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Die Erfindung betrifft einen Ringkerntransformator oder
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-drossel mit ringförmiger Kernwicklung, wobei der Ringkern in einer
elektrisch isolierenden Ummantelung angeordnet ist.
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Es sind verschiedene Bauarten von Transformatoren bekannt.
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Herkömmliche Transformatoren mit Trafoblechen im mittleren Gaußbereich
von 10 000 bis 14 000 Gauß pro cm3 sind an sich die preisgünstigste Lösung. Durch
Verwendung von hochinduktiven, kornorientierten Trafostählen ist die Reduzierung
des Leistungsgewichtes bis ca. 50 % möglich. Man kennt Spulenkörper mit N-E- und
I-Querschnitten (rmco, kornorientierter Trafo stahl) Schnittband-Kerntransformatoren
und insbesondere Ringkerntransformatoren, die letztlich die ginstigste Lösung im
Preis-Leistungs-Gewicht-Verhältnis darstellen.
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Das Leistungsgewicht bei Ringkerntransformatoren noch weiter zu reduzieren,
wird durch die entstehende Arbeitserwärmung im Betrieb eines Ringkerntransformators
begrenzt. Die höchstmögliche Erwärmung für Kupfer liegt bei ca. 2180C. Bei höheren
Dauertemperaturen oxidiert Kupfer und läßt eine sichere elektrische Isolation nicht
mehr zu. Bekannte Ringkerntransformatoren besitzen mitunter elektrisch isolierende
Außenbandagen, welche um den geschlossenen Ring gewickelt sind, oder einen kunststoffartigen
Verguß um den Ring als elektrisch isolierende Ummantelung, welche bei einer sicheren
elektrischen Isolation auch mit einer vergleichsweise starken Wärmeisolation einhergeht,
die im Betrieb eines Ringkerntransformators erzeugte Wärme also nur begrenzt abführen
kann.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines-Ringkerntransformators
oder einRingkerndrossel der eingangs genannten Art, welcher bzw. welche bei einfachem
fertigungsgünstigen Aufbau ein verbessertes Leistungsgewicht aufweist, d.h. ein
erfindungsgemäßer Transformator bzw.
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eine erfindungsgemäße Drossel im Vergleich zum Baugewicht mit großer
Leistung betrieben werden kann.
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Gelöst wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch, daß
der Ringkern in elektrisch isolierendem wärmeleitfähigen feinkörnigen konsistenten
Streugut wie Quarzsand oder dergl. eingebettet ist, welches zusammen mit dem Ringkern
in einem Aluminiumgehäuse aufgenommen ist, wobei das Aluminiumgehäuse zumindest
einen nach innen ragenden Konus umfaßt, der sich zumindest teilweise den Ringkern
zentrierend durch die zentrale Ringkernöffnung erstreckt.
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Vorzugsweise besteht das Aluminiumgehäuse aus einer einzigen seitlich
offenen gegossenen, den Ringkern einschließlich das konsistente Streugut vollständig
aufnehmenden Aluminiumschale mit integriertem Boden und integriertem Aluminiumkonus
sowie einer flächigen im wesentlichen nichtwärmeleitenden Abschlußplatte, welche
über Zentrier-oder Paß stifte mit den benachbarten Stegen der Aluminiumschale und
dem flächigen Konusende verbunden ist, wobei die Abschlußplatte Leitungsanschlüsse
der Ringkernwicklung aufweist.
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Zumindest der Boden der Aluminiumschale weist zweckmäBigerweise integrierte
äußere Kühlrippen auf.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Transformators
bzw. einer erfindungsgemäßen Drossel sieht vor, daß das Aluminiumgehäuse zwei vorzugsweise
gleich
ausgebildete Aluminiumhalbschalen mit jeweils einem integrierten
Boden und jeweils einem integrierten Konus aufweist, wobei die benachbarten beiden
flächigen Konusenden in einer Flächenberührung zueinander stehen und die aufeinander
zuweisenden Stege der Aluminiumhalbschalen über Zentrier- oder Paßstifte miteinander
verbunden sind.
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Zwischen der Stegverbindung der beiden Aluminiumhalbschalen kann zumindest
teilweise eine oder mehrere elektrisch isolierende Platten aufgenommen sein, welche
die elektrischen Leitungsanschlüsse der Ringkernwicklung enthalten.
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Ähnlich der vorgenannten Ausführungsform können auch hier die Aluminiumhalbschalen
äußere Kühlrippen aufweisen, i.-.lsbesondere im Bodenbereich.
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Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung kennzeichnet sich dadurch,
daß das Aluminiumgehäuse einen beidseits offenen den Ringkern und das Streugut vollständig
aufnehmenden Rund- oder Mehreck-Rohrmantel sowie zwei die Mantelöffnungen abdeckende
Abschlußdeckel mit jeweils einem zentralen Aluminiumkonus aufweist, wobei Mantel
und Deckel über Zentrier- oder Paßstifte miteinander verbunden sind und an zumindest
einer der letztgenannten Verbindungsstellen eine Isolierplatte mit elektrischen
Leitungsanschlüssen zwischengeordnet ist. Mit Vorteil weist der Aluminiumkonus eine
zentrale vorzugsweise zylindrische Durchgangsbohrung auf, durch welche im Betrieb
Kühlluft strömen kann. Die Durchgangsbohrung kann ebenfalls mit (inneren) Kühlrippen
ausgestattet sein.
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Um zusätzlich die entstehende Induktionswärme aus dem Ringkern abzuziehen,
besteht der gewickelte Ringkern vorzugsweise aus mehreren auf dem Ringumfang gleich
verteilten Wicklungssegmenten,welche ihrerseits in das konsistente Streugut vollständig
eingebettet sind, wobei zwischen angrenzenden Wicklungssegmenten in radialer
Anordnung
insbesondere plattige Kupferteile in flächiger Berührung zum zentralen Aluminiumkonus
und zum äußeren Mantel des Aluminiumgehäuses gelegen sind.
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Durch die Erfindung wird mithin ein Ringkerntransformator bzw. eine
Ringkerndrossel mit einer äußeren elektrisch isolierenden Befestigung ausgestattet,
welche eine im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich verbesserte Wärmeabstrahlung
im Betrieb ermöglicht und darüber hinaus auch eine gezielte Kühlung erreicht werden
kann, ohne daß elektrische Isolationsvorschriften außer Acht gelassen werden müssen.
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Dies wird erreicht durch: - Einbetten des Ringkerntransformators mit
entsprechendem Isolationsabstand in ein konsistentes Streugut wie Quarzsand oder
in ein anderes gut wärmeleitendes elektrisch isolierendes Material, und zwar insgesamt
in einer Aluminium(halb)schale mit Kühlrippen, wobei der Abschluß durch eine einzementierte
vergossene oder eingerändelte Printplatte mit den entsprechenden Anschlußstiften
gebildet wird. Diese Methode eignet sich besonders für den Einsatz von Transformatoren
auch in Verbindung mit einem spannungskon stanthaltendem IIalbleiter zum Aufbau
auf Leiterplatten.
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- Einbetten des Ringkerntransformators in zwei Aluminiumhalbschalen,
wobei der elektrisch notwendige Isolierabstand wie bei der vorgenannten Ausführungsform
durch ein zwischengeordnetes konsistentes wärmeleitendes Streugut wie Quarzsand
erreicht wird. Eine derartige Erfindungsvariante zeichnet sich durch ein noch günstigeres
Leistungsgewicht aus. Die zwei Aluminiumhalbschalen haben hierbei an ihren Außenhälften
Kühlrippen und werden durch
Führungselemente paßgenau zu einem
insbesondere rechteckigen Würfel oder in eine andere dem Zweck entsprechende Außenform
zusammengehalten. Letztere kann auch ein Aluminiumgußgehäuse sein, in welchem auchandere
aktive oder passive Bauelemente der Konstruktion entsprechend dem Einzelfall einer
elektrischen Bauteileanordnung angeordnet sind. Wichtigstes Merkmal sind hierbei
im wesentlichen die beiden zentralen Aluminiumkonus-Ausbildungen, welche in das
Restloch des Ringkerntransformators aus beiden Schalen hineinragen und in der Mitte
oder an anderer Stelle flächig miteinander verbunden sind, um die Wärmeableitung
zu gewährleisten. Die elektrischen Anschlüsse für den Transformator erfolgen über
eine Isolierplatte, welche zwischen die Halbschalen in eine entsprechende Aussparung
eingesetzt ist und nach innen sowie nach außen Lötanschlüsse enthält, beispielsweise
AMP-Steckerzungen oder Schraubklemmen oder zugentlastete Kabel.
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Einbetten des Ringkerntransformators in einem Aluminiumgehäuse aus
einem mit Kühlrippen versehenen Rechteck oder Rundrohrabschnitt mit zwei offenen
Enden unter Zwischenanordnung des vorgenannten konsistenten Streuguts, wobei die
Anschlußdeckel für die offenen Enden des eckigen oder runden Rohrs Jeweils einen
Konus besitzen, welcher dem Bogenradius des Ringkerns angepaßt ist und sich beide
aufeinander zu gerichteten Konusflächen in der Mitte oder an einer anderen Stelle
flächig mit guter Wärmeleitung im Betrieb berühren. Durch die flächig miteinander
verbundenen beiden Eonus-Ausbildungen bzw. die durch das Restloch des Ringkerntransformators
führenden Zapfen können zentrale insbesondere zylindrische Durchgangsbohrungen mit
inneren Kühlrippen ausgebildet sein,
so daß ein entsprechendes
Kühlmittel, Wasser, Luft oder Ö1, zwangsweise durch Pumpen oder Lüfter zur Wärmeableitung
im Betrieb verwendet werden kann. Eine derartige Transformator- oder Drosselausbildung
der Erfindung eignet sich für besonders hohe Leistungen.
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- Ausbildung von einzelnen auf dem Ringumfang verteilten Wicklungssegmenten,
die ihrerseits im zentralen Aluminiumrohrgehäuse unter Zwischenschaltung des vorgenannten
Streuguts angeordnet sind und ferner zwischen benachbarten Wicklungssegmenten in
radialer Anordnung plattige Kupferteile vorgesehen sind, welche in flächiger Berührung
zum zentralen Aluminiumkonus und zum zentralen äußeren Aluminiummantel des Gehäuses
gelegen sind, um zusätzlich im Betrieb entstehende Induktionswärme aus dem Ringkerninnern
in radialer Richtung abzuziehen, was zusätzlich mit einer erhöhten Transformatorenleistung
einhergeht.
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Alle vorgenannten Bauformen können außenseitig wasserfest ausgeführt
werden, so daß insbesondere ein Schutz gegen Spritz- oder Tropfwasser entsteht.
Es hat sich gezeigt, daß durch die Erfindung sich das Leistungsgewicht zu herkömmlichen
Transformatoren um ca. 30 % reduzieren läßt. Bei einer Herstellung wird vergleichsweise
wenig Kupfer und wenig hochwertiger Trafo stahl benötigt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert; es zeigen: Fig. 1 einen
Ringkerntransformator in einem schematischen Querschnitt, Fig. 2 einen Ringkerntransformator
in anderer Ausgestaltung in einem schematischen Querschnitt,
Fig.
3 eine dritte Variante eines Ringkerntransformators, Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung
eines Transformators in einem schematischen Schnitt senkrecht zur Ringkernachse,
und Fig. 5 eine Einzelheit der Fig. 4 längs der Linie I-I der Fig. 4.
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Der in Fig. 1 veranschaulichte Ringkerntransformator 1 umfaßt einen
im Schnitt gezeigten Ringkern 3 mit umschließender Ringkernwicklung 2, die vollständig
in einem Aluminiumgehäuse 5 aufgenommen sind, welches aus einer (unten offenen)
Aluminiumschale 9 mit einem integrierten (oberen) Boden 8 und einem zentralen nach
unten ragenden integrierten Aluminiumkonus 6 und aus einer unteren fladhen Abschlußplatte
10 besteht, die als einzementierte, vergossene oder eingerändelte Printplatte mit
entsprechenden Leitungsanschlüssen 13 ausgebildet ist. Die Abschlußplatte besteht
aus einem nichtwärmeletenden Material, besitzt ferner an ihrer Oberseite (im Ausführungsbeispiel
nicht veranschaulichte) Zentrier- oder Paßstifte zwecks Anpassung der oberen Aluminiumschale
an den seitlichen Stegen 11 und am zentralen Konus 6 in einer zentrierten befestigten
Weise.
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Die Anordnung ist insbesondere so getroffen, daß zwischen der Aluminiumschale
9 und der Ringkernwicklung 2 ein konsistentes feinkörniges gut wärmeleitendes, elektrisch
isolierendes Streugut 4 vorgesehen ist, beispielsweise Quarzsand. Mithin ist ein
Ringkerntransformator ausgebildet, der sich durch einen kompakten leichtgewichtigen
Aufbau auszeichnet und einen festen inneren Ringkern 3 besitzt, wobei die im Betrieb
entstehende Wärme durch das konsistente wärmeleitende Streugut 4 und durch
das
Aluminiummaterial des äußeren Aluminiumgehäuses 5 nach außen abgeleitet werden kann,
verstärkt durch die Kühlwirkung der Kühlrippen 14, die auf dem integrierten Boden
8 der Aluminiumschale 9 vorgesehen sind.
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Für eine Fertigung werden die vorgefertigten Einzelteile in umgekehrter
Anordnung montiert. Vorab wird in das (nunmehr obere) offene Ende der Aluminiumhalbschale
9 etwas Streugut 4 eingebracht, bis die ringflächige Innenseite des Bodens 8 vollständig
mit Streugut 4 bedeckt ist. Anschließend wird der vorgefertigte Ringkern 3 mit Wicklung
2 über den Konus 6 gestülpt und auf dem Streugut 4 im Aluminiumgehäuse 5 abgelegt,
worauf das restliche Streugut 4 eingebracht wird, bis die gesamte Aluminiumschale
9 mit Streugut den Ringkern einschließlich Wicklung abdeckend aufgefüllt ist. Nach
entsprechender Ausrichtung der elektrischen Leitungen wird die Abschlußplatte 10
an den Zentrierstellen aufgesetzt und fest mit der Aluminiumschale 9 wasserabdichtend
verbunden.
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Der in Fig. 2 veranschaulichte Ringkerntransformator 1 kennzeichnet
sich insbesondere durch zwei Aluminiumhalbschalen 9 eines Aluminiumgehäuses 5, welche
im wesentlichen gleich ausgebildet sind. Die aufeinander zu gerichteten Konusenden
12 der beiden Konus-Ausbildungen 6,7 berühren sich flächig vorzugsweise in der Mitte
zwecks guter Wärmeübertragung im Betrieb. An den äußeren aufeinander zu gerichteten
Aluminiumstegen 11 befinden sich in integrierter Anordnung innere Zentrier- oder
Paßstifte 15, so daß beide Aluminiumhalbschalen 9 zentriert zueinander fest miteinander
verbunden werden können, gegebenenfalls unter Zwischenanordnung von elektrisch isolierenden
Isolierplatten 16 in entsprechenden Aussparungen
der Stege 11,
in welchen die elektrischen Leitungsanschlüsse 13 von innen nach außen verlaufen.
Beide Aluminiumhalbschalen 9 können bodenseitig wie im vorgenannten Ausführungsbeispiel
ebenfalls äußere Kühlrippen aufweisen.
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Das Ausführungsbeispiel eines Ringkerntransformators 1 nach Fig. 3
sieht einen hohlen Rund- oder Eck-Rohraluminiummantel 17 mit zwei seitlich offenen
Enden vor, wobei der eigentliche Ringkern 3 einschließlich Kernwicklung 2 und Streugut
4 vollständig im Rohrmantel 17 auf genommen ist. Seitlich sind die beiden offenen
Enden des Rohrmantels 17 lurch Abschlußdeckel 18 aus Aluminium abgedeckt, die jeweils
einen zentralen integrierten Aluminiumkonus 6 mit flächigen Konusenden 12 besitzen.
Beide aufeinander zu gerichteten Konusenden 12 berühren sich flächig zwecks guter
Wärmeleitung im Betrieb. Die Befestigung der Abschlußdeckel 18 mit dem Rohrmantel
17 erfolgt über Zentrier- oder Paßstifte 15, gegebenenfalls unter Zwischenanordnung
von Isolierplatten, in welchen die elektrischen Leitungsanschlüsse 13 in elektrisch
isolierender Weise verlaufen.
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Beide Abschlußdeckel 18 einschließlich zugehöriger Konusausbildungen
besitzen eine zentrale zylindrische Durchgangsbohrung in gegenseitiger axialer Ausrichtung,
wobei innere Kühlrippen an der Umfangswandung der Durchgangsbohrung vorgesehen sind.
Durch die Durchgangsbohrung wird im Betrieb eines derartigen Transformators 1 Kühlmittel,
beispielsweise Luft, geleitet, gegebenenfalls durch eine Zwangs zirkulation durch
einen seitlich angeschlossenen Lüfter 22. Ersichtlich wird bei einem derartigen
Transformator die im Betrieb entstehende Wärme gut nach außen abgeführt, so daß
dieser mit hoher Leistung betrieben werden kann, ohne daß dies zu Beschädigungen
des Materials führt.
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Schließlich sieht eine weitere Variante eines Ringkerntransformators
1 nach den Fig. 4 und 5 statt einer einzigen auf dem Umfang geschlossenen Ringkernwicklung
2 einzelne (im Ausführungsbeispiel vier) Wicklungssegmente 20 vor, die ihrerseits
vollständig umschließend im Streugut 4 innerhalb des im Querschnitt kreisförmigen
Aluminiumgehäuses 5 angeordnet sind. Zwischen zwei benachbarten Wicklungssegmenten
20 befindet sich in radialer Erstreckung Jeweils ein im wesentlichen plattiges Kupferteil
21 in flächiger Berührung zum zentralen Aluminiumkonus 6 sowie in flächiger Berührung
zum zentralen Innenumfang des äußeren Mantels des Aluminiumgehäuses 5, um zusätzlich
im Betrieb die entstehende Induktionswärme in radialer Richtung aus dem Ringkerninnern
nach außen abzuziehen. Die plattigen Kupferteile 21 sind für eine Montage der Anordnung
gemäß Fig. 5 zweigeteilt und werden durch einen zentralen Stahlbandkern 23 gehalten.
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Alle in der Beschreibung erwähnten und/oder in der Zeichnung dargestellten
neuen Merkmale für sich oder in sinnvoller Kombination sind erfindungswesentlich,
auch soweit sie in den Ansprüchen nicht ausdrücklich beansprucht sind.
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