DE2549327A1

DE2549327A1 - Transformator

Info

Publication number: DE2549327A1
Application number: DE19752549327
Authority: DE
Inventors: Carlo Santini
Original assignee: AES APPLIC ELETTRON SpA
Current assignee: AES APPLIC ELETTRON SpA
Priority date: 1974-11-11
Filing date: 1975-11-04
Publication date: 1976-05-13
Also published as: ES442494A1; FR2290750B1; CA1073978A; FR2290750A1; CH603002A5; JPS5170414A; IT1023916B; SE7512527L

Description

VUTt Köln, den 5.11.1975

DIPL-ING. BUSCHHOFF Reg.-Nr. Al 301

DiPL-ING. HENNICKE

DlPL-ING. VOLLBACH 2549327

5 KÖLN

KAlSER-WiLHElM-RlNG 24

A.E.S. APPLICAZIONI ELETTRONICHS S.p.A.. in Genua (Italien) ^H Transformator "

Die Erfindung betrifft einen Transformator, insbesondere für Hochfrequenz-Starkströme, der bevorzugt als Schweias= transformator verwendbar ist.

Die durch Verluste erzeugte Erwärmung der Transformatoren ist bei Transformatoren für Hochfrequenz-Starkstrom (bis 30-35000 Hz) besonders stark. Solche Hochfrequenz- -Transformatoren werden u.a. für PrUfeinrichtungen, Induk= tionserhitzer, Hochfrequenz-Warmbehandlung u.dgl., ins= besondere auch als Schweisstransformatoren für Hochfre= quenzstrom z.B. von 500-20000 Hz, vorzugsweise von 3000- -15000 Hz benutzt. Der Eisenkern der herkömmlichen Hochfrequenz-Starkstrom-Transformatoren, insbesondere der Schweisstransformatoren dieser Art ist ausserdem immer noch verhaitnism&ssig schwer und gross und wirkt sich

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nachteilig auf den Platzbedarf und daa Gewicht der ent- sprechenden Geräte aus. Besondere nachteilig ist daa grosae Gewicht der Hochfrequenz-Schweisstransformatoron bei tragbaren oder verfahrbaren Handschweissgeräten ftlr Lichtbogenschweissung.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Abfuhr der VerlustwUrme in Transformatoren zu verbessern und einen Transformator, insbesondere einen Transformator ftlr Hochfrequenz-Stark= strom bzw. einen Hochfrequenz-Schweisstransformator zu schaffen, der in Verbindung mit einer einfachen baulichen Ausbildung starker als bisher gekohlt werden kann und infolgedessen einen kleineren und leichteren Eisenkern aufweist.

!Diese Aufgabe wird erfindungsgeraäas durch rohrförmige, konzentrisch ineinander angeordnete_/voneinander in radia= ler Richtung abstehende Wicklungstragkörper gelöst, die je eine Windungsschicht der Primär- und Sekundärwicklungen tragen und zwischen^einander durchgehende Kühlkanäle mit ringförmige^Querschnitt bilden.

Bei dieser Ausbildung werden also zwischen den einzelnen rohrförmigen Wicklungstragkörpern, die je eine Windungs= schicht der Primär-und Sekundärwicklungen des Transforma= tors tragen, durchgehende, im Querschnitt ringförmige Kühlkanäle gebildet, durch die die Kühlluft frei in achsparalleler Richtung durchströmen kann. Dabei kann

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die Kühlluft sowohl jede einzelne Windungachicht, insbesondere auf ihrer ausseren Seite, als auch jeden ein» zelnen Wicklungstragkörper, insbesondere auf seiner Innen» mantelflache, vollständig und intensiv bestreichen. Dadurch wird eine besonders gute Kühlung der Wicklungen und der Wicklungstragkörper, infolgedessen auch des ganzen Transformators erzielt. Der Eisenkern kann deshalb kleiner und leichter ausgebildet werden, was auch den Platzbedarf und das Gewicht der mit diesen Transformatoren ausgerüsteten Gerate entsprechend herabsetzt.

Die rohrförmigen Wicklungstragkörper können im Querschnitt eine beliebige Form aufweisen. Die Kühlung des Transfor= mators, insbesondere auch des Eisenkerns kann zusätzlich noch dadurch verstärkt werden, dass die X'ohrförrnigen 7/icklungstragkörper einen kreisförmigen Querschnitt auf= weisen und einen im Querschnitt rechteckigen Schenkel des Eisenkerns umschliessen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden zwischen dem rechteckigen Eisenkern= schenkel und dem innersten kreiazylinderförmigen Wicklungs= tragkörper l&ngsgerichtete Ktthlkanale mit kreissegment= förmigem Querschnitt gebildet, die eine ausgezeichnete Kühlung der Längsseiten des Eisenkernschenkelβ gewahr* leisten.

Eine weitere bedeutende Erhöhung der Transformatorkühlung kann dadurch erzielt werden, dass den rohrförmigen Wicklungstragkörpern ein koaxial dazu fördernder Lüfter zugeordnet ist.

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Die rohrförmigen Wicklungstragkörper können in beliebiger Weise und aus beliebigem Werkstoff hergestellt sein. Aus isolationstechnischen Gründen ist eine AusfUhrungsform zweckmässig, bei der die rohrförmigen Wicklungetra^körper aus elektrisch isolierendem, insbesondere keramischem Werkstoff bestehen. Zum Zwecke einer besseren Kühlung kann es Jedoch vorteilhaft sein, die rohrförmigen Wickeltragkörper aus metallischem Werkstoff, insbesondere Aluminium, auszubilden, da solche Werkstoffe eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. In diesem Fall ist es aber zweckmässig, die aus metallischem Werkstoff, insbesondere Aluminium, hergestellten rohrförmigen Wicklungstragkörper in mindestens einer Stelle ihres Umfangs durch einen Luftspalt oder durch eine eingesetzte, längsgerichtete, elektrisch isolierende Leiste in ihrer elektrischen Leit= fähigkeit in Umf.angsrichtung zu unterbrechen. Dadurch wird die Entstehung von umlaufenden induzierten Strömen ver= hindert.

Die Kühlung des Transformators kann noch dadurch weiter intensiviert werden, dass die rohrförmigen Wicklungs= tragkörper auf ihrer der aufgewickelten Windungsschicht entgegengesetzten Innenmantelfläche mit radial gerichteten, längsverlaufenden Kühlrippen versehen sind. Die Kühlrippen des innersten, rohrförmigen Wicklungstragkörpers können dabei als Distanzhalter zum Zentrieren und Positionieren des eingeschlossenen Eisenkernschenkelβ ausgebildet sein.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des

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erfindungsgemäesen Transformators dargestellt. Es zeigern Pig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung^ form des Transformators mit zugeordnetem LQfter.

Pig. 2 den Transformator nach Pi₀-. 1 in schaubildlicher Darstellung.

Pig. 3 einen Querschnitt durch den Transformator nach Pig. I und 2.

Pig.* 4 dös Schaltbild der Speisevorrichtung des Transfor= mators nach Pig. I.

Pig. 5 einen Querschnitt durch die rohrförmigen Wicklungs= tragkörper einer zweiten Ausftthrungaform des Transformators.

Der in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Transformator ist als Manteltransformator ausgebildet. Der aus einem B] och= paket bestehende Eisenkern 1 weist einen mittleren Sehen= kel 3 mit den Primär- und Sekundärwicklungen und zwei seitliche, unbewlckelte Schenkel 2 auf. Die Schenkel 2,3 haben einen rechteckigen Querschnitt und sind beiderends durch Joche 4 miteinander verbunden·

Die Bleche des Eisenkerns 1 sind mit Hilfe von durchgehenden, im Bereich der Ecken zwischen den Jochen 4 und den seitlichen Schenkeln 2 angeordneten Spannschrauben 6 und biegesteifen U-förmigen, sich längs der seitlichen Schenkel 2 erstreckenden Druckprofilen 5 zusammengepresst.

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An den im allgemeinen metallischen Druckprofilen 5 sind zylindrische Isolatoren 7 befestigt, die je einen nach auesen vorspringenden Gewindebolzen 8 tragen. Mit Hilfe der unteren, isolierten Gewindebolzen 8 wird der Tranafor= mator an einer nicht dargestellten Unterlage befestigt. An den oberen, isolierten Gewindebolzen 8 sind dagegen zwei Stromschienen 9 befestigt, die sich quer zu den Druckprofilen 5 im Abstand davon und voneinander erstrecken und je eine Klemme IO zur Verbindung mit je einem Ende der Sekundärwicklung, sowie je eine Klemme 11 fttr den Anschluss des entsprechenden Leiters der vom Transformator ausgehenden, nicht dargestellten Nutzleitung aufweisen. Aus Fig. 2 und 3 der Zeichnung geht hervor, dass die U-förmigen Druckprofile 5 liegend angeordnet und mit einem Schenkel am Bleckpaket des Eisenkerns 1 befestigt sind. Der andere Schenkel trBgt die Isolatoren 7 mit den Gewindebolzen 8.

Um den mittleren Schenkel 3 des Eisenkerns 1 herum sind drei rohrförmige, konzentrisch mit radialem Abstand inein* anderliegende, im Querschnitt kreisförmige Wickeltrag= körper 12 angeordnet, die im Falle der Ausftlhrungsform nach Fig. 1-4 aus elektrisch isolierendem, insbesondere keramischem Werkstoff bestehen. Die zwei inneren Wickel= tragkörper 12 tragen je eine Windungsschicht 15 der Primärwicklung, wahrend der äussere WicklungstragkOrper 12 die einzige Windungsschicht 16 der Sekundärwicklung trägt. Der innerste rohrförmige Wiekeltragkörper 12 ist so bemessen, dass er mit seiner Innenmantelfläche die

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Ecken dea rechteckigen Querschnitts des mittleren Eisen= kernschenkels 3 berührt und dadurch darauf zentriert wird. Die rohrförmigen Wickeltragkörper 12 werden ausserdem dadurch zentriert, positioniert und im vorgeschriebenen radialen Abstand voneinander gehalten, dass sie kopfseitig an beiden Enden mit segmentförmigen Einschnitten 13 versehen sind, in die die beiden Joche 4 des Eisenkern** eingreifen, wie insbesondere aus Fig. 1 und 2 ersichtlich ist. Ausserdem sind radial gerichtete Befestigungs- bzw. Distanzhalteschrauben 14 vorgesehen, die durch die zwei äusseren, rohrförmigen V/i ekel tragkörper 12 geschraubt sind und in den innersten rohrförmigen Wickeltragkörper eingreifen.

Bei der oben.beschriebenen AusfUhrungsform werden zwischen den einzelnen rohrförmigen Wickeltragkörpern 12 durch= gehende achsparallele Ktthlkanäle 17 gebildet, die einen ringförmigen Querschnitt aufweisen. Ähnliche, durchgehende, achsparall ei e Kühlkanale 17 mit kreissegmentfBraunem Querschnitt werden zwischen dem innersten rohrförmigen Wiekeltragkörper 12 und dem darin eingeschlossenen mittleren Schenkel 3 des Eisenkerns 1 gebildet. Dadurch wird eine besonders gute Kühlung sowohl des bewickelten, rechteckigen Eisenkernschenkels 3, als auch der Innen- und Aussenmantelflachen der rohrförmigen Wickeltragkörper 12 und jeder einzelnen Windungsschicht 15 bzw. 16 der PrimSr- und Sekundärwicklungen erzielt. Diese Kühlung kann durch die Anordnung eines koaxial zu den Wickel= tragkörpern 12 fördernden Lüfters 18 wesentlich intensiviert werden, wie insbesondere in Pig. I dargestellt

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ORIGINAL INSPECTED

Die erfindungsgemässen Transformatoren können flir el el·.= trische Ströme beliebiger Stärke, Spannung und Frequenz bzw. ftlr beliebige Anwendungszwecke benutzt werden, wobei die Kühlkanale 17 an sich oder in Verbindung mit einem Lüfter 18 eine so gute Kühlung des Transformators ermö= glichen, dass der Eisenkern 1 wesentlich kleiner und leichter als die bisher bekannten Ausführungen ausgebildet werden kann. Die intensive Abfuhr der VerlustwSrme von den erfindungsgemässen Transformatoren ist jedoch bei Transformatoren für Hochfrequenz-Starkstrom (etwa bis 30-35000 Hz), wie z.B. bei Transformatoren für Prüf sin«= richtungen, Induktionserhitzer, Hochfrequenz-Warmbehand«= lungen od.dgl. wegen der hohen Eisenverluste und der starken Kernerwärmung dieser Transformatoren besonders vorteilhaft. Mit besonders grossem Vorteil lassen sich die erfindungsgeraassen Transformatoren auch als Schweiße= transformatoren für Hochfrequenzstrom, z.B. von 500 bis 20000 Hz, vorzugsweise von 3000 bis 10000 Hz anwenden, da die kleineren und leichteren Eisenkerne eine ent= sprechende, bedeutende Herabsetzung des Gewichts der Schweissgeräte ermöglichen und die Voraussetzung für die Ausbildung von kleinen handlichen bzw. tragbaren Schweissgeraten, insbesondere Lichtbogenhandschweiss= geräten darstellen.

Bei der Anwendung des erfindungsgemSssen Transformators für Hochfrequenz-Starkströme bzw. als Hochfrequenz- -Schweisstransformator, wird der Transformator vorzugsweise

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aber einen Umrichter 19 gespeist, wie in Pig. I und 4 dargestellt ist. Ein Umrichter formt bekanntlich Wechselstrom einer Frequenz in Wechselstrom einer anderen Frequenz um. In dem dargestellten Ausftthrungabeispiel wird der Tran=· eformator Ober den Umrichter 19 vom normalen elektrischen Stromversorgungsnetz 20 gespeist und wird z.B. als Hochfrequenz-Schweisstransformator eingesetzt. Der Umrichter 19 muss also den normalen elektrischen Netzstrom mit 50 Hz in einen Schweisstrom mit etwa 3000-20000 Hz umformen.

In Fig. 4 ist das Schaltschema einer besonders zweckmänsigen Ausführungsform des Umrichters 19 dargestellt. Der Umrichter 19 weist in diesem Fall einen Gleichstrom-2wi3chenkreis auf und ist als Halbleiter-Umrichter ausgebildet. Im Einzelnen besteht dieser Umrichter 19 aus einem Gleich= richter 22, der über den Schalter 21 an das normale elek= trische Versorgungsnetz 20 (Wechselstrom 220V, 50 Hz) anschliessbar ist. Die beiden Ausgär.ge 23, 24 des Gleich= richters 22. sind untereinander durch den Kondensator 25 und einzeln mit je einem Halbleiter-Wechselrichter 26 tzw. 27 verbunden. Die Wechselrichter 26,27 sind Vorzugs= weise als integrierte Schaltungen ausgebildet und können z.B. aus je einem im Handel unter der Bezeichnung TIX H der Firma Texas Instruments erhältlichen elektronischen Bauelement bestehen. Die Wechselrichter 26,27 sind unter= einander durch die Leitungen 30,31 gekoppelt, die Ober die Leitungen 32,33 mit der Primärwicklung 15 des Tran= sformators verbunden sind. Dabei werden die beiden

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Wechselrichter 26,27 ttber die Leitungen 28 bzw. 29 derart mit je einer Rechteckspannung gesteuert, dass sie den Kopplungsleitern 30,31, bzw. den Ausgangsleitern 32,33 eine rechteckige Wechselspannung liefern. Der Tran*- sformator wird also mit einem Wechselstrom gespeist, dessen Frequenz von der Frequenz der Steuerspannungen der beiden Wechselrichter 26,27 abhangt und beliebig eingestellt werden kann.

Der Umrichter 19 ist vorzugsweise zwischen dem Lüfter 18 und dem Transformator angeordnet, so dass er von dem vom Lüfter 18 erzeugten Luftstrom beaufschlagt und gekühlt wird. Dabei kann der Umrichter 18 aus zwei oder mehreren Platten bestehen, die parallel zueinander und zu der vom Lüfter 18 erzeugten Luftströmung im Abstand voneinander angeordnet sind und die elektronischen Bauelemente tragen.

Die in Fig. 5 teilweise dargestellte AusfUhrungsform des erfindungsgemäasen Transformators entspricht im wesentlichen der Ausführungsforai nach Fig. 1 bis 4, wobei die bereits beschriebene/jTeile entweder nicht dargeotellt oder mit den selben Bezugszeichen versehen sind. Die rohrförmigen Wickeltragkörper 12 sind in diesem Fall aus metallischem Werkstoff, insbesondere Aluminium hergestellt und weisen einen zwar kreisförmigen, jedoch nicht ringförmig geschlossenen, sondern an einer Stelle offenen d.h. unterbrochenen Querschnitt auf. Diese offene d.h. unterbrochene Stelle ist durch eine eingesetzte Leiste 34

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aus elektrisch isolierendem Werkstoff, z.B. Kunststoff oberDrückt. Die Leiste 34 erstreckt sich in der Längs= richtung des "betreff enden rohrförmigen Wickel tragkörper a und ist an ihren "beiden Längsseiten formschlüssig mit den anliegenden Begrenzungsflächen des Längsschlitzes im Wickeltragkörper 12 verbunden. Ausserdem weist jeder rohrförmige Wickeltragkörper 12 auf seiner mit der Windungsschicht 15 bzw. 16 in Berührung stehenden Aussen= mantelfläche einen elektrisch isolierenden Belag 35, z.B. in Form einer Lackechicht od.dgl. auf.

Bei der AusfUhrungsform nach Fig. 5 sind die rohrförmigen Wickeltragkörper 12 auf ihrer Innenmantelfläche mit an= geformten, im Querschnitt etwa radial gerichteten KUhI= rippen 36 versehen, die sich in Längsrichtung d.h. aches= parallel zu den betreffenden rohrförmigen Wickeltrag= körpern 12 erstrecken. Diese Kühlrippen 36 erhöhen die von Kühlluftstrom bestrichene Begrenzungsfläche der zwischen de.n Wickeltragkörpern 12 gebildeten Kühlkanäle 17 und fördern dadurch wesentlich die Kühlung des Trans* formators. Die Kühlrippen 36 des innersten rohrförmigen Wickeltragkörpers 12 sind ausserdem derart angeordnet und bemessen, dass sie den Einsetzraum für den im Querschnitt rechteckigen, mittleren Schenkel 3 des Eisenkerns 1 be» stimmen, d.h. gleichzeitig auch als allseitige Zentrier- und Positionierungsanschläge für diesen Eisenkernschenkel 3 dienen. Einige wenige Kühlrippen 36 können ausserdem aufgesteckte Distanzhalter 37 aus elektrisch isolierendem

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Werkstoff tragen, um die rohrförmigen Wickeltragkörper 12 gegenseitig zu zentrieren und ihren radialen Abstand zu gewährleisten.

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Claims

Patentansprüche

!.^Transformator, inabesondere ftlr Hochfrequenz-Stark= ströme, der bevorzugt als Schweisstransformator verwende bar ist, gekennzeichnet durch rohrförmige, konzentrisch ineinander angeordnete, voneinander in radialer Bichtung abstehende Wicklungstragkörper (12), die je eine Windungs= schicht (15 bzw. 16) der Primär- und Sekundärwicklungen tragen und zwischeneinander durchgehende Kühlkanal© (17) mit ringförmigem Querschnitt bilden.
2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Wicklungstragkörper (12) einen kreisförmigen Querschnitt auf v/eisen und einen im Querschnitt rechteckigen Schenkel (3) des Eisenkerns (1) umschliesnen.
3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn= zeichnet, dass den rohrförmigen Wicklungstragkörpern (1?) ein koaxial dazu fördernder Lüfter (18) zugeordnet ist.
4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Wicklungs= tragkörper (12) aus elektrisch isolierendem, insbesondere keramischem Werkstoff bestehen.
5. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Wicklungs= tragkörper (12) aus metallischem Werkstoff, insbesondere Aluminium bestehen und in mindestens einer Stelle ihres Umfange durch einen Luftspalt oder durch eine eingesetzte,

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längsgerichtete, elektrisch isolierende Leiste (34) in ihrer elektrischen Leitfähigkeit in Umfangsrichtung unterbrochen sind.
6. Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Wicklungstragkörper (12) auf ihrer die betreffende Windungsschicht (15,16) tragende Aussen= mantelflache einen elektrisch isolierenden Belag (35) aufweisen.
7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Wicklungstragkörper (12) auf ihrer der aufgewickelten Windungsschicht (15,16) entgegengesetzten Innenmantelfläche mit radial gerichteten, längsverlaufenden Kühlrippen (36) versehen sind.
8. Transformator nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlrippen (36) des innersten rohrförmigen V/icklungstragkörpere (12) als Distanzhalter zum Zentrieren und Positionieren des eingeschlossenen Eisenkernschenkels

(3) ausgebildet sind.
9. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Querschnitt rechteckigen Joche

(4) dea Eisenkerns (1) formschlüssig in passende kopfseitige Einschnitte (13) der rohrförmigen Wicklungstragkörper (12) eingreifen.

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10. Transformato^nach einem der Ansprüche 1 bis 9t dadurch gekennzeichnet, dass er über einen Umrichter (19) gespeist wird.
11. Transformator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (19) einen Gleichstrom-Zwischenkreis (22) und zwei untereinander gekoppelte, gesteuerte Halbleiter-Wechselrichter (26,27) aufweist.
12. Transformator nach den Ansprüchen 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (19) zwischen den rohrförmigen Wicklungstragkörpem (12) und dem Lüfter (18) in dem von diesem erzeugten Kühlluftstrom angeordnet ist.

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