DE19954682C1 - Hochfrequenz-Transformator - Google Patents
Hochfrequenz-TransformatorInfo
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Abstract
Es wird ein Hochfrequenz-Transformator (10) beschrieben, der insbesondere für eine Schweiß- oder Schneidmaschine vorgesehen ist. Er weist einen Transformatorkern (12) und eine Primär- und eine Sekundärwicklung (28, 30) auf, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Der Transformatorkern (12) besteht aus U-Kernelementen (14) mit jeweils einem Innenschenkel (16) und einem Außenschenkel (18) und einem diese verbindenden Verbindungsabschnitt (20), wobei zwei U-Kernelemente (14) mit ihren Innenschenkeln (16) zueinander eng benachbart in einer gemeinsamen Ebene, eine E-Kernlage (22) bildend, vorgesehen sind. Zwei E-Kernlagen (22) liegen einander zugewandt eng und spaltfrei aneinander an und bilden eine Transformator-Kernlage (26). Der Transformatorkern (12) weist mindestens eine Transformator-Kernlage (26) auf. Die Innenschenkel (16) der mindestens einen Transformator-Kernlage (26) sind gemeinsam von der Primär- und der Sekundärwicklung (28, 30) umschlossen.
Description
Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Transformator gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Solche auch als Inverter bezeichnete Hochfrequenz-Transformatoren werden bspw. mit
einer Frequenz zwischen 20 und 200 kHz betrieben. Bei den bekannten Hochfrequenz-
Transformatoren der eingangs genannten Art ergibt sich der Mangel, daß eine große
Verlustwärme generiert wird, die mit aufwendigen Kühl-Konstruktionen abgeführt
werden muß. Die bekannten Hochfrequenz-Transformatoren der eingangs genannten
Art sind insgesamt relativ aufwendig aufgebaut, was auf ihre Herstellungskosten und
ihren Verkaufspreis einen entsprechenden Einfluß hat.
Ein Transformator mit einem Kernaufbau der eingangs genannten Art ist aus der US 3 153 213
bekannt. Dort ist jedoch nicht von einem Hochfrequenz-Transformator die
Rede.
Einen Hochfrequenz-Transformator mit einem Transformatorkern und einer Primär- und
Sekundärwicklung, die gegeneinander elektrisch isoliert sind, ist aus der DE 37 00 488 A1
bekannt. Dort bilden zwei E-Kernelemente eine Transformator-Kernlage, deren
Innenschenkel von der Primär- und Sekundärwicklung umschlossen ist. Die beiden E-
Kernelemente sind einteilig ausgebildet, d. h. nicht aus zwei U-Kernelementen gebildet.
Die beiden E-Kernelemente sind außerdem durch einen Spalt voneinander getrennt.
Aus dem Prospekt Siemens Matsushita Components. Ferrite und Zubehör
Lieferprogramm, 1995, Seiten 1, 34, 35 sind Kerne und Materialien für Hochfrequenz-
Transformatoren bekannt.
Die US 4 135 173 beschreibt einen Hochfrequenz-Transformator mit einem
Transformatorkern und einer Primär- und Sekundärwicklung, wobei in Bereichen
größerer Wirbelstromverluste Wicklungen größeren Leiterquerschnitts und in Bereichen
kleinerer Wirbelstromverluste Wicklungen kleineren Leiterquerschnittes vorgesehen sind,
um eine Verbesserung der Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung und eine
Reduzierung der Gesamtverluste zu erzielen ohne das Volumen und das Gewicht des
Transformators zu vergrößern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenz-Transformator der
eingangs genannten Art zu schaffen, der vergleichsweise einfach ausgebildet ist, d. h.
der aus relativ einfachen Einzelteilen besteht und somit relativ preisgünstig realisierbar
ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Hochfrequenz-Transformator der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichenteiles des Anspruches 1 gelöst.
Bspw. kann ein erfindungsgemäßer Hochfrequenz-Transformator mit einer Nennleistung
von 10 kW drei Transformator-Kernlagen besitzen. Dabei sind die Innenschenkel der
Transformator-Kernlagen gemeinsam von der Primär- und der Sekundärwicklung eng
umschlossen. Die Primär- und die Sekundärwicklung können gemeinsam - in Anpassung
an die Außenkontur des durch die Innenschenkel der U-Kernelemente definierten
Kernquerschnittes des Transformatorkernes - auf einem Wickeldorn vorgefertigt
werden. Das vorgefertigte Gebilde aus Primär- und Sekundärwicklung, die geeignet
elektrisch isoliert sind, kann dann mit den U-Kernelementen durch einfaches
Zusammenstecken zum fertigen Hochfrequenz-Transformator kombiniert werden.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-
Transformator die Primär- und die Sekundärwicklung übereinander gewickelte
Metallblechstreifen aufweisen, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die besagten
Metallblechstreifen weisen den Vorteil auf, daß sie bei einer relativ kleinen
Querschnittsfläche eine große Oberfläche besitzen, um dem Skineffekt Rechnung zu
tragen.
Zumindest die Primärwicklung kann aus einer Anzahl Primärwindungen bestehen, die
gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Primärwicklung weist z. B. neun Windungen
und die Sekundärwicklung weist z. B. drei Windungen auf. Hierbei handelt es sich
selbstverständlich nur um ein Ausführungsbeispiel, d. h. es sind auch andere
Windungszahlen und -verhältnisse möglich. Bspw. weist die Sekundärwicklung nur eine
Windung und die Primärwicklung drei Windungen auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Transformator ist die elektrische Isolierung
zweckmäßigerweise von Isoliermaterialstreifen gebildet, die breiter sind als die
Metallblechstreifen der Primär- und der Sekundärwicklung, und die - gemeinsam mit der
Primär- und der Sekundärwicklung gewickelt- beidseitig über die Metallblechstreifen
überstehen, um einen geeigneten Kriechstromschutz zu bewirken. Bei den
Isoliermaterialstreifen kann es sich z. B. um Isolierpapierstreifen handeln. Bei den
Metallblechstreifen für die Primär- und die Sekundärwicklung handelt es sich bspw. um
Kupferblechstreifen.
Zum Anschluß des Hochfrequenz-Transformators an periphere Geräte wie Gleichrichter,
Glättungseinrichtungen und Zerhacker ist es zweckmäßig, wenn von den
Metallblechstreifen der Primär- und der Sekundärwicklung Anschlußelemente
wegstehen. Bei diesen Anschlußelementen kann es sich um Anschlußdrähte,
Anschlußbänder, Anschlußfahnen o. dgl. handeln, die mit den Metallblechstreifen der
Primär- und der Sekundärwicklung kontaktiert sind. Eine andere, bevorzugte Möglichkeit
besteht darin, daß die Anschlußelemente integrale Bestandteile der Metallblechstreifen
sind, die von der Längs- bzw. Umfangsrichtung der Metallblechstreifen senkrecht
weggefaltet sind. Diese zuletzt genannte Ausbildung weist den Vorteil auf, daß eine
Kontaktierung selbständiger Anschlußelemente mit den Metallblechstreifen der Primär-
und der Sekundärwicklung entfällt, so daß die Herstellung des Hochfrequenz-
Transformators weiter vereinfacht ist.
Bevorzugt ist es, wenn der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Transformator mit einer
evakuierten Isolierlackbeschichtung bedeckt ist. Zur Ausbildung dieser
Isolierlackbeschichtung kann der Hochfrequenz-Transformator, bestehend aus den U-
Kernelementen und der Primär- und der Sekundärwicklung in ein evakuiertes
Isolierlackbad eingetaucht werden. Wird der Hochfrequenz-Transformator nach einer
bestimmten Zeitspanne aus dem evakuierten Isolierlackbad wieder entnommen und
getrocknet, so ergibt sich durch den getrockneten bzw. ausgehärteten Isolierlack eine
Verfestigung in der Weise, daß der fertige Hochfrequenz-Transformator eine
mechanisch stabile Einheit bildet. Es ist auch möglich, den Hochfrequenz-Transformator
in einem Gehäuse anzuordnen. Der Zwischenraum zwischen dem Hochfrequenz-
Transformator, der isolierlackbeschichtet sein kann, und dem Gehäuse kann mit einer
evakuierten Isoliermasse vergossen sein.
Bei den beim erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Transformator zur Anwendung
gelangenden U-Kernelementen handelt es sich vorzugsweise um auf dem Markt
verfügbare Kernelemente, wie sie bislang bei der Lautsprecher-Produktion zum Einsatz
gelangen. Derartige U-Kernelemente stehen als Massenprodukte preisgünstig zur
Verfügung, so daß der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Transformator entsprechend
preisgünstig produzierbar ist. Erfindungsgemäße Hochfrequenz-Transformatoren sind im
Vergleich zu bekannten Hockfrequenz-Transformatoren gleicher Leistung, die z. B. 10 kW
betragen kann, infolge ihrer einfachen Konstruktion und ihres einfachen Aufbaus um
einen Faktor 10 preisgünstiger realisierbar als bekannte Hochfrequenz-Transformatoren
der gattungsgemäßen Art.
Bevorzugt ist es, wenn bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Transformator der
Innenschenkel jedes U-Kernelementes einen kreisrunden Vollquerschnitt aufweist, weil
es dann problemlos möglich ist, die Primär- und die Sekundärwicklung auf einem
entsprechenden Wickeldorn vorzufertigen.
Der Außenschenkel und der Verbindungsabschnitt jedes U-Kernelementes kann einen
viereckigen bzw. quadratischen Querschnitt besitzen. Solche U-Kernelemente mit
rundem Innenschenkel und eckigem bzw. quadratischem Außenschenkel und
Verbindungsabschnitt sind auf dem Markt - wie bereits weiter oben ausgeführt worden
ist - preisgünstig verfügbar. Der Erfinder des vorliegenden Vorschlages hat erkannt, daß
solche handelsübliche und bislang für Lautsprecher zur Anwendung gelangende U-
Kernelemente vorteilhaft zur Herstellung des Transformatorkerns eines Hochfrequenz-
Transformators der eingangs genannten Art verwendet werden können.
Jedes U-Kernelement besteht vorzugsweise aus einem gesinterten weichmagnetischen
Material. Derartige U-Kernelemente weisen kleine Hysterese-Verluste auf, so daß der
Wärmeverlust beim Betrieb des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Transformators
entsprechend klein ist. Eine besondere Kühlung kann bis zu bestimmten Nennleistungen
des erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Transformators entbehrlich sein. Auch das wirkt
sich auf die Herstellungskosten des Hochfrequenz-Transformators vorteilhaft aus.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles des
erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Transformators, wobei auf die Darstellung eines
Transformator-Gehäuses verzichtet worden ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht wesentlicher Teile einer Ausbildung des
Hochfrequenz-Transformators, wobei nur einige der U-Kernelemente dargestellt sind,
während zugehörige weitere U-Kernelemente fehlen, und wobei die
Isoliermaterialstreifen zwischen den Windungen der Primär- und der Sekundärwicklung
und zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung zur Vorderseite hin schmäler
werdend gezeichnet sind, um die Primär- und die Sekundärwicklung sichtbar zu
machen,
Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche räumliche Darstellung des Hochfrequenz-Transformators,
wobei nur ein U-Kernelement fehlt und auf die Darstellung des Isoliermaterialstreifens
zur Verdeutlichung der Primär- und der Sekundärwicklung verzichtet worden ist, und
Fig. 3 in einer den Fig. 1 und 2 ähnlichen räumlichen Darstellung den fertigen
Hochfrequenz-Transformator, bestehend aus U-Kernelementen, die zwei Transformator-
Kernlagen bilden, der Primär- und der Sekundärwicklung und dem Isoliermaterialstreifen
zur elektrischen Isolierung der Primär- und der Sekundärwicklung.
Fig. 1 zeigt wesentliche Teile einer Ausbildung des Hochfrequenz-Transformators 10,
der für eine Schweißmaschine wie eine MIG-Schweißmaschine, eine MAG-
Schweißmaschine o. dgl. oder für eine Schneidmaschine vorgesehen sein kann. Der
Hochfrequenz-Transformator 10 weist einen Transformatorkern 12 auf, von welchem
nicht alle Einzelteile dargestellt sind. Der Transformatorkern 12 besteht aus U-
Kernelementen 14, von welchen in Fig. 1 vier unterseitige U-Kernelemente 14 und ein
einziges oberseitiges U-Kernelement 14 räumlich dargestellt sind. Die zugehörigen drei
oberseitigen U-Kernelemente 14 sind in Fig. 1 nicht gezeichnet. Jedes U-Kernelement 14
weist einen Innenschenkel 16, einen Außenschenkel 18 und einen diese miteinander
verbindenden Verbindungsabschnitt 20 auf. Die Innenschenkel 16 besitzen einen
kreisrunden Querschnitt. Die Außenschenkel 18 und die Verbindungsabschnitte 20
besitzen einen viereckig rechteckigen oder quadratischen Querschnitt. Jeweils zwei U-
Kernelemente 14 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wobei ihre
Innenschenkel 16 kreisrunden Querschnittes eng aneinander anliegen, d. h. zueinander
eng benachbart vorgesehen sind und somit in der besagten gemeinsamen Ebene eine E-
Kernlage 22 bilden.
In den Figuren ist ein Hochfrequenz-Transformator 10 mit zwei solchen E-Kernlagen 22
dargestellt, die eng benachbart nebeneinander vorgesehen sind und sich genau
überdecken. Die E-Kernlagen 22 sind in der jeweiligen Ebene einander zugewandt
vorgesehen und liegen aneinander spaltfrei an. Das ist durch die Bezugsziffer 24
verdeutlicht. Die einander zugewandten und spaltfrei aneinander anliegenden E-
Kernlagen bilden eine Transformator-Kernlage 26. In Fig. 3 sind zwei vollständige
Transformator-Kernlagen 26 dargestellt.
Die vier eng nebeneinander vorgesehenen Innenschenkel 16 der E-Kernlagen 22 bzw.
die acht Innenschenkel 16 der beiden Transformator-Kernlagen 26 sind gemeinsam eng
mit einer Primärwicklung 28 und einer Sekundärwicklung 30 umwickelt. Die
Primärwicklung 28 weist bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
vier Windungen und die zu den Innenschenkeln 16 benachbarte Sekundärwicklung 30
weist zwei Windungen auf. Die Windungen der Sekundärwicklung 30 und die
Windungen der Primärwicklung 28 sind jeweils gegeneinander durch einen
Isoliermaterialstreifen 32 elektrisch isoliert, wobei zwischen benachbarten Windungen
jeweils eine Windung des Isoliermaterialstreifens 32 vorgesehen ist. Mit Hilfe dieses
Isoliermaterialstreifens 32 ist außerdem die Sekundärwicklung 30 von der
Primärwicklung 28 elektrisch isoliert. In Fig. 1 sind drei Windungen des
Isoliermaterialstreifens 32 zwischen der Sekundär- und der Primärwicklung 30 und 28
vorgesehen.
Die Sekundärwicklung 30, die Primärwicklung 28 und der Isoliermaterialstreifen 32
werden auf einem der Außenumfangskontur der Innenschenkel 16 entsprechenden
Wickeldorn gemeinsam aufgewickelt, d. h. vorgefertigt. Im Anschluß daran werden die
U-Kernelemente 14 mit ihren Innenschenkeln 16 in das vorgefertigte Gebilde aus
Primär- und Sekundärwicklung 28 und 30 und dem Isoliermaterialstreifen 32 spielfrei
eingesteckt, um den Hochfrequenz-Transformator 10 zu bilden. Dabei sind die lichten
Abmessungen des Gebildes aus Primär- und Sekundärwicklung 28 und 30 und dem
Isoliermaterialstreifen 32 an die Innenschenkel 16 des Transformatorkernes 12 derartig
angepaßt, daß sich nach dem Einstecken der U-Kernelemente 14 eine mechanisch feste
Einheit ergibt. Diese Einheit kann noch dadurch optimiert d. h. verfestigt werden, daß
das Gebilde aus Transformatorkern 12 und vorgefertigter isolierter Primär- und
Sekundärwicklung 28 und 30 in ein evakuiertes Isolierlackbad eingetaucht wird. Die
Isolierlackbeschichtung verbessert nach ihrer Aushärtung die mechanische Festigkeit
des Hochfrequenz-Transformators 10, d. h. die mechanische Verbindung aller seiner
Einzelteile.
Wie aus Fig. 1 sowie aus den Fig. 2 und 3, in welchen gleiche Einzelheiten jeweils
mit den selben Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind, so daß es sich erübrigt, in
Verbindung mit den Fig. 2 und 3 alle diese Einzelheiten noch einmal detailliert zu
beschreiben, ersichtlich ist, besteht die Primärwicklung 28 aus einem
Metallblechstreifen 34 und die Sekundärwicklung 30 aus einem Metallblechstreifen 36.
Bei diesen Metallblechstreifen 34 und 36 gleicher Breite handelt es sich bspw. um
Kupferblechstreifen. Bei dem Isoliermaterialstreifen 32 handelt es sich z. B. um einen
Isolierpapierstreifen 38. Der Isoliermaterialstreifen 32 weist eine Breite auf, die größer
ist als die Breite der Metallblechstreifen 34 und 36 der Primär- und der
Sekundärwicklung 28 und 30. Der Isoliermaterialstreifen 32 wird mit der
Sekundärwicklung 30 und mit der Primärwicklung 28 derartig gemeinsam gewickelt,
daß der Isoliermaterialstreifen 32 mit seinen beiden Längsrändern 38, d. h. beidseitig
über die Metallblechstreifen 34 und 36 übersteht, um die Isolation und Kriechfestigkeit
zu verbessern.
Wie aus den Fig. 1, 2 und 3 ersichtlich ist, stehen von den Metallblechstreifen 34
und 36 der Primär- und der Sekundärwicklung 28 und 30 Anschlußelemente 38 und 40
weg. Bei diesen Anschlußelementen 38 und 40 kann es sich um integrale Bestandteile
der Metallblechstreifen 34 und 36 handeln.
Claims (13)
1. Hochfrequenz-Transformator insbesondere für eine Schweiß- oder Schneidmaschine,
mit einem Transformatorkern (12) und einer Primär- und Sekundärwicklung (28, 30),
die gegeneinander elektrisch isoliert sind, wobei der Transformatorkern (12) aus U-
Kernelementen (14) mit jeweils einem Innenschenkel (16) und einem Außenschenkel
(18) und einem diese verbindenden Verbindungsabschnitt (20) besteht, wobei zwei
U-Kernelemente (14) mit ihren Innenschenkeln (16) zueinander eng benachbart in
einer gemeinsamen Ebene, eine E-Kernlage (22) bildend, vorgesehen sind, und zwei
E-Kernlagen (22), eine Transformator-Kernlage (26) bildend, einander zugewandt eng
und spaltfrei aneinander anliegen, und
wobei die Innenschenkel (16) der mindestens einen Transformator-Kernlage (26)
gemeinsam von der Primär- und der Sekundärwicklung (28, 30) umschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß der Transformatorkern (12) mehr als eine
Transformator-Kernlage (26) aufweist, die zueinander parallel eng benachbart
vorgesehen sind.
2. Hochfrequenz-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Innenschenkel (16) der Transformator-Kernlagen (26) gemeinsam von der Primär- und
der Sekundärwicklung (28, 30) umschlossen sind.
3. Hochfrequenz-Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Primär- und die Sekundärwicklung (28, 30) gemeinsam vorgefertigt sind.
4. Hochfrequenz-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Primär- und die Sekundärwicklung (28, 30) übereinander
gewickelte Metallblechstreifen (34, 36) aufweisen, die gegeneinander elektrisch isoliert
sind.
5. Hochfrequenz-Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zumindest die Primärwicklung (28) aus einer Anzahl Primärwindungen besteht, die
gegeneinander elektrisch isoliert sind.
6. Hochfrequenz-Transformator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektrische Isolierung von einem Isoliermaterialstreifen (32) gebildet ist, der breiter
ist als die Metallblechstreifen (34, 36) und der, gemeinsam mit der Primär- und der
Sekundärwicklung (28, 30) gewickelt, beidseitig über die Metallblechstreifen (34, 36) der
Primär- und der Sekundärwicklung (28, 30) übersteht.
7. Hochfrequenz-Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß von den Metallblechstreifen (34, 36) der Primär- und der
Sekundärwicklung (28, 30) Anschlußelemente (38, 40) wegstehen.
8. Hochfrequenz-Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Anschlußelemente (38, 40) integrale Bestandteile der Metallblechstreifen (34, 36) sind,
die von der Längs- bzw. Umfangsrichtung der gewickelten Metallblechstreifen (34, 36)
senkrecht weggefaltet sind.
9. Hochfrequenz-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß er mit einer evakuierten Isolierlackbeschichtung bedeckt ist.
10. Hochfrequenz-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß er in einem Gehäuse angeordnet ist.
11. Hochfrequenz-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Innenschenkel (16) jedes U-Kernelementes (14) einen kreisrunden Vollquerschnitt
aufweist.
12. Hochfrequenz-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Außenschenkel (18) und der Verbindungsabschnitt (20) jedes U-Kernelementes (14)
einen viereckigen Querschnitt aufweist.
13. Hochfrequenz-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
U-Kernelement (14) aus einem gesinterten weichmagnetischen Material besteht.
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