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Transformator Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator,
enthaltend wenigstens zwei um eine Achse gegeneinander drehbare Wicklungen sowie
diesen zugeordnete Joche, zwischen welchen Luftspalte vorhanden sind. Derartige
Transformatoren dienen zur berührungsfreien Energieübertragung zwischen zwei gegeneinander
drehbaren Bauteilen, wobei die zur Führung des Magnetflusses vorgesehenen Joche
aus geschichteten Blechen oder, falls höher frequente elektrische Leistungen zu
übertragen sind, aus gepreßten Ferriten bestehen. Werden derartige Transformatoren
großen Temperaturschwankungen unterworfen, so können sich aufgrund der unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten sowie der thermischen Leitfähigkeit der verwendeten Materialien
Temperaturspannungen ergeben, die zur Beschädigung oder Zerstörung des Transformators
führen. Durch entsprechend starke mechanische Dimensionierung des Transformators
ließen sich diese Probleme zwar lösen, doch ist ein hierdurch erhöhter Platzbedarf
sowie ein größeres Gewicht für viele Anwendungsfälle unerwünscht. Insbesondere steht
eine solche Lösung den Anforderungen der Raumfahrttechnik genau entgegen. -.Jeiterhin
ist
hinsichtlich des Platzbedarfs und der thermischen Leitfähigkeit die Ausbildung der
Wicklung von wesentlicher Bedeutung, damit insbesondere bei höheren Frequenzen beispielsweise
von einigen MIz die Wirbelstromverluste möglich gering bleiben und die entstehende
Wärme gut abgeleitet werden kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die angegebenen
Probleme zu lösen und einen Transformator zu schaffen, welcher eine hohe mechanische
Festigkeit sowie ein gutes Temperaturverhalten aufweist. Diese Aufgabe wird gemäß
des ersten Patentanspruches dadurch gelöst, daß die Joche jeweils dicht nebeneinander
angeordnete Ringe aufweisen, welche aus Ferriten und/oder gewickelten ferromagnetischen
Bändern hergestellt sind.
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Der erfindungsgemäße Transformator zeichnet sich aus durch einen einfachen
Aufbau und weist dennoch eine hohe mechanische Festigkeit auf. Auch größere Temperaturschwankungen
können von den in Ringen unterteilten Jochen aufgenommen werden, wobei die Gefahr
des Brechens der Ferritringe Wesentlich vermindert ist. Außerdem können auf diese
Weise Transformatoren unterschiedlicher Leistungsdaten unter Verwendung von im wesentlichen
gleich ausgebildeten Ringen hergestellt werden, wobei lediglich die Anzahl der verwendeten
Ringe zu verändern ist. Die genannten Ringe bestehen bevorzugt aus vorgefertigten,
handelsüblichen Ferriten und/ oder Schnittbandkernen, was sich für die Herstellungs-
und Materialkosten als sehr vorteilhaft erweist. Die Joche weisen bevorzugt einen
u-förmigen Querschnitt auf, so daß sich bei emperaturschwankungen und Wärmedehnungen
die kreisförmigen Luftspalte zwischen den Schenkeln auch nur unwesentlich ändern
können. In einem solchen Querschnitt lassen sich auf die Wicklungen sehr einfach
einlegen und befestigen.
Die Kombination von gewickeltem Randkern
mit aus Ferriten bestehenden Schenkeln zeichnet sich bei minimalem Gewicht und geringem
Volumen durch eine hohe Festigkeit aus. Die Ausbildung der Wicklungen aus bandförmigem
Material ergibt einerseits einen guten Wicklungsfaktor (geringer Platzbedarf) und
andererseits eine gute thermische Leitfähigkeit. Durch Verwendung mehrerer, ineinander
geschobener Wendeln wird in vorteilhafter Weise eine weitere Reduzierung von Wirbelstromverlusten
erreicht. Die Herstellung der Wendel kann durch Herausschneiden aus dem Vollen,
d.h. aus einem hohlzylindrischen Körper oder bevorzugt durch konisches Walzen eines
Leiterbandes erfolgen.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnung näher erläutert. In Fig. 1 ist ein Drehtransformator dargestellt,
dessen Wicklungen 1, 2 und 3, 4 um die Achse 5 gegeneinander drehbar sind. Die genannten
Wicklungen sowie die zugeordneten Joche 7, 8, sind auf rohrförmigen Bauteilen 9,
10 angeordnet, welche ebenfalls um die Achse 5 drehbar sind, wobei mittels des Transformators
eine berührungsfreie Energieübertragung zwischen den genannten Bauteilen erfolgt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 10 mit Solarpaddeln (nicht
dargestellt) und das Bauteil 9 mit einem Raumfahrzeug oder Satelliten verbunden,
auf welchen die mittels der Solarpaddel gewonnene elektrische Energie berührungsfrei
übertragen wird.
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Die genannten Joche 7, 8 weisen jeweils einen u-förmigen Querschnitt
auf, wobei zwischen den Schenkeln 11, 12 bzw. 13, 14 kreisförmige Ringspalte 15,
16 mit gleichem Durchmesser vorhanden sind. Auf diese Weise können die derart gebildeten
Transformatorteile sehr leicht montiert werden. Weiterhin beeinflussen Temperaturänderungen
die Weite der Luftspalte nur unwesentlich, da solche änderungen im wesentlichen
zu axialen Verschiebungen führen. Die genannten Schenkel sind als Ferritringe ausgebildet,
zwischen welchen weitere Ringe,
jedoch von geringerer Stärke vorgesehen
sind. In der auf der linken Figurenseite dargestellten Version sind die letztgenannten
Ringe ebenfalls als Ferritringe 17, 18, ausgebildet, während auf der rechten Figurenseite
eine Version mit gewickelten Schnittbandkernen 19, 20 dargestellt ist.
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Derartige Schnittbandkerne zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit
aus und können daher lediglich unter Berücksichtigung des erforderlichen Querschnittes
für den magnetischen Fluß sehr dünn dimensioniert werden (geringes Gewicht). Die
genannten Bandkerne sind zur Herstellungserleichterung auf dünnen Aluminium-Hülsen
21, 22 angeordnet, deren axiale Länge etwas kleiner istals die der Bandkerne. Wie
bereits ausgeführt, befinden sich innerhalb der u-förmigen Joche die Wicklungen,
welche als ineinander gedrehte Wendeln 1, 2 bzw. 3, 4 ausgebildet sind. Zwischen
den genannten Wendeln befindet sich Isolationsmaterial, welches der Einfachheit
halber hier nicht dargestellt ist. Die Wendeln haben eine gemeinsame mit der Drehachse
5 identische Achse, so daß die Breitseiten 24, 25 der dünnen Wendeln aus bandförmigem
Material in etwa in Radialebenen liegen. Aufgrund des geringen Querschnittes der
Wendeln können die Wirbelstromverluste selbst bei Frequenzen von einigen KHz sehr
gering gehalten werden, wobei jedoch mit derartigen Wicklungen Füllfaktoren in der
Größenordnung von 0,8 erreicht werden. Als weiterer sehr entscheidender Vorteil
sei auch die gute thermische Leitfähigkeit der Wicklung genannt. Die Herstellung
der WendeTn durch konisches Walzen von dünnen Bändern, beispielsweise aus Kupfer
oder Aluminium, bereitet zur Überraschung der Fachleute keine besonderen Schwierigkeiten.
In axialen Bohrungen 27 der Schenkel 12 bis 15 sind Kontaktstifte 28 angeordnet,
welche an die genannten Wendeln vorzugsweise hart angelötet sind. Bei einer derartigen
Anordnung der Kontaktstife ergeben sich auch bei großen TemperaturschwaalkaLngen
und der damit verbundenen axialen Ausdehnungen.praktisch keine Druck- oder Zugspannungen
an den Verbindungsstellen zwischen den Kontaktstiften und Wendeln aufgrund der elastischen
Nachgiebigkeit der Wendeln.
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- Patentansprüche -