Transformator
102: Magnetkern
104: erste Wicklungsanordnung
106: zweite Wicklungsanordnung
108: erster Wicklungsschenkel
110: zweiter Wicklungsschenkel
112: oberer Abschnitt des Magnetkerns
114: unterer Abschnitt des Magnetkerns
116: Leiter
118: Leiter
120: erstes Anschlussende der ersten Wicklungsanordnung
122: zweites Anschlussende der zweiten Wicklungsanordnung
124: erstes Anschlussende der zweiten Wicklungsanordnung
126: zweites Anschlussende der zweiten Wicklungsanordnung
128: teilweise bewickelter Abschnitt
200: herkömmlicher Transformator
202: erste Wicklung
204: zweite Wicklung
300: Transformator
302: zweite Wicklungsanordnung
304: zweiter Leiter
306: Lagen
308: erstes Anschlussende der zweiten Wicklungsanordnung
310: zweites Anschlussende der zweiten Wicklungsanordnung
400: Transformator
402: Magnetkern
404: erste Wicklungsanordnung
406: zweite Wicklungsanordnung
408: erster Schenkel
410: zweiter Schenkel
412: dritter Schenkel
414: oberer Abschnitt des Magnetkerns
416: unterer Abschnitt des Magnetkerns
418: Längsachse des zweiten Schenkels
420: erste Lagen
422: zweite Lagen
502: erster leitender Draht
504: zweiter leitender Draht
506: isolierende Lage
600: herkömmlicher Transformator
602: erste Wicklungsanordnung
604: zweite Wicklungsanordnung

Claims

Transformator, aufweisend: einen Magnetkern mit mehreren einen ersten Wicklungsschenkel beinhaltenden Schenkeln; eine erste Wicklungsanordnung, die einen ersten Leiter aufweist, der spiralförmig um den ersten Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen gewickelt ist, wobei die erste Wicklungsanordnung eine erste magnetische Länge hat; und eine zweite Wicklungsanordnung, die induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt ist, wobei die zweite Wicklungsanordnung einen zweiten Leiter aufweist, der um einen von den mehreren Schenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen gewickelt ist, wobei die zweite Wicklungsanordnung eine zu der ersten magnetischen Länge im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge.
Transformator nach Anspruch 1, wobei die zweite Wicklungsanordnung um den ersten Wicklungsschenkel und die erste Wicklungsanordnung herum gewickelt ist.
Transformator nach Anspruch 1, wobei der zweite Leiter spiralförmig um einen von den mehreren Schenkeln gewickelt ist.
Transformator nach Anspruch 3, wobei die erste Wicklungsanordnung eine erste axiale Länge hat, während die zweite Wicklungsanordnung eine zweite axiale Länge im Wesentlichen gleich
hat, wobei L_A die axiale Länge der ersten Wicklungsanordnung ist, N_A die erste Anzahl von Windungen ist und N_B die zweite Anzahl von Windungen ist.
Transformator nach Anspruch 1, wobei der zweite Leiter eine scheibenartige Wicklungsanordnung ist.
Transformator nach Anspruch 5, wobei die zweite Wicklungsanordnung eine erste axiale Länge hat, während die erste Wicklungsanordnung eine zweite axiale Länge im Wesentlichen gleich
hat, wobei L_B die axiale Länge der zweiten Wicklungsanordnung ist, N_A die erste Anzahl von Windungen ist.
Transformator, aufweisend: einen Magnetkern mit einem Wicklungsschenkel; eine erste Wicklungsanordnung, die mehrere erste Lagen aufweist, wobei die erste Wicklungsanordnung induktiv mit dem Magnetkern gekoppelt ist; und eine zweite Wicklungsanordnung, die induktiv mit der ersten Wicklungsanordnung gekoppelt ist, wobei die zweite Wicklungsanordnung mehrere zweite Lagen aufweist, wobei die erste und die zweite Wicklungsanordnung konzentrisch um den Wicklungsschenkel in einer verschachtelten Ausgestaltung gewickelt sind, wobei jede zweite Lage zwischen wenigstens zwei benachbarten ersten Lagen angeordnet ist.
Transformator nach Anspruch 7, wobei jede von den ersten Lagen wenigstens einen ersten Leiter aufweist, der spiralförmig um den Wicklungsschenkel gewickelt ist, und jede von den zweiten Lagen wenigstens einen zweiten Leiter aufweist, der spiralförmig um den Wicklungsschenkel gewickelt ist.
Transformator nach Anspruch 7, wobei jede von der ersten und zweiten Lage durch wenigstens eine Isolationslage getrennt ist; und/oder wobei die erste und zweite Wicklungsanordnung koaxial zu einer Längsachse des Wicklungsschenkels ausgerichtet ist; und/oder wobei die mehreren zweiten Lagen zu Paaren benachbarter zweiter Lagen gewickelt sind, wobei keine ersten Lagen zwischen den benachbarten ein Paar bildenden zweiten Lagen angeordnet sind, und wobei wenigstens zwei erste Lagen zwischen benachbarten Paaren zweiter Lagen angeordnet sind.
Verfahren zum Anordnen eines Transformators; wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bereitstellen eines Magnetkerns mit mehreren einen ersten Wicklungsschenkel beinhaltenden Schenkeln; Bereitstellen einer ersten Wicklungsanordnung mit einem ersten Leiter; Bereitstellen einer zweiten Wicklungsanordnung mit einem zweiten Leiter; induktives Koppen der ersten Wicklungsanordnung mit dem Magnetkern durch spiralförmiges Wickeln des ersten Leiters um den ersten Wicklungsschenkel mit einer ersten Anzahl von Windungen dergestalt, dass die erste Wicklungsanordnung eine erste magnetische Länge hat; und induktives Koppeln der zweiten Wicklungsanordnung mit der ersten Wicklungsanordnung, indem der zweite Leiter um einen Schenkel von den mehreren Schenkeln mit einer zweiten Anzahl von Windungen dergestalt gewickelt wird, dass die zweite Wicklungsanordnung eine zu der ersten magnetischen Länge im Wesentlichen gleiche zweite magnetische Länge hat.