DE19954682C1 - Hochfrequenz-Transformator - Google Patents

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.