-
Die Erfindung bezieht sich auf einen Überträger mit
einem Kern und mit zumindest zwei Wicklungen.
-
Bei Übertragern bzw. Transformatoren – die beiden
Begriffe werden hier synonym verwendet – wird eine Wicklung (Primärwicklung)
mit Wechselstrom gespeist, um Energie in eine zweite Wicklung (Sekundärwicklung)
zu übertragen.
Meist, aber nicht zwingend, sind die beiden Wicklungen galvanisch getrennt.
Jede Wicklung kann auch verschachtelt ausgebildet sein und ebenso
können
mehr als zwei Wicklungen vorhanden sein, z. B. zwei oder mehrere getrennte
Sekundärwicklungen,
Hilfswicklungen für eine
Hilfsspannungserzeugung, z. B. bei Schaltwandlern, etc.
-
Der Wirkungsgrad eines Übertragers
wird bekanntlich durch Kupfer- und Eisenverluste sowie durch Streufeldverluste
ungünstig
beeinflusst. Im Rahmen der Erfindung werden die Streufeldverluste betrachtet,
welche darauf zurückzuführen sind,
dass die im Streufeld gespeicherte Energie nicht übertragen
werden kann. Die zu Streufeldern gehörigen Streuflüsse sind
nur mit den erregenden Wicklungen verkettet und sind im Allgemeinen
Flüsse,
die zumindest teilweise nicht im Kern verlaufen. Der Begriff „Verluste" im Zusammenhang
mit den Streuflüssen soll
nicht vorrangig Vernichtung von Energie bedeuten, da im Ersatzschaltbild
im wesentlichen nur Streureaktionen auftreten, sondern sich auf
einen nicht übertragbaren
Energieanteil beziehen, der in Wärme
umgesetzt oder mit zusätzlichem
Aufwand teilweise in die speisende Quelle rückgeliefert werden muss – in jedem
Fall aber eine zusätzliche
Belastung für
die Schaltelemente darstellt..
-
Nach dem Stand der Technik versucht
man das Streufeldproblem durch zwei Lösungsansätze zu verringern:
Der
erste Ansatz versucht, eine hinsichtlich der Streufelder möglicht optimale
Geometrie, vor allem des Kerns, zu finden. In der Praxis ergeben
sich dann tatsächlich
geringere Streufelder, doch wird die Ausnutzung des Wickelfensters,
somit des zur Verfügung stehenden
Wickelraums schlechter, was wiederum zu größeren Gesamtabmessungen führt.
-
Es ist auch bekannt geworden, bei
Leistungstransformatoren mit Hochtemperatursupraleitenden Bandwicklungen
an den Enden dieser Wicklungen Kappen aus einem Material mit einer
sehr hohen Permeabilitätszahl
zu positionieren, um die radiale Komponente der magnetischen Streuflussdichte zu
verringern, und damit den speziellen, bei 77 K auftretenden Problemen
solcher Transformatoren gerecht zu werden (E. Sissimatos, IEH-Universität Hannover, „Reduzierung
der Verluste von HTSL-Wicklungen in Leistungstransformatoren in
www.sissimatos.de November 2002).
-
Der zweite Ansatz greift von der
elektrischen Seite ein und versucht mit Hilfe einer Entmagnetisierungswicklung
und Gleichrichterdioden Energie in den Primärkreis zurückzuspeisen. Diese Lösung ist wegen
der erforderlichen Wicklung und Gleichrichterdioden naturgemäß aufwändig.
-
Eine Aufgabe der Erfindung liegt
darin, einen Übertrager
zu schaffen, der dank einer optimalen Streufeldminimierung bei gegebener
Leistung eine minimale Größe und einen
sehr hohen Wirkungsgrad aufweist.
-
Diese Aufgabe wird mit einem Übertrager
der eingangs genannten Art gelöst,
bei welchem erfindungsgemäß über der äußeren der
beiden Wicklungen eine flexible Ferrit-Polymerfolie aufgebracht
ist.
-
Dank der Erfindung können Streufelder
in dem Übertrager
gezielt verringert werden und dementsprechend ergeben sich weniger
Verluste bei geringer Baugröße. Die
Biegsamkeit bzw. Flexibilität der
Folie ermöglicht
eine einfache Anwendung bei unterschiedlichen Übertragern.
-
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung
ist vorgesehen, dass über
zumindest zwei innere Wicklungen eine erste Schicht, bestehend aus einer
flexiblen Ferrit-Polymerfolie, und darüber zumindest eine weitere
Wicklung vorgesehen ist. Dabei kann eine weitere Verringerung des
Streuflusses erreicht werden, wenn die zumindest eine weitere Wicklung
von einer zweiten Schicht, bestehend aus einer flexiblen Ferrit-Polymerfolie,
umgeben ist.
-
In manchen Fällen können weiter verbesserte Ergebnisse
erzielt werden, falls unterhalb der ersten Wicklung eine innerste
Schicht, bestehend aus einer flexiblen Ferrit-Polymerfolie angeordnet
ist.
-
Eine praxisbewährte Ausführungsform zeichnet sich dadurch
aus, dass der Kern drei Schenkel besitzt und die zumindest zwei
Wicklungen auf dem mittleren Schenkel angeordnet sind.
-
Im Sinne einer einfache und raschen
Herstellung ist es empfehlenswert, dass die zumindest zwei Wicklungen
auf einem Spulenkörper
angeordnet sind.
-
Eine weitere Aufgabe der Erfindung,
nämlich einen
Schaltwandler mit geringen Verlusten zu schaffen, wird mit einem
Schaltwandler gelöst,
der einen Übertrager
besitzt, welcher gemäß der obigen
Ausführungen
ausgebildet ist.
-
Die Erfindung samt weiteren Vorteilen
ist um Folgenden anhand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die
in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen
-
1 einen
Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Übertrager
mit einer Primär- und
einer Sekundärwicklung,
-
2 in
einem Schnitt entsprechend 1 eine
Hälfte
eines erfindungsgemäßen Übertragers, mit
vier Wicklungen, nämlich
je einer geteilten Primär-
und Sekundärwicklung,
-
3 schematisch
in einem Schnitt durch einen Teil eines Übertragers den Feldlinienverlauf
in einem herkömmlichen Übertrager
nach dem Stand der Technik und
-
4 in
einem Schnitt wie 3 stark
vereinfacht den Feldlinienverlauf in einem erfindungsgemäßen Übertrager.
-
1 zeigt
einen Transformator mit einem häufig
verwendeten, zweiteiligen EE-Kern, dessen Kernhälften mit KE1, KE2 bezeichnet
sind. Zwischen den Kernhälften
wird bei sehr vielen Anwendungsfällen
ein Luftspalt LFS belassen, bei diesem Beispiel zwischen den Schenkenhälften aller
mittleren Schenkel. Ein Spulenkörper
SPK aus Kunststoff sitzt auf dem inneren SC3 von drei Schenkeln
SC1, SC2, SC3 und trägt
zwei Wicklungen, nämlich
eine innere Wicklung PRM, meist eine Primärwicklung, sowie eine äußere Wicklung
SEK, meist die Sekundärwicklung. Die
Wicklungen bestehen beispielsweise aus lackisoliertem Kupferdraht.
-
Der Aufbau des Übertragers wie bisher beschrieben
entspricht dem Stand der Technik. Darüber hinaus können noch
andere bekannte Maßnahmen vorgesehen
sein, z. B. eine sogenannte „Aufpolsterung" zwischen einer ersten
Wicklung und dem Kern, Schirmwicklungen, etc.
-
Im Sinne der Erfindung ist über der äußeren SEK
der beiden Wicklungen PRM, SEK eine flexible Ferritfolie FFF aufgebracht.
Folien dieser Art sind im Handel erhältlich, meist unter der Bezeichnung
FPC (Ferrite Polymer Composite) Film. Bei einem solchen Film sind
in einer Polymermatrix Ferritteilchen eingelagert, wobei sich je
nach Füllfaktor
Anfangspermeabilitäten
in der Größe von 10
bis 30 ergeben. Die Folienstärke
liegt typisch zwischen 0,2 bis 0,4 mm. Empfohlene Anwendungen für derartige
Folien sind Abschirmungen, Verzerrungskorrektoren bei Ablenkspulen
von TV-Monitoren und Abstandshalter zwischen Ferritkernhälften. Näheres über Ferritfolien
ist beispielsweise im Internet unter „Siemens Electronic Components", www.ncnwest.com/cii/siemens
(im November 2002) oder „Ferrite
Polymer Composite (FPC) Film",
www.epcos.com (im November 2002) zu finden.
-
Die Ferritfolie FFF kann je nach
den magnetischen Werten des Übertragers
ein- oder mehrlagig über
der äußeren Wicklung
SEK aufgebracht werden, wodurch der Streufluss, das ist jener Teil
des von der erregten Wicklung erzeugten Flusses, welcher nicht auf
die zweite Wicklung bzw. weitere Wicklungen durchsetzt, drastisch
vermindert werden kann.
-
Nun wird auf die 3 und 4 verwiesen,
wobei beide Figuren den durch Simulation hergestellten Feldlinienverlauf
innerhalb eines Übertragers
zeigen. Genauer gesagt ist von einem Übertrag mit E-E-Kern ein Viertel
im Schnitt dargestellt, mit vier einlagigen Wicklungen WI1, WI2,
WI3 und WI4, von welchen jedoch nur die erste Wicklung WI1 erregt,
d. h. stromdurchflossen ist. Betrachtet man die ersten beiden Wicklungen
WI1, WI2, so erkennt man, dass ein Teil der von der Wicklung WI1
erzeugten Feldlinien die Wicklung WI2 nicht durchsetzen. Die Feldlinienkonzentration
links und rechts unten in 3 ist
auf den Luftspalt zurückzuführen, der
auch hier aufgeteilt, d. h. sowohl in dem Mittelshenkel als auch
in den Außenschenkeln
vorhanden ist.
-
Betrachtet man nun 4, so erkennt man eine flexible Ferritfolie
FFF, welche über
der äußeren Wicklung
WI2 der beiden Wicklungen WI1, WI2 angeordnet ist und somit beide
Wicklungen WI1, WI2 einhüllt.
Der Feldlinienverlauf zeigt nun – bei gleicher Skalierung wie
in 3 -, dass durch die
Ferritfolie FFF die Feldlinien bzw, der Fluss sozusagen durch die
zweite Wicklung WI2 „gezogen' wird und der Anteil
des Streuflusses radikal verringert wurde, oder dass, mit anderen
Worten, der größte Teil
der Feldlinien beide Wicklungen WI1 und WI2 durchsetzt.
-
Die Erfindung ist nicht auf Transformatoren mit
lediglich zwei Wicklungen beschränkt,
sondern auch bei Vorhandensein mehrerer Wicklungen anwendbar. So
zeigt 2 einen Transformator
mit einer verschachtelten Primär-
bzw. Sekundärwicklung. Die
Primärwicklung
besteht aus einer ersten, innersten Wicklungshälfte PR1 und einer zweiten
Wicklungshälfte
PR2. Über
der ersten Wicklungshälfte PR1
der Primärwicklung
liegt eine erste Wicklungshälfte
SE1 der Sekundärwicklung,
darüber
die zweite Wicklungshälfte
PR2 der Primärwicklung
und darüber,
als äußerste Wicklung,
die zweite Hälfte
SE2 der Sekundärwicklung.
-
Ebenso wie bei der Ausführung nach 2 sind die beiden inneren
Wicklungsteile PR1 und SE1 von einer flexiblen Ferritfolie FF2 umgeben.
Aber auch über
der äußersten
Wicklung SE2 ist eine Ferritfolie FF3 aufgebracht. Schließlich liegt
zwischen der Innenwand des Spulenkörpers SPK und der innersten
Wicklung PR1 eine weitere Ferritfolie FF1. Alle Folien FF1, FF2,
FF3 können
auch hier ein- oder mehrlagig aufgewickelt werden, wobei die Geometrie des
Kerns und der Wicklungen zu berücksichtigen
ist. Die geeignetste Dimensionierung erhält man vorteilhafterweise durch
Computersimulation des Feldlinienverlaufs, die zu Bildern wie 3 und 4 führt.
-
Wesentlich für die Erfindung ist auch die
Flexibilität
oder Schmiegsamkeit der Ferritfolie, die dadurch an die Krümmungen
der Wicklung angepasst werden kann. Eine Ferritfolie kann auch einfach
für die
jeweilige Wicklungsgröße zugeschnitten
werden.
-
Insbesondere bei Schaltwandlern,
seien es Sperr- oder Flusswandler, bringen Übertrager nach der Erfindung
besondere Vorteile. Für
die Realisierung z. B. von Sperrwandlern hoher Leistung ist eine möglichste
Verringerung der Streufeldenenergie von großer Bedeutung. Auch diesem
Ziel kommt die Erfindung sehr entgegen.
-
Es soll darauf hingewiesen werden,
dass die Erfindung bei unterschiedlichsten Übertragertypen verwendbar und
gewinnbringend ist, beispielsweise auch bei Übertragern mit unterschiedlichen
Kernformen, z. B. E-I-Kernen oder Ringkernen, oder mit unterschiedlichen
Wicklungsarten, wie z. B. Scheibenwicklungen. Neben den eigentlichen
Primär-
und Sekundärwicklungen
können
auch Hilfswicklungen vorgesehen sein.