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Die Erfindung betrifft einen Transformator umfassend eine erste Spule und wenigstens eine zweite Spule, welche jeweils den Umfang eines gemeinsamen, sich entlang einer Längsachse erstreckenden Kerns umgeben. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Schaltungsanordnung sowie eine Magnetresonanzbildgebungseinrichtung.
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In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, einen Transformator mit einer hohen Schaltfrequenz zu betreiben, damit beispielsweise der Platzbedarf des Transformators minimiert werden kann und/oder damit eine kostengünstige Herstellung des Transformators und/oder einer den Transformator umfassenden elektrischen Schaltungsanordnung ermöglicht wird. Ein solcher Anwendungsfall kann beispielsweise bei in Schaltnetzteilen verwendeten Transformatoren gegeben sein.
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Bei hohen Schaltfrequenzen kommt es jedoch aufgrund des Skin-Effekts zu einer Leitung des elektrischen Wechselstroms an einer Oberfläche der Spulen des Transformators, sodass die Querschnittsfläche der zur Bildung der Spulen verwendeten Leiter durch die Skin-Eindringtiefe begrenzt ist. Die Verwendung von elektrischen Leitern wie Hochfrequenzlitzen mit gro-ßen Querschnitten kann dabei den Nachteil haben, dass eine Kontaktierung der innenliegenden Adern der Litze an den Enden einer durch die Litze gebildeten Spule nicht sichergestellt werden kann, da z.B. bei einer Kontaktierung mittels Kabelschuhen oder mittels Löt- und/oder Klemmverbindungen nur eine Kontaktierung der äußeren Litzen erfolgt, sodass eine Stromführung im Inneren der Litze nicht oder zumindest nicht zuverlässig erreicht werden kann.
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Neben dem Skin-Effekt kann der Einsatz eines Transformators bei hohen Schaltfrequenzen auch durch eine Streuinduktivität des Transformators begrenzt werden. Insbesondere bei einem hohen Transformationsverhältnis des Transformators gewinnt die Streuinduktivität als parasitärer Effekt stark an Bedeutung, da sie bei hohen Schaltfrequenzen einer Übertragung von hohen Strömen im Transformator entgegensteht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Transformator anzugeben, welcher insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen und/oder hohen Strömen einsetzbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Transformator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die erste Spule eine oder mehrere in Reihe geschaltete Wicklungsgruppen aus mehreren Wicklungen umfasst und die zweite Spule eine oder mehrere parallel geschaltete Einzelwicklungen umfasst, wobei am Kern entlang der Längsachse die Wicklungsgruppe oder wenigstens eine der Wicklungsgruppen zwischen zwei der Einzelwicklungen angeordnet ist und/oder die Einzelwicklung oder wenigstens eine der Einzelwicklungen zwischen zwei der Wicklungsgruppen angeordnet ist.
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Die erste Spule wird aus der einen oder den mehreren in Reihe geschalteten Wicklungsgruppen gebildet. Die zweite Spule umfasst eine oder mehrere parallel geschaltete Einzelwicklungen, sodass ein hohes Transformationsverhältnis für eine Übertragung von der ersten Spule zu der zweiten Spule besteht. Durch die geometrische Anordnung der ersten Spule und der zweiten Spule entlang der Längsachse des Kerns ergibt sich vorteilhaft eine geringe Streuinduktivität zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule. Weiterhin ermöglicht diese Anordnung der Spulen eine kompakte Bauform des Transformators.
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Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass keine zusätzlichen Kondensatoren zur Kompensation der Streuinduktivität benötigt werden. Weiterhin kann der Transformator aufgrund der Anordnungen der ersten Spule und der zweiten Spule mit hohen Frequenzen betrieben werden und insbesondere bei einer Verwendung der ersten Spule als Primärspule und der zweiten Spule als Sekundärspule hohe Ausgangsströme erzeugen.
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Verglichen mit herkömmlichen Transformatoren, welche mit niedrigeren Frequenzen beispielsweise als Resonanzwandler betrieben werden, wird vorteilhaft eine kostengünstigere Fertigung des Transformators bzw. einer den Transformator umfassenden elektrischen Schaltungsanordnung erreicht, da auf zusätzliche Bauteile wie Kondensatoren zur Kompensation der Streuinduktivität verzichtet werden kann. Zusätzlich dazu wird auch der Platzbedarf durch den Transformator reduziert, was sich insbesondere auf eine elektrische Schaltungsanordnung, welche den Transformator umfasst, vorteilhaft auswirkt.
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Das Anordnen der Einzelwicklung zwischen zwei Wicklungsgruppen bzw. der Wicklungsgruppe zwischen zwei Einzelwicklungen ermöglicht eine hohe Flächenüberdeckung von bis zu 100% zwischen den Wicklungen der ersten Spule und der zweiten Spule. Durch die verteilte Anordnung der Wicklungsgruppen der ersten Spule und der Einzelwicklungen der zweiten Spule an dem Kern kann erreicht werden, dass eine Feldverteilung zwischen der ersten Spule und der zweiten Spule zumindest im Wesentlichen identisch ist. Dies bewirkt eine geringe Streuinduktivität bei der Kopplung der ersten Spule und der zweiten Spule.
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Die hohe Flächenüberdeckung wird dadurch erreicht, dass die Wicklungsgruppe bzw. die Wicklungsgruppen der ersten Spule und die Einzelwicklung bzw. die Einzelwicklungen der zweiten Spule entlang der Längsachse versetzt an dem Kern angeordnet sind und dadurch jeweils eine gleiche Fläche entsprechend der Querschnittsform des Kerns umschließen, wobei die Flächen sich in Längsrichtung betrachtet überdecken. Zusätzlich kann die Flächenüberdeckung auch dadurch verbessert werden, dass die Einzelwicklungen zumindest im Wesentlichen deckungsgleich zu den Wicklungsgruppen sind, sodass auch zwischen den Spulen selbst eine Flächenüberdeckung erreicht werden kann.
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Die Einzelwicklungen der zweiten Spule können dazu flächig ausgeführt sein, um eine Überdeckung mit einer Wicklungsgruppe, welche zum Beispiel mehrere Wicklungen aus einem elektrisch leitfähigen Draht umfasst, zu erreichen. Die Ausdehnung einer flächigen Einzelwicklung in den Richtungen orthogonal zu der Längsachse kann insbesondere der Ausdehnung wenigstens einer benachbarten Wicklungsgruppe in den Richtungen orthogonal zu der Längsachse entsprechen. Insbesondere sind die Ausdehnungen aller Einzelwicklungen und aller Wicklungsgruppen des Transformators in den Richtungen orthogonal zu der Längsachse gleich oder zumindest im Wesentlichen gleich.
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Der Kern kann aus einem oder mehreren, insbesondere direkt aneinander angeordneten Kernelementen bestehen. Insbesondere entlang der Längsachse kann der Kern zumindest abschnittsweise eine zylindrische oder quaderförmige Form aufweisen, sodass die erste Spule und die wenigstens eine zweite Spule entlang der Längsachse um den Kern angeordnet werden können.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die erste Spule mehrere in Reihe geschaltete Wicklungsgruppen und die zweite Spule mehrere parallel geschaltete Einzelwicklungen umfasst, wobei die Wicklungsgruppen und die Einzelwicklungen am Kern entlang der Längsachse abwechselnd angeordnet sind. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass sich die Anzahl der Einzelwicklungen der zweiten Spule und die Anzahl der Wicklungsgruppen der ersten Spule um eins unterscheidet, sodass ein abwechselndes Anordnen der Wicklungsgruppen und der Einzelwicklungen entlang der Längsachse des Kerns ermöglicht wird. Dabei kann die Reihe der abwechselnd angeordneten Einzelwicklungen und Wicklungsgruppen an den äußeren Enden jeweils eine Einzelwicklung oder jeweils eine Wicklungsgruppe aufweisen, je nachdem, welche Anzahl größer ist.
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Es ist möglich, dass die erste Spule zwischen vier und zehn, insbesondere sechs, Wicklungsgruppen umfasst und dass die zweite Spule zwischen vier und zehn, insbesondere sieben, parallel geschaltete Einzelwicklungen umfasst. Bei sechs Wicklungsgruppen der ersten Spule und sieben Einzelwicklungen der zweiten Spule kann zum Beispiel bei einer Herstellung des Transformators beginnend mit einer Einzelwicklung der zweiten Spule ein abwechselndes Anordnen der Einzelspulen der Wicklungsgruppen entlang des Kerns erfolgen. Je nach Anforderungen an den Transformator kann jedoch auch eine andere Anzahl an Wicklungsgruppen und/oder an ersten Spulen verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Transformator mehrere zweite Spulen umfasst, wobei die Einzelwicklungen der zweiten Spulen paarweise benachbart in wenigstens einer jeweils eine Einzelwicklung der zweiten Spulen umfassenden Einzelwicklungsgruppe an dem Kern angeordnet sind. Um auch bei mehreren zweiten Spulen eine möglichst geringe Streuinduktivität des Transformators durch eine möglichst identische Feldverteilung zwischen der ersten Spule und den zweiten Spulen zu erreichen, werden die Einzelwicklungen der zweiten Spule jeweils als eine Einzelwicklungsgruppe an dem Kern angeordnet. Dabei kann eine Einzelwicklungsgruppe zwischen zwei Wicklungsgruppen der ersten Spule bzw. eine Wicklungsgruppe der ersten Spule zwischen zwei Einzelwicklungsgruppen angeordnet sein. Die Einzelwicklungen der zweiten Spulen sind dabei zumindest bereichsweise gegeneinander isoliert, um eine elektrische Trennung der zweiten Spulen zu erreichen.
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Insbesondere können die zweiten Spulen jeweils die gleiche Anzahl an parallel geschalteten Einzelwicklungen aufweisen, sodass alle Einzelwicklungen der zweiten Spulen als Einzelwicklungsgruppen an dem Kern des Transformators angeordnet werden können. Es ist beispielsweise möglich, dass der Transformator zwei zweite Spulen umfasst, welche jeweils eine oder mehrere parallel geschaltete Einzelwicklungen aufweisen. Dabei können die zweiten Spulen bei einer Verwendung der zweiten Spulen als Sekundärspulen bzw. als Ausgang des Transformators zueinander in Reihe geschaltet sein, sodass an jeder der beiden zweiten Spulen eine über den Transformator übertragene Halbwelle eines Wechselstroms abgreifbar ist.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Wicklungsgruppe oder die Wicklungsgruppen jeweils an einem isolierenden Wicklungsträger angeordnet sind, wobei der Wicklungsträger die Wicklungsgruppe gegen den Kern und gegen die benachbarte Einzelwicklung oder die benachbarten Einzelwicklungen isoliert. Bei einem zumindest abschnittsweise zylindrisch ausgeführten Kern des Transformators kann der Wicklungsträger z.B. als eine Hülse mit jeweils einem endseitig an der Hülse angeordneten Ring ausgeführt sein. Die am Wicklungsträger angeordnete Wicklungsgruppe kann dabei über den Außenumfang der Hülse gewickelt sein und endseitig von den Ringen eingefasst sein.
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Der Wicklungsträger besteht dabei aus einem elektrisch isolierenden Material, sodass die Wicklungsgruppe zwischen den endseitig angeordneten Ringen an den Wicklungsträger angeordnet werden kann, um sie gegenüber dem Kern und/oder gegen die wenigstens eine benachbarte Einzelwicklung zu isolieren. Der Wicklungsträger kann z.B. aus einem Kunststoff bestehen und eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm, insbesondere von 0,4 mm, aufweisen. Abhängig von den vom Transformator umzusetzenden Leistungen bzw. von den an der ersten Spule und/oder der wenigstens einen zweiten Spule anliegenden Spannungen kann auch eine andere Isolationsdicke gewählt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Wicklungsgruppe oder die Wicklungsgruppen der ersten Spule insgesamt zwischen 50 und 200 Wicklungen, insbesondere zwischen 60 und 80 Wicklungen, umfassen. Die Wicklungen der ersten Spule sind dabei insbesondere in mehrere Wicklungsgruppen aufgeteilt, wobei die Anzahl der Wicklungen pro Wicklungsgruppe insbesondere der Gesamtanzahl der Wicklungen der ersten Spule geteilt durch die Anzahl der Wicklungsgruppen entspricht. Z.B. kann eine erste Spule mit 66 Wicklungen in sechs Wicklungsgruppen mit jeweils elf Wicklungen aufgeteilt werden. Auch hierbei ist es möglich, dass die Anzahl der Wicklungen und/oder die Aufteilung der Wicklungen in die Wicklungsgruppen entsprechend dem Einsatzzweck des Transformators gewählt wird.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Einzelwicklung oder die Einzelwicklungen jeweils durch ein flächiges Wicklungselement gebildet sind. Das Wicklungselement kann dabei zumindest bereichsweise ringscheibenförmig sein, um die Wicklung auszubilden. Die Breite des ringscheibenförmigen Bereichs kann dabei insbesondere der Breite der Wicklungsgruppe entsprechen, sodass eine Flächenüberdeckung zwischen dem ringscheibenförmigen Abschnitt und der Wicklungsgruppe oder den Wicklungsgruppen erreicht werden kann.
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Das Wicklungselement kann eine Öffnung aufweisen, in welcher der Kern des Transformators angeordnet sein kann. Die Form der Öffnung kann dabei der Form des Querschnitts des Kerns, an dem die Einzelwicklungen und die Wicklungsgruppen angeordnet werden, entsprechen. Neben einem scheibenförmigen Wicklungsabschnitt kann das Wicklungselement dabei zusätzlich noch ein oder mehrere Kontaktabschnitte aufweisen, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird.
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Durch das Ausführen der Einzelwicklung als flächiges Wicklungselement ergibt sich eine große Oberfläche der Einzelwicklungen, was dem Betrieb des Transformators bei hohen Frequenzen aufgrund des auftretenden Skin-Effekts entgegenkommt. Gleichzeitig ermöglicht das Ausbilden der Einzelwicklungen durch die flächigen Wicklungselemente einen minimierten Leitungsquerschnitt, sodass das insgesamt zum Ausbilden der wenigstens einen Spule benötigte Material vorteilhaft reduziert werden kann. Auf diese Weise ergibt sich ein minimaler Leitungsquerschnitt bei einer hohen Oberfläche der zweiten Spule. Dies führt vorteilhaft zu niedrigen ohmschen Verlusten bei hochfrequenten Wechselströmen bzw. bei hohen Schaltfrequenzen des Transformators, welche beispielsweise bei einer Verwendung des Transformators in einem Schaltnetzteil entstehen können. Weiterhin reduziert sich das zur Ausbildung der zweiten Spule verwendete Material, sodass vorteilhaft eine hohe volumenbezogene Leistungsdichte des Transformators erreicht werden kann.
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Für das Wicklungselement kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass es aus einem elektrisch leitfähigen Blech und/oder einer elektrisch leitfähigen Folie, insbesondere als ein Stanzteil, gefertigt ist. Das Wicklungselement kann dabei insbesondere bei einem Transformator, welcher mehr als eine zweite Wicklung aufweist, zumindest in dem Bereich der am Kern angeordneten Wicklungsabschnitte des Wicklungselements eine Isolierung aufweisen, um zwei nebeneinander angeordnete Wicklungselemente zweier unterschiedlicher zweiter Spulen gegeneinander elektrisch zu isolieren. Die Fertigung des Wicklungselements als ein Stanzteil aus einem leitfähigen Blech und/oder einer leitfähigen Folie ermöglicht eine einfache und kostengünstige Fertigung des Transformators.
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Das Wicklungselement kann z.B. aus einem Kupferblech und/oder einer Kupferfolie bestehen. Die Dicke des Wicklungselements, also die Ausdehnung des Wicklungselements in der Richtung der Längsachse des Kerns, kann dabei insbesondere in Abhängigkeit der Frequenzen eines über den Transformator zu übertragenden Wechselstroms bzw. einer Schaltfrequenz, bei der der Transformator betrieben wird, gewählt werden. Die Dicke des Wicklungselements kann dabei den auftretenden Skin-Effekt berücksichtigen und z.B. wenigstens die doppelte Skin-Eindringtiefe betragen. Auf diese Weise wird auch im Bereich der zweiten Spulen eine Flussführung durch den Kern des Transformators erreicht. Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Wicklungselement in Richtung der Längsachse eine Dicke zwischen 0,1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 2 mm, bevorzugt 1 mm, aufweist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Wicklungselement oder die Wicklungselemente jeweils zwei Kontaktabschnitte aufweisen, wobei sich die Kontaktabschnitte jeweils von dem Kern weg nach außen erstrecken, wobei jeweils ein Kontaktabschnitt des oder der Wicklungselemente mit einem gemeinsamen, sich entlang der Längsachse erstreckenden Verbindungselement verbunden ist. Durch die Kontaktabschnitte können die Wicklungselemente, welche die Einzelwicklungen der wenigstens einen zweiten Spule bilden, elektrisch miteinander verbunden werden. Dabei kann insbesondere auch bei zwei zweiten Spulen jeweils ein Kontaktabschnitt der Wicklungselemente beider Spulen mit einem gemeinsamen, sich entlang der Längsachse erstreckenden Verbindungselement verbunden werden, sodass über dieses Verbindungselement die beiden zweiten Spulen elektrisch kontaktiert werden können. Das Verbindungselement kann dabei eine elektrische Kontaktierung und/oder eine mechanische Befestigung der Wicklungselemente über den jeweiligen, mit dem Verbindungselement verbundenen Kontaktabschnitt bewirken.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Transformator über das Verbindungselement befestigbar ist, wobei der Kern freischwingend an der zweiten Spule gehaltert ist. Der Transformator kann über das Verbindungselement z.B. an einer Stromschiene befestigt werden. Das Verbindungselement kann z.B. als eine Schraube aus einem leitfähigen Metall, z.B. aus Kupfer oder aus Messing, ausgeführt sein. Zwischen den Kontaktabschnitten von zwei Einzelwicklungen oder Einzelwicklungsgruppen, zwischen denen eine Wicklungsgruppe der ersten Spule angeordnet ist, kann jeweils ein Distanzelement, welches insbesondere in seiner Dicke der Dicke der Wicklungsgruppe entspricht, angeordnet werden, sodass eine stabile Verbindung der Kontaktabschnitte mit dem Verbindungselement ermöglicht wird. Das Distanzelement kann z.B. aus einem leitfähigen Metall bestehen, um sowohl eine mechanisch stabile als auch elektrisch leitfähige Fixierung der Kontaktabschnitte über das Verbindungselement zu ermöglichen. Das Distanzelement kann z.B. aus einem leitfähigen Metall, z.B. aus verzinktem Kupfer oder Ähnlichem, bestehen.
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Bei der Befestigung des Transformators über das Verbindungselement ist es möglich, dass der Transformator durch die als Wicklungselemente ausgeführten Einzelwicklungen der zweiten Spule getragen wird. Dies ermöglicht es, dass der Kern des Transformators freischwingend angeordnet werden kann. Eine solche Anbringbarkeit des Transformators ermöglicht es vorteilhaft, dass der Kern, welcher elektromagnetischen Kräften ausgesetzt sein kann, zumindest in einem gewissen Rahmen Schwingungen ausführen kann, sodass Beschädigungen des Kerns und/oder des Transformators vorteilhaft vermieden werden können.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass sich der weitere Kontaktabschnitt eines Wicklungselements in der Ebene orthogonal zu der Längsachse unter einem Winkel zu dem mit dem Verbindungselement verbundenen Kontaktabschnitt des Wicklungselements erstreckt. Die Wicklungselemente der zweiten Spule erstrecken sich jeweils in einer Ebene orthogonal zu der Längsachse des Kerns. Bei dem flächig ausgebildeten Wicklungselement erstrecken sich die beiden Kontaktabschnitte dabei jeweils in einer Ebene, welche orthogonal zu der Längsachse des Kerns steht.
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Bei einer Verbindung eines der Kontaktabschnitte mit dem Verbindungselement kann der weitere Kontaktabschnitt unter einem Winkel zu dem mit dem Verbindungselement verbundenen Kontaktabschnitt stehen, sodass eine seitliche Kontaktierung des Kontaktabschnitts und somit der Einzelwicklung ermöglicht wird. Vorteilhaft kann bei einer derartigen Anordnung erreicht werden, dass bei Anordnung von zwei zweiten Spulen an dem Transformator jeweils ein gleich geformtes Wicklungselement für die Einzelwicklungen beider zweiter Spulen verwendet werden kann, wenn das Wicklungselement jeweils in unterschiedlichen Orientierungen an dem Kern angeordnet wird. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der weitere Kontaktabschnitt jeweils zu unterschiedlichen Seiten unter dem Winkel zu den mit dem gemeinsamen Verbindungselement verbundenen Kontaktabschnitten der Einzelwicklungen steht. Dadurch können die zweiten Spulen jeweils getrennt voneinander seitlich kontaktiert werden. Außerdem vereinfacht sich durch die Verwendung von identisch geformten Wicklungselementen die Herstellung des Transformators.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Kern aus einem Ferritmaterial, insbesondere einem Ferrit-Polymermaterial, besteht. Der Kern kann z.B. zumindest abschnittsweise zylinder- oder quaderförmig sein, sodass die Wicklungsgruppen und die Einzelwicklungen am Kern angeordnet werden können. Der Kern kann aus einem oder mehreren Elementen bestehen, wobei ein aus mehreren Elementen bestehender Kern beispielsweise zu einem geschlossenen Joch oder einer ähnlichen Form zusammengesetzt werden kann, um die Führung des magnetischen Flusses im Transformator zu ermöglichen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kern, die erste Spule und/oder die zweite Spule zumindest teilweise mit einem Vergussmaterial vergossen sind. Dies schützt den Transformator vor äußeren Einflüssen sowie vor Beschädigungen des Kerns und der Spulen.
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Für eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung ist vorgesehen, dass sie eine Stromquelle und einen erfindungsgemäßen Transformator umfasst. Die Stromquelle ist dabei insbesondere mit einer der Spulen des Transformators verbunden. Zur Erzeugung eines Stromes mit einer hohen Stromstärke und einer niedrigen Spannung kann die Stromquelle insbesondere mit der ersten Spule als Primärspule verbunden sein, wobei an der zweiten Spule als Sekundärspule bei einem großen Windungsverhältnis der Windungszahl der ersten Spule zu der Windungszahl zweiten Spule an der zweiten Spule ein Ausgangsstrom mit einer hohen Stromstärke erzeugt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Stromquelle mit der ersten Spule des Transformators verbunden ist und durch die Stromquelle ein Wechselstrom in die erste Spule einprägbar ist, wobei die Einzelwicklung oder die Einzelwicklungen jeweils durch ein flächiges Wicklungselement, welches in Richtung der Längsachse eine Dicke größer als die doppelte Eindringtiefe eines von der ersten Spule aufgrund des Wechselstroms erzeugten Wechselfeldes an der zweiten Spule aufweist, gebildet ist. Die Eindringtiefe resultiert dabei aus dem Skin-Effekt der Leitung des Wechselstroms an der zweiten Spule. Die Dicke der Spule kann dabei insbesondere einem Wert zwischen der doppelten Eindringtiefe und einem Zehnfachen der Eindringtiefe aufweisen. Auf diese Weise wird auch im Bereich der zweiten Spulen eine Flussführung durch den Kern des Transformators erreicht.
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Sämtliche vorangehend in Bezug zum erfindungsgemäßen Transformator beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend auch für die elektrische Schaltungsanordnung und umgekehrt.
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Für eine erfindungsgemäße Magnetresonanzbildgebungseinrichtung ist vorgesehen, dass sie wenigstens einen erfindungsgemäßen Transformator und/oder wenigstens eine erfindungsgemäße elektrische Schaltungsanordnung umfasst. Der Transformator bzw. eine den Transformator umfassende elektrische Schaltungsanordnung können dabei zur Stromversorgung eines oder mehrere Magnete der Magnetresonanzbildgebungseinrichtung verwendet werden. Das Erzeugen von hohen Strömen über den Transformator kann vorteilhaft dazu verwendet werden, einen Magnetisierungsstrom zum Magnetisieren bzw. zum Feldaufbau in dem Magnet oder in den Magneten der Magnetresonanzbildgebungseinrichtung einzusetzen. Der kompakte Aufbau des Transformators ermöglicht es dabei vorteilhaft, vergleichsweise wenig Material zur Ausbildung des Kerns und der Spulen des Transformators zu verwenden. Dadurch können störende Einflüsse eines nahe an dem Magneten der Magnetresonanzbildgebungseinrichtung angeordneten Transformators auf die Bildgebung vermieden oder zumindest reduziert werden.
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Sämtliche vorangehend im Bezug zum erfindungsgemäßen Transformator bzw. zur erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung beschriebenen Vorteile und Ausgestaltungen gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Magnetresonanzbildgebungseinrichtung und umgekehrt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Transformators,
- 2 ein Ausführungsbeispiel für die Einzelwicklungen der zweiten Spulen des Transformators,
- 3 eine Seitenansicht des Ausführungsbeispiels des Transformators,
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Wicklungsträgers des Transformators, und
- 5 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzbildgebungseinrichtung mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltungsanordnung.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Transformators 1 dargestellt. Der Transformator 1 umfasst eine erste Spule 2 sowie zwei zweite Spulen 3, 4. Die erste Spule 2 umfasst mehrere in Reihe geschaltete Wicklungsgruppen 5, wobei jede Wicklungsgruppe 5 mehrere Wicklungen 6 der ersten Spule 2 umfasst. Die erste zweite Spule 3 umfasst mehrere Einzelwicklungen 7, welche jeweils parallel geschaltet sind. Entsprechend umfasst die zweite zweite Spule 4 mehrere Einzelwicklungen 8, welche ebenfalls parallel geschaltet sind. Die zweiten Spulen 3, 4 umfassen also jeweils eine Wicklung, welche jeweils durch mehrere parallel geschaltete Einzelwicklungen 7 bzw. 8 gebildet wird.
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Weiterhin umfasst der Transformator 1 einen Kern 9, welcher sich entlang einer Längsachse 10 erstreckt. Der Kern 9 kann zum Beispiel aus einem Ferrit-Polymermaterial bestehen. Die Wicklungsgruppen 5 der ersten Spule 2 sowie die Einzelwicklungen 7, 8 der zweiten Spulen 3, 4 sind entlang der Längsachse 10 an dem Kern 9 angeordnet. Dabei sind die Wicklungsgruppen 5 sowie die Einzelwicklungen 7, 8 abwechselnd in der Längsrichtung an dem Kern 9 angeordnet. Dabei sind mehrere der Wicklungsgruppen 5 jeweils zwischen zwei der Einzelwicklungen 7, 8 angeordnet bzw. es sind mehrere der Einzelwicklungen 7, 8 jeweils zwischen zwei der Wicklungsgruppen 5 angeordnet. Vorliegend umfasst die erste Spule 2 sechs Wicklungsgruppen 5 mit jeweils achtzehn Wicklungen 6, sodass die erste Spule 2 insgesamt 108 Wicklungen aufweist. Die zweiten Spulen 3, 4 umfassen jeweils sieben Einzelwicklungen 7, 8, sodass sich ein Wicklungsverhältnis von 108:1 von der ersten Spule 2 zu jeder der zweiten Spulen 3, 4 ergibt.
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Die Einzelwicklungen 7, 8 der zweiten Spulen 3, 4 sind in Einzelwicklungsgruppen 11 an dem Kern 9 angeordnet. Dabei ist jeweils eine Einzelwicklungsgruppe 11, welche jeweils eine Einzelwicklung 7, 8 der zweiten Spulen 3, 4 umfasst, benachbart an eine Wicklungsgruppe 5 bzw. zwischen zwei Wicklungsgruppen 5 der ersten Spule 2 angeordnet. Die Einzelwicklungen 7, 8 der zweiten Spulen 3, 4 sind dabei zumindest bereichsweise gegeneinander isoliert.
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Die Wicklungsgruppen 5 der ersten Spule 2 sind jeweils in einen isolierenden Wicklungsträger 12 angeordnet, welcher die Wicklungen 6 der Wicklungsgruppe 5 gegen die benachbarten Einzelwicklungsgruppen 11 bzw. die jeweiligen Einzelwicklungen 7, 8 der zweiten Spulen 3, 4 sowie gegen den Kern 9 isoliert. Zwischen dem Kern 9 und den Wicklungsgruppen 5 bzw. den Einzelwicklungen 7, 8 kann ein Vergussmaterial 19 angeordnet sein. Durch das abwechselnde Stapeln der Einzelwicklungen 7, 8 und der Wicklungsgruppen 5 in der Längsrichtung am Kern 9 wird eine niedrige Streuinduktivität des Transformators 1 erreicht, da die Feldverteilung zwischen der ersten Spule 2 und den zweiten Spulen 3, 4 jeweils zumindest im Wesentlichen identisch ist.
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Die Dicke der Einzelwicklungen 7, 8, also die Ausdehnung der Einzelwicklungen 7, 8 in Richtung der Längsachse 10, wird dabei derart gewählt, dass sie nicht von dem an den zweiten Spulen 3, 4 anliegenden Wechselfeld durchdrungen wird. Die Dicke der Einzelwicklungen 7, 8 wird dabei insbesondere größer als die doppelte Skin-Eindringtiefe des Wechselfeldes an den zweiten Spulen 3, 4 gewählt. Auf diese Weise wird eine Flussführung durch das Innere des Kerns 9 des Transformators 1 erreicht.
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Weiterhin wird durch das Aufteilen der zweiten Spulen 3, 4 in die jeweils parallel geschalteten Einzelwicklungen 7, 8 eine möglichst große Oberfläche bei gleichzeitig minimiertem Leiterquerschnitt der zweiten Spulen 3, 4 erreicht. Dies reduziert das zur Herstellung des Transformators 1 benötigte Material und reduziert den Platzbedarf des Transformators 1. Weiterhin können so bei hohen Schaltfrequenzen, mit denen der Transformator 1 betrieben wird, bzw. bei hochfrequenten Wechselströmen, welche in den Transformator 1 eingespeist werden, die ohmschen Verluste im Transformator 1 reduziert werden. Ferner ergibt sich eine hohe volumenbezogene Leistungsdichte des Transformators 1.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die Einzelwicklungen 7, 8 der zweiten Spulen 3, 4 dargestellt. Die Einzelwicklungen 7, 8 werden jeweils durch ein flächiges Wicklungselement 13 gebildet. Das Wicklungselement 13 umfasst einen scheibenförmigen Abschnitt 14, welcher vorliegend eine kreisförmige Öffnung 15 umschließt. Mit der Öffnung 15 kann das Wicklungselement 13 an dem bereichsweise zylinderförmigen Kern 9 des Transformators 1 angeordnet werden. Weiterhin umfasst das Wicklungselement 13 einen ersten Kontaktabschnitt 16 sowie einen zweiten Kontaktabschnitt 17. Der zweite Kontaktabschnitt 17 steht in der Zeichenebene, welche einer Ebene orthogonal zu der Längsachse 10 entspricht, unter einem Winkel zu dem ersten Kontaktabschnitt 16.
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Wie in 3 in der Seitenansicht des Transformators 1 dargestellt ist, kann eine Einzelwicklungsgruppe 11 mit zwei Einzelwicklungen 7, 8 dadurch gebildet werden, dass die flächigen Wicklungselemente 13, welche die Einzelwicklungen 7, 8 bilden, mit umgekehrter Orientierung an dem Kern 9 angeordnet werden. Dies ermöglicht es, dass die beiden Einzelwicklungen 7, 8 jeweils über den Kontaktabschnitt 16 verbunden werden können, wohingegen die zweiten Kontaktabschnitte 17 jeweils zur Kontaktierung der Einzelwicklungen 7, 8 bzw. der zweiten Spulen 3, 4 verwendet werden können. Auf diese Weise kann z.B. eine Reihenschaltung der zweiten Spulen 3, 4 erreicht werden, wobei die ersten Kontaktabschnitte 16 jeweils einen Mittelabgriff zwischen den beiden zweiten Spulen 3, 4 darstellen.
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Zur Verbindung der Wicklungsgruppen 5, d.h. zur Ausbildung einer Reihenschaltung der Wicklungsgruppen 5 zur Bildung der ersten Spule 2, kann in einem Abschnitt 18 jeweils ein Verbinden zweier benachbarter Wicklungsgruppen 5 erfolgen. Der Abschnitt 18 kann z.B. mit dem Vergussmaterial 19 vergossen werden.
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Die Einzelwicklungen 7, 8 können z.B. als ein Stanzteil aus einem elektrisch leitfähigen Blech und einer elektrisch leitfähigen Folie gefertigt werden. Dabei können z.B. ein Blech und/oder eine Folie aus Kupfer verwendet werden. Insbesondere im Bereich der ringförmigen Abschnitte 14 kann das Blech bzw. die Folie eine Isolierung aufweisen, um in diesem Bereich die zweiten Spulen 3, 4 gegeneinander zu isolieren. Die Wicklungselemente können z.B. in der Richtung der Längsachse eine Dicke zwischen 0,1 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 0,5 mm und 2 mm, bevorzugt von 1 mm, aufweisen.
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Wie in 1 gezeigt ist, sind die Kontaktabschnitte 16 jeweils mit einem Verbindungselement 20 verbunden. Das Verbindungselement 20 ist dabei als eine Schraube aus einem leitfähigen Material, z.B. aus Messing, ausgeführt und jeweils durch eine Öffnung der Kontaktabschnitte 16 der die Einzelwicklungen 7, 8 der Spulen 3, 4 bildenden Wicklungselemente 13 geführt. Zwischen den Kontaktabschnitten 16 zweier benachbarter Einzelwicklungsgruppen 11 ist jeweils ein Distanzelement 21 angeordnet, um eine stabile Befestigung der Kontaktabschnitte 16 an dem Verbindungselement 20 zu ermöglichen. Das Distanzelement 21 kann aus einem leitfähigen Material, z.B. aus verzinntem Messing, bestehen. Mit Hilfe des Verbindungselements 20 kann der Transformator 1 an einem Drittgegenstand 22, z.B. an einer Stromschiene oder Ähnlichem, befestigt werden. Dabei ist der Kern 9 des Transformators 1 freischwingend, da der gesamte Transformator 1 über die Einzelwicklungen 7, 8 und das Verbindungselement 20 abgestützt wird.
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In 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Wicklungsträgers 12, in dem eine der Wicklungsgruppen 5 aufgenommen ist, dargestellt. Der Wicklungsträger 12 umfasst einen hohlzylinderförmigen Abschnitt 23 sowie zwei ringscheibenförmige Abschnitte 24, welche jeweils an den Enden des hohlzylinderförmigen Abschnitts 23 angeordnet sind. Der Wicklungsträger 11 kann z.B. aus einem oder mehreren Kunststoffteilen bestehen, wobei insbesondere wenigstens einer der ringscheibenförmigen Abschnitte 24 als ein separates Element ausgeführt sein kann.
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Die ringscheibenförmigen Abschnitte 24 weisen in der Richtung der Längsachse 10 jeweils eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 cm, beispielsweise von 0,4 mm, auf. Auch die Wandstärke des hohlzylinderförmigen Abschnitts 23 zu dem Kern 9 kann zwischen 0,1 mm und 1 cm, beispielsweise 0,4 mm betragen, sodass eine gleichmäßige Isolation einer zwischen den ringscheibenförmigen Abschnitten 24 auf den Außenumfang des hohlzylinderförmigen Abschnitts 23 gewickelten Wicklungsgruppe 5 von den benachbarten Einzelwicklungen 7, 8 sowie von dem Kern 9 erreicht wird.
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In 5 ist ein Ausführungsbeispiel einer Magnetresonanzbildgebungseinrichtung 25 dargestellt. Die Magnetresonanzbildgebungseinrichtung 25 umfasst eine elektrische Schaltungsanordnung 26, welche eine Stromquelle 27 sowie einen Transformator 1 umfasst. Die elektrische Schaltungsanordnung 26 dient z.B. zum Bestromen eines Magneten 28 der Magnetresonanzbildgebungseinrichtung 25. Dazu kann der Transformator 1 mit dem Magneten 28 über weitere elektrische Schaltungskomponenten 29 verbunden sein, um einen Gleichstrom zum Bestromen des Magneten 28 zu erzeugen.
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Die Stromquelle 27 ist mit der ersten Spule 2 des Transformators 1 verbunden. Die zweiten Spulen 3, 4 sind gegebenenfalls über die weiteren Schaltungskomponenten 29 mit dem Magneten 28 verbunden. Mit dem Transformator 1 kann aus einem von der Stromquelle 27 abgegeben Strom ein hoher Ausgangsstrom zum Bestromen des Magneten 28 erzeugt werden.
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Die Spulen 3, 4 können jeweils über die zweiten Kontaktabschnitte 17 der die Einzelwicklungen 7, 8 bildenden Wicklungselemente 13 abgegriffen werden. Die über das Verbindungselement 20 verbundenen ersten Kontaktabschnitte 16 können als Mittelabgriff für beide zweiten Spulen 3, 4 verwendet werden. Die flächigen Wicklungselemente 13 der zweitem Spulen 3, 4 weisen dabei jeweils in Richtung der Längsachse 10 eine Dicke auf, welche größer als die doppelte Eindringtiefe eines Wechselfeldes an den zweiten Spulen 3, 4, welches aufgrund der Stromeinspeisung in die erste Spule 2 entsteht, ist.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
