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Die
Erfindung betrifft einen streuungsbehafteten Transformator für einen
DC-DC-Konverter mit einem Resonanzkreis, bestehend aus zwei Wicklungen,
insbesondere einer Primärwicklung
und einer Sekundärwicklung,
und einem aus drei Schenkeln, bevorzugt durch einen linken Schenkel,
einen Mittelschenkel und einen rechten Schenkel, gebildeten Magnetkern,
wobei in einem Schenkel zumindest ein Luftspalt angeordnet ist.
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Im
Leistungsteil von DC-DC-Konvertern, welche auf dem Prinzip des Resonanzwandlers
(z.B. Serien-, Parallel- oder Serien-Parallel-Wandler) beruhen,
findet man neben Leistungshalbleitern, Kondensatoren, Transformatoren,
usw. auch Induktivitäten. Diese
werden häufig
als ein eigenständiges
Bauelement aufgebaut. Es besteht aber auch die Möglichkeit diese Induktivität im Transformator,
welcher auch Bestandteil des Leistungsteils ist, zu integrieren.
Dies geschieht dadurch, dass man die Streuung des Transformators
gezielt erhöht,
so dass die Streuinduktivität
des Transformators gleich der gewünschten Induktivität ist.
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Die
JP 101 63 046 A zeigt
einen Transformator, welcher eine Gleichtakt- und eine Gegentaktspule
vereint und ein geringes Streufeld hat. Dadurch, dass beide Wicklungen
den Mittelschenkel umschließen,
wird erreicht, dass der Streufluss, welcher nach außen tritt,
stark reduziert wird.
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Die
EP 706 192 A1 zeigt
eine Drosselspule, welche gezielt gegen Gleichtaktstörungen eingesetzt werden
kann. Ein Kern wird für
den Fluss der Induktivität
für den
Gegentaktanteil und ein Kern für
den Gleichtaktanteil eingesetzt. Dabei können zwei unterschiedliche
Kerne mit unterschiedlichen Materialien eingesetzt werden.
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Schließlich zeigt
die
DE 954 901 C einen Transformator
für elektrische
Lichtbogenschweißung mit
Streueisenkern, welcher die Stromabhängigkeit der Sekundärspannung
dadurch reduziert, dass der Streukern physikalisch vom Transformatorkern
getrennt wird. Die Sekundärwicklung
des Transformators umschließt
sowohl den Schenkel der Primärwicklung
als auch den Streuflussschenkel.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung
eines streuungsbehafteten Transformators für einen DC-DC-Konverter mit einem Resonanzkreis,
bei dem ein einfacher Aufbau mit nur zwei Wicklungen, also einer
einzigen Primärwicklung
und einer einzigen Sekundärwicklung,
erzielt werden kann.
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Gelöst wird
die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch,
dass ein Teil einer Wicklung zwei Schenkel umschließt, wobei
ein Schenkel davon den Luftspalt aufweist, und dass die weitere
Wicklung auf dem Schenkel ohne Luftspalt angeordnet ist, wobei dieser Schenkel
auch von der anderen Wicklung umschlossen ist. Der Vorteil liegt
darin, dass diese Wicklungsanordnung ein geringeres äußeres Streufeld
und somit ein besseres Verhalten bezüglich der elektromagnetischen
Verträglichkeit
(EMV) zeigt, dass der Magnetkern inklusive Streupfad nur aus zwei
Teilen besteht und dass die Streuinduktivität leicht und reproduzierbar über den
Luftspalt eingestellt werden kann.
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Weitere
vorteilhafte Ausbildungen sind in den Ansprüchen 2 bis 17 beschrieben.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Darin
zeigen:
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1 bis 4 eine
schematische Darstellung unterschiedlicher streuungsbehafteter Transformatoren;
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5 eine
schematische Darstellung eines streuungsbehafteten Transformators
mit zusätzlichen
Kernelementen;
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6 und 7 eine
schematische Darstellung unterschiedlicher streuungsbehafteter Transformatoren
mit zwei Grundkernen;
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8 und 9 eine
schaubildliche Darstellung unterschiedlicher streuungsbehafteter
Transformatoren mit zwei koaxial ineinander liegenden, toroidförmigen Magnetkernen.
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In
den 1 bis 9 sind unterschiedliche Ausführungsformen
eines streuungsbehafteten Transformators 1 in vereinfachter,
schematischer Darstellung gezeigt. Ein derartiger streuungsbehafteter
Transformator 1 wird bevorzugt in einem DC-DC-Konverter
eingesetzt, der einen Resonanzkreis aufweist.
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Grundsätzlich kann
gesagt werden, dass bei der Methode der Integration der Induktivität in einen Transformator 1 durch
die gezielte Erhöhung
der Streuinduktivität
ein zusätzlicher
horizontaler oder ein vertikaler Streupfad im Transformator 1 eingesetzt
wird, wobei bei der erfindungsgemäßen Lösung ein vertikaler Streupfad
verwendet wird. Dieser vertikale Streupfad verläuft dabei parallel zur Wicklungsachse
zumindest einer Wicklung.
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Der
streuungsbehaftete Transformator 1 für einen DC-DC-Konverter mit
einem Resonanzkreis besteht aus zwei Wicklungen, insbesondere einer Primärwicklung 2 und
einer Sekundärwicklung 3,
und einem aus drei Schenkeln 4-6, bevorzugt einen linken
Schenkel 4, einen Mittelschenkel 5 und einen rechten
Schenkel 6, die über
Joche 7 miteinander verbunden sind, gebildeten Magnetkern 8, 12.
Der Streupfad wird durch einen der Schenkel 4-6 gebildet,
welcher zumindest einen Luftspalt 9 aufweist.
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Wesentlich
bei der erfindungsgemäßen Lösung ist,
dass zumindest ein Teil einer Wicklung, also der Sekundärwicklung 3 oder
der Primärwicklung 2, zwei
Schenkel 4–6 umschließt, wobei
ein Schenkel 4–6 den
Luftspalt 9 aufweist, und dass die weitere Wicklung, also
die Primärwicklung 2 oder
die Sekundärwicklung 3,
auf einem der Schenkel 4–6 ohne Luftspalt 9 angeordnet
ist, wobei dieser Schenkel 4–6 auch von der anderen
Wicklung, also der Sekundärwicklung 3 oder
der Primärwicklung 2 umschlossen ist.
Hierbei bildet der Schenkel 4–6 mit dem Luftspalt 9 und
ein Schenkel 4–6 ohne
Luftspalt 9 einen Streuflusspfad 10, wie mit strichpunktierten
Linien eingezeichnet. Die zwei Schenkel 4-6 ohne Luftspalt 9 bilden
einen Hauptflusspfad 11, wie mit strichlierten Linien eingezeichnet.
Im Streuflusspfad 10 wird der Streufluss und im Hauptflusspfad 11 der
Hauptfluss bei stromdurchflossenen Wicklungen 2, 3 ausgebildet.
Der Streuflusspfad 10 führt
dabei immer durch jenen Schenkel 4–6, der den Luftspalt 9 aufweist. Hierbei
ist es auch möglich,
am Schenkel 4–6 oder
einem zur Bildung des Streuflusspfades 10 dazugehörenden Jochs 7 mehrere
Luftspalte 9 anzuordnen oder ein Teil des Kerns 8, 12,
insbesondere ein Teil des Streuflusspfades 10, kann durch
ein Material mit verteiltem Luftspalt 9, insbesondere aus
einem Material mit niedriger Permeabilität (z.B. Vitroperm), gebildet
werden.
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Die
Schenkel 4–6 und/oder
das Joch 7 können
abschnittsweise unterschiedliche Querschnitte aufweisen, wodurch
die Verluste durch entsprechende Anpassung der Querschnitte reduziert
werden können.
Dabei wird der Transformator 1 derart ausgelegt, dass der
Hauptflusspfad 11 und der Streuflusspfad 10 einen
definierten Querschnitt aufweisen, sodass nach heutigem Stand der
Technik eine vorgegebene maximale Flussdichte zwischen OT und 2T,
bevorzugt zwischen 0.05T und 0.3T bei hochfrequentem Betrieb für den Einsatz
in einem resonanten Inverter für
die Schweißtechnik
gegeben ist.
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Wie
aus 1 ersichtlich, ist der Kern 8, 12 bevorzugt
aus einem Doppel-E-Kern 8 und 12 oder einem E-I-Kern,
gebildet. Selbstverständlich
ist es aber auch möglich,
dass der Kern 8, 12 aus zwei unabhängigen Kernen 8 und 12,
insbesondere aus zwei U-I-Kernen
oder zwei U-U-Kernen, gebildet ist, wie dies nachstehend noch in
einem Ausführungsbeispiel
beschrieben wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in 1 ist
ein Außenschenkel,
also der linke Schenkel 4 oder der rechte Schenkel 6 mit dem
Luftspalt 9 ausgebildet. Gemäß 1 weist
der rechte Schenkel 6 den Luftspalt 9 auf, sodass
sich nunmehr der Streuflusspfad 10 vom Mittelschenkel 5 über die
Joche 7 zum rechten Schenkel 6 erstreckt, wogegen
der Hauptflusspfad 11 vom Mittelschenkel 5 über die
Joche 7 zum linken Schenkel 4 verläuft. Dabei
ist die Primärwicklung 2 nur
am Mittelschenkel 5 angeordnet, wogegen die Sekundärwicklung 3 den Mittelschenkel 5 und
den linken Schenkel 6 mit dem Luftspalt 9 umschließt. Grundsätzlich können für die vorstehend
beschriebene Ausführungsform
und die nachfolgend angegebenen Realisierungsformen die Primär- und Sekundärwicklung 2, 3 ohne
prinzipiellen Einfluss auf die Funktion auch vertauscht werden.
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In 2 ist
ein ähnliches
Ausführungsbeispiel
wie in 1 beschrieben, wobei jedoch der Transformator 1 eine
andere Wicklungsanordnung aufweist. Dabei ist ein erster Teil 13 der
Sekundärwicklung 3 nur
um den Mittelschenkel 5 und der weitere Teil 14 der
Sekundärwicklung 3 um
den linken Schenkel 4 oder rechten Schenkel 6,
also um den Schenkel mit dem Luftspalt 9, im gezeigten
Fall den rechten Schenkel 6, angeordnet. Die Primärwicklung 2 ist
nur auf dem Mittelschenkel 5 angeordnet. Die Sekundärwicklung 3 wird
aus einer durchgehenden ununterbrochenen Wicklung gebildet und derart
gewickelt, dass der Wicklungsdraht beispielsweise zuerst nur um
den Mittelschenkel 5 gewickelt wird und anschließend in
einem Arbeitsschritt, also ohne Unterbrechung des Wicklungsdrahtes,
dieser um den rechten Schenkel 6 und den Mittelschenkel 5 geführt wird,
wodurch zwei Teile 13 und 14 der Sekundärwicklung 3 geschaffen
werden, die unterschiedlich am Magnetkern 8, 12,
insbesondere an verschiedenen Schenkeln 4–6,
angeordnet sind.
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In
den 3 und 4 sind zwei Ausführungsbeispiele
gezeigt, bei denen nunmehr der Luftspalt 9 im Mittelschenkel 5 angeordnet
ist, wobei sich die beiden Ausführungsbeispiele
durch die Wicklungsanordnungen unterscheiden. Durch die Anordnung
des Luftspaltes 9 im Mittelschenkel 5 bildet sich
nunmehr der Hauptflusspfad 11 derart aus, dass sich dieser
vom linken Schenkel 4 über
das Joch 7 zum rechten Schenkel 6 und wieder über das Joch
7 zum linken Schenkel 4 zurück erstreckt. Der Streuflusspfad 10,
erstreckt sich nunmehr vom Mittelschenkel 5 über das
Joch 7 zum rechten Schenkel 6 und wieder über das
Joch 7 zurück
zum Mittelschenkel 5. Dabei ist die Ausbildung des Streuflusspfades 10 und
des Hauptflusspfades 11 von der Anordnung der Wicklungen
abhängig,
sodass sich andere Flussverteilungen ergeben können.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3 sind die
Primärwicklung 2 und
die Sekundärwicklung 3 derart
auf dem Magnetkern 8, 12 angeordnet, dass die
Primärwicklung 2 auf
einem außenliegenden Schenkel,
insbesondere am linken Schenkel 4, angeordnet ist, wogegen
die Sekundärwicklung 3 um
zwei Schenkel, insbesondere den linken Schenkel 4 und den
Mittelschenkel 5, verläuft.
Bei der Anordnung des Luftspaltes 9 am Mittelschenkel 5 ist
beispiels weise die Primärwicklung 2 auf
einem außenliegenden Schenkel,
insbesondere auf dem linken Schenkel 4 und/oder dem rechten
Schenkel 6, und die Sekundärwicklung 3 um den
selben außenliegenden
Schenkel, also den linken Schenkel 4, und den Mittelschenkel 5 mit
dem Luftspalt 9 angeordnet.
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Beim
Ausführungsbeispiel
gemäß 4 hingegen
ist ein Teil 13 der Sekundärwicklung 3 auf dem außenliegenden
Schenkel ohne Luftspalt, beispielsweise auf dem linken Schenkel 4,
auf dem auch die Primärwicklung 2 angeordnet
ist, und der weitere Teil 14 der Sekundärwicklung 3 um den
linken Schenkel 4 und den Mittelschenkel 5 mit
Luftspalt 9 angeordnet, wobei die Primärwicklung 2 wiederum
auf dem gleichen außenliegenden
Schenkel wie die Sekundärwicklung 3,
also auf dem linken Schenkel 4, angeordnet ist.
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Um
die Permeabilität
des Streuflusspfades 10 zu erhöhen, also eine größere Streuung
zu erreichen, oder um den Streufluss aufzuteilen, ist es möglich, an
den Magnetkern 8, 12, insbesondere den Doppel-E-Kern,
zwei weitere U-Kerne 15, 16 aus niederpermeablem
Material anzuschließen.
Alternativ dazu kann statt dem niederpermeablen Material auch hochpermeables
Material mit einem oder mehreren Luftspalten eingesetzt werden.
Diese U-Kerne sind derart angeordnet, dass das obere und untere
Joch 7 des Doppel-E-Kerns 8, 12 verlängert wird
und zwei weitere Zusatzschenkel 17, 18 angeordnet
werden. Die Primärwicklung 2 und
die Sekundärwicklung 3 können dabei
derart angeordnet werden, dass diese jeweils auf einem Schenkel,
insbesondere auf dem linken Schenkel 4 und auf dem rechten
Schenkel 6 ohne Luftspalt 9 am Doppel-E-Kern 8, 12 angeordnet sind.
Ein derartiges Beispiel ist in 5 schematisch dargestellt.
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Hierbei
ergeben sich nunmehr mehrere, insbesondere vier Streuflusspfade 10, 19, 20 und 21. Dabei
bilden sich zwei Streuflusspfade 19, 20 über die
hinzugefügten
Kerne 15, 16 und den benachbarten linken Schenkel 4 und
den rechten Schenkel 6 aus. Der dritte Streuflusspfad 10 bildet
sich über
den Mittelschenkel 5 mit dem Luftspalt 9 und dem
rechten Schenkel 6 aus und der vierte Streuflusspfad 21 bildet
sich über
den Mittelschenkel 5 mit dem Luftspalt 9 und den
linken Schenkel 4 aus.
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In 6 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel für den Aufbau
des streuungsbehafteten Transformators 1 gezeigt. Dabei
wird der Kern aus zwei Doppel-E-Kernen 8, 12u. 15, 16 gebildet.
Der Luftspalt 9 ist in jedem Doppel-E-Kern 8, 12 u. 15, 16 im
Mittelschenkel 5 angeordnet, wobei die Primärwicklung 2 um
beide Mittelschenkel 5 mit dem Luftspalt 9 angeordnet
ist, wogegen die Sekundärwicklung 3 an
zwei außenliegenden
Schenkeln der beiden Doppel-E-Kerne 8, 12 u. 15, 16 angeordnet
ist. Somit werden nunmehr zwei Hauptflusspfade 11, und
zwei Streuflusspfade 10, erzeugt.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist ersichtlich, dass allgemein auch die Primärwicklung 2 zur Erzeugung
des Streuflusses eingesetzt werden kann, wobei allgemein sowohl
die Primärwicklung 2 als
auch die Sekundärwicklung 3 einen
Beitrag für
die Erzeugung eines Streuflusses leisten.
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Weiters
ist darauf hinzuweisen, dass die in 6 gezeigte
Kernanordnung auch als Durchmesserquerschnitt eines Topfkernes mit
einer unteren Hälfte 8 und
einer oberen Hälfte 12 und
einer inneren und einer äußeren Wicklungskammer
verstanden werden kann, wobei die Sekundärwicklung 3 um den dann
kreisrunden Mittelteil 4 und die Primärwicklung 2 um den
dann zylinderförmigen
Teil 5 des Magnetkreises mit kreisringförmigem Luftspalt 9 anzuordnen ist.
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Auch
ist es möglich,
dass bei Verwendung zweier Kerne 8 und 12, wie
beispielsweise in 7 mit zwei U-I-Kernen oder U-U-Kernen
dargestellt, ein Teil 13 der Sekundärwicklung 3 an jenem
Kern 8 ohne Luftspalt und der weitere Teil 14 der
Sekundärwicklung 3 auch
um den weiteren Kern 12 mit dem Luftspalt 9 angeordnet
ist, und dass die Primärwicklung 2 auf
dem Kern 8 ohne Luftspalt 9 positioniert ist.
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In
den 8 und 9 sind Ausführungsbeispiele beschrieben,
bei denen der Kern aus zwei koaxial ineinanderliegenden, toroidförmigen Kernen 8, 12 gebildet
ist, wobei ein Kern 8 den Hauptflusspfad 11 und
der weitere Kern 12 den Streuflusspfad 10 ausbildet.
Hierbei ist, wie aus 8 ersichtlich die Primär- wicklung 2 an
beiden Kernen 8, 12 angeordnet, wogegen die Sekundärwicklung 3 nur
am Kern 8 des Hauptflusspfades 11 angeordnet ist.
Bei der Ausführungsform
in 9 ist hingegen nur ein Teil 14 der Primärwicklung 2 an
beiden Kernen 8, 12 angeordnet, während die
Sekundärwicklung 3 am
Magnetkern 8 des Hauptflusspfades 11 angeordnet
ist.
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Weiters
ist es möglich,
bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
einen speziell ausgebildeten Draht bzw. Wicklungsaufbau einzusetzen. Dabei
können
beispielsweise die Windungen der Primärwicklung und/oder der Sekundärwicklung
derart ausgebildet sein, dass zwischen jeder Windung oder Lage ein
Isoliermaterial, insbesondere ein dielektrisches Material, angeordnet
ist, sodass im Transformator zusätzlich
zur Induktivität
eine Kapazität
realisiert wird.