DE3744122A1 - Umgekehrter transformator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen umgekehrten Transformator mit konzentrisch zueinander angeordneten Primär- und Sekundär­ wicklungen, die von dünnem weichmagnetischen Band oder Draht umgeben sind.

Ein derartiger Transformator ist beispielsweise in der eu­ ropäischen Patentschrift 00 05 836 beschrieben. Hier sind mehrere Spulen konzentrisch zueinander angeordnet und die induktive Kopplung wird mit schmalen Bändern aus weichma­ gnetischem Material bewerkstelligt, die torusförmig um die Spulen herumgewickelt sind. Als besonders vorteilhaft werden hier amorphe Bänder mit nicht zu großer Breite vor­ gesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derartigen Transformator mit weichmagnetischen Bändern oder Drähten so auszubilden, daß die im Inneren befindlichen Spulen voneinander getrennt werden können.

Damit erreicht man die Möglichkeit einer kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie unter erschwerten Umgebungsbedingungen, wie z. B. unter Wasser oder in ex­ plosionsgefährdeter Atmosphäre. Ein derartiger Übertrager ist durch einen Aufsatz von L. van den Steen in der Zeit­ schrift "Underwater Technology", auf den Seiten 3 bis 9 und 16 bekannt geworden. In diesem Aufsatz werden die Vor­ 22. Dez 1987 und Nachteile dieser konstruktiven Ausführung gegenüber den bekannten Übertragungsanordnungen mit zwei symmetrisch ausgebildeten Blechkernhälften ausführlich beschrieben. Letztere haben den großen Vorteil, daß sie einfach im Auf­ bau und in der Herstellung sind, insbesondere wegen der einfachen Verwendbarkeit von lamellierten Blechpaketen. Sie haben jedoch den erheblichen Nachteil, daß sie einen schlechteren Wirkungsgrad besitzen, so daß sich mehrere derartige Übertrager nicht aneinander koppeln lassen, um beispielsweise mehrere Verbindungsleitungen vorgegebener Länge zur Überbrückung größerer Entfernungen miteinander zu verkoppeln.

Diese Probleme können mit einem koaxial feldgekoppelten Übertrager wesentlich besser gelöst werden, da einerseits der Einfluß des Luftspaltes durch Vergrößerung der Flächen für den Flußübergang zwischen Innen- und Außenkern vermin­ dert werden kann und andererseits durch die koaxiale An­ ordnung der Wicklungen eine erheblich bessere magnetische Verkettung des Flusses erfolgt. Dadurch kann der Wirkungs­ grad des Übertragers erheblich verbessert werden, so daß mehrere Übertrager ohne allzu großen Leistungsverlust hin­ tereinander geschaltet werden können. Voraussetzung hier­ für ist allerdings, daß die magnetischen Eigenschaften des magnetischen Rückschlusses entsprechend gut sind. Ein Nachteil der koaxial feldgekoppelten Übertrager ist je­ doch, daß die Herstellung des magnetischen Rückschlusses schwierig ist, da die Verwendung von lamellierten Blech­ paketen praktisch nicht möglich ist. Es wurde daher schon vorgeschlagen, als Kernmaterial für den magnetischen Rück­ schluß übereinander gestapelte Ringbandkerne oder einen homogenen Magnetwerkstoff mit pulverförmigen in Kunststoff eingebundenen Magnetpartikeln zu verwenden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Verwendung von Ringbandkernen ­ insbesondere für den zylindrischen Innenkern - sehr hohe Eisenverluste hervorruft, während bei der Verwendung von homogenen Werkstoffen die erforderliche Blindleistung zur Aussteuerung zu hoch wird.

Durch die Anwendung des Prinzips des umgekehrten Trans­ formators für induktive Übertrager ergibt sich ein we­ sentlich besserer Wirkungsgrad bei relativ einfacher Her­ stellung. Der Übertrager gemäß der Erfindung ist gekenn­ zeichnet durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere Einzelheiten und Merkmale des erfindungsgemäßen Übertra­ gers sowie ein relativ einfaches Verfahren zu seiner Her­ stellung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnungen, in welchen mehrere Ausführungs­ beispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzip eines koaxial feldgekoppelten Über­ tragers im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Seitenansicht desselben,

Fig. 3 einen feldgekoppelten Übertrager gemäß der Er­ findung im Längsschnitt,

Fig. 4 einen Wickelkörper mit Wicklung einer Wickelvor­ richtung zur Herstellung des Innenkerns,

Fig. 5 eine Schnittansicht desselben.

Der Übertrager gemäß Fig. 1 und 2 besteht aus einem zylinderförmigen Innenteil 1 und einem hohlzylinderförmi­ gen Außenteil 2, die koaxial zueinander angeordnet sind. Der zylinderförmige Innenteil 1 trägt auf einem Innenkern 3 eine hohlzylindrische Primärwicklung 4. Der hohlzylin­ derförmige Außenteil 2 trägt im hohlzylinderförmigen Au­ ßenkern 5 eine Sekundärwicklung 6 in einer entsprechenden Ausnehmung.

Durch den Innenkern 3 ist eine mit der Primärwicklung 4 verbundene Anschlußleitung 7 geführt, die mit einem Gene­ rator zur Stromversorgung verbunden ist. Durch den Außen­ kern 5 ist eine entsprechende mit der Sekundärwicklung 6 verbundene Anschlußleitung 8 geführt. Sie ist über eine nicht dargestellte Leitung vorgegebener Länge mit einem Verbraucher oder mit der Primärwicklung eines weiteren Übertragers verbunden.

Zwischen dem Innenteil 1 und dem Außenteil 2 ist ein ring­ förmiger Luftspalt 9 vorhanden, der möglichst klein gehal­ ten werden soll, damit die Verluste klein gehalten werden können. Mit gestrichelten Linien ist der Flußverlauf ange­ deutet, der bei Erregung der Primärwicklung entsteht. Wie Fig. 1 erkennen läßt, ergibt sich auf diese Weise eine sehr gute Verkettung der Flüsse. Innenkern 3 und Außenkern 5 bestehen aus weichmagnetischem Material.

Fig. 1 läßt bereits erkennen, daß die Herstellung des weichmagnetischen Rückschlusses nicht ohne weiteres mög­ lich ist, da die Wicklungen 4 und 6 auf Spulenkörper an­ geordnet sind und diese möglichst allseitig von dem akti­ ven weichmagnetischen Material umgeben sein müssen. Damit die Spulenkörper eingebracht werden können, müssen Innen­ und Außenkern 3 bzw. 5 mehrteilig ausgeführt sein, wie dies beispielsweise näher aus Fig. 3 zu ersehen ist. Der eigentliche Innenkern 3 besteht erfindungsgemäß aus einem Bündel von sich in Achsrichtung erstreckenden Drähten oder schmalen Bändern aus weichmagnetischem Material.

Zur Verminderung der Wirbelstromverluste sind die einzel­ nen Drähte oder Bänder mit einer Isolierschicht versehen. Die an beiden Stirnseiten des Spulenkörpers 10 herausra­ genden Enden sind konisch ausgebildet. An den konisch aus­ gebildeten Enden des Innenkerns 3 sind die mit einer ent­ sprechenden Aussparung versehenen zylindrischen Flußleit­ stücke 11 aus weichmagnetischem Material, z. B. durch Kle­ ben befestigt. Sie sind vorzugsweise aus homogenem Magnet­ material durch Pressen oder Herausarbeiten aus einem ent­ sprechenden Block hergestellt.

Da der Drahtinnenkern 3 in der Drahtachse nur eine leichte Magnetisierungsrichtung besitzt, ist ein verlustarmer Übertritt der Flußlinien in die Flußleitstücke 11 in Ver­ bindung mit der konischen Gestaltung der Kernenden gewähr­ leistet. Diese wiederum gewährleisten durch einen hohen Volumen-Widerstand und eine isotrope Permeabilität eine gute Umlenkung der Flußrichtung, ohne daß dabei längere Wirbelstrombahnen zu Temperaturproblemen führen können. Da der magnetisch wirksame Querschnitt der Flußleitstücke 11 größer als der des Innenkerns 3 gemacht werden kann, tre­ ten hier wesentlich geringere Flußdichten auf, so daß die Umlenkverluste klein gehalten werden können.

Zur Vermeidung von Streufeldlinien, die aus dem Draht­ innenkern 3 seitlich austreten und die Primärwicklung 4 unter Erzeugung von Wirbelströmen schneiden, ist der Innenkern 3 durch ein längsgeschlitztes Rohr 12 aus elek­ trisch gut leitendem Material, z. B. Aluminium, bis zu den konisch ausgebildeten Enden des Innenkerns 3 abgeschirmt. Der Längsschlitz dient zur Unterbrechung der sonst entste­ henden Kurzschlußwindung. Auch diese Maßnahme dient zur Verringerung der Verluste. Der gesamte zylinderförmige Innenteil 1 ist von einem geschlossenen Überzug 13 aus hochbeständigem Vergußharz umgeben. Die elektrischen An­ schlußleitungen 7 sind durch eine rechteckige Nut einsei­ tig durch die Flußleitstücke 11 geführt und im Verguß eingebettet.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Außenkern 5 aus einem dünnen NiFe-Band gewickelt, wo­ bei sich die Enden des Außenkerns nach außen verjüngen und diese verjüngten Teile sind - entsprechend dem Innenkern - mit konischen Flußleitringen 14 versehen. Im Innern des hohlzylindrischen Teils des Außenkerns 5 ist ein mit der Sekundärwicklung 6 versehener Spulenkörper 15 befestigt. Der gesamte hohlzylinderförmige Außenteil 2 ist - wie bei dem zylinderförmigen Innenteil 1 - in hochbeständiger Ver­ gußmasse eingebettet.

Im folgenden wird die Herstellung des zylinderförmigen Innenteils 1, insbesondere aber des Innenkerns 3, näher beschrieben:

Für den Innenkern 3 wird ein hochpermeabler Draht, z. B. PERMENORM 5000 H2-Draht, mit einer Stärke von 0,2 mm ver­ wendet, der mit einer Isolierschicht von 10 µm versehen wurde. Zur Herstellung wird eine Wickelvorrich­ tung verwendet mit einem Wickelkörper 16, wie er in Fig. 4 und 5 dargestellt ist. Eine Wickelvorrichtung wird zweckmäßigerweise deshalb verwendet, weil bei einer Drahtstärke von 0,2 mm zur Erzeugung eines entsprechenden Eisen-Querschnitts mindestens 8000 Windungen aufgebracht werden müssen.

Der Wickelkörper 16 besteht im wesentlichen aus den beiden nach außen gekehrten und voneinander distanzierten Teilen (Halbschalen) 17 eines längsgeteilten Rohres, z. B. eines leicht zerstörbaren Quarzrohres. Die Halbschalen 17 sind durch drei H-förmige Distanzstücke 18 fixiert, die unter­ einander durch beidseitig angebrachte Halteplatten 19 ge­ halten werden. In einer der Halteplatten 19 ist mittig ein Zapfen 20 angeformt zum Einspannen im Futter einer nicht dargestellten Wickelvorrichtung. An den Stirnseiten des Wickelkörpers sind Halbrundstücke 21 so montiert, daß sie einerseits verhindern, daß die Halbschalen 17 in Längs­ richtung verschoben werden und andererseits einen defi­ nierten Mindestwickelradius für die weichmagnetischen Drähte sicherstellen.

Von oben werden die Halbschalen 17 durch anschraubbare Halteklötze 22 fixiert. Der so gestaltete Wickelkörper 16 erlaubt das Aufwickeln des Drahtes auf einer herkömmlichen Wickelvorrichtung in der Form, daß durch das Vollwickeln der mit ihren Rundungen gegeneinander orientierten Halb­ schalen zwei halbzylinderförmige Drahtbündel entstehen. Nach dem Wickeln werden die Halteklötze 22 gelockert und die bewickelten Halbschalen 17 mit Blechstreifen abge­ deckt, um die bei der nachfolgenden Hochglühung erwei­ chenden Drähte im Wickelkörper 16 zu halten. Die Hochglü­ hung wird zweckmäßig bei einer Temperatur von 1050°C in H₂- Atmosphäre über eine Dauer von 5 Stunden durchgeführt.

Anschließend wird der so entstandene Drahtwickel an beiden Stirnseiten durchtrennt, so daß zwei symmetrische, halbzy­ linderförmige Drahtbündel entstehen. Diese werden aus dem Wickelkörper 16 entnommen, im Vakuum mit einer geeigneten Klebemischung getränkt und anschließend ausgehärtet. Die halbzylinderförmigen Drahtbündel werden durch Zerstören der Rohrteile 17 und evtl. noch vorhandener Bandagen aus­ geformt. Nach dem Planschleifen der Außenseiten des halb­ zylinderförmigen Drahtbündels werden diese nach Aufein­ anderlegen in ein entsprechendes Rohr eingesetzt und darin nochmals vergossen und ausgehärtet.

Nach Entfernen der Vergußform entsteht ein stabiles ver­ gossenes Drahtbündel in Zylinderform, das durch Drehen und Pressen in seine endgültige Form gemäß Fig. 3 gebracht wird. Durch das zweifache Vergießen wird ein Höchstmaß an Stabilität und Abschirmung gegen Umwelteinflüsse gewähr­ leistet. Ein Eindringen von Meerwasser oder dergleichen zwischen die Drähte wird dadurch nahezu ausgeschlossen.

Im nächsten Schritt wird der fertiggestellte Drahtkern unter Zwischenlage einer Isolationsfolie in das ge­ schlitzte Rohr 12 eingeführt und längs zentriert. Auf das Rohr 12 wird der mit der Primärwicklung 4 versehene Spu­ lenkörper 10 geschoben und ebenfalls zentriert. Anschlie­ ßend werden die nach der endgültigen Formgebung phospha­ tierten Flußleitstücke 11 unter axialem Druck mit den konisch abgedrehten Enden des Innenkerns 3 verklebt.

Es hat sich gezeigt, daß der auf diese Weise hergestellte Übertrager bei einer Übertragungsleistung von zum Beispiel 950 Watt einen Wirkungsgrad von 0,89 aufweist.

Der zylinderförmige Innenteil 1 und der hohlzylinderför­ mige Außenteil 2 sind so aufeinander abgestimmt, daß sich ein möglichst kleiner Luftspalt 9 ergibt. Der nach dem Kuppeln in den hohlzylinderförmigen Außenteil 2 einge­ führte Innenteil wird durch entsprechende Formgebung ver­ rastet. Der gesamte Übertrager wird zum Schutz gegen Be­ schädigung in einer entsprechenden Box oder dergleichen untergebracht.

Claims (13)

1. Umgekehrter Transformator mit konzentrisch zueinander angeordneten Primär- und Sekundärwicklungen, die von dün­ nem weichmagnetischen Band oder Draht umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator aus einem zylinderförmigen Innenteil (1) und einem hohlzylinderförmigen Außenteil (2) besteht, die voneinander durch eine ringförmige Nut getrennt sind, daß der zylinderförmige Innenteil auf einem Innenkern (3) eine Primärwicklung (4) trägt und daß der hohlzylinderför­ mige Außenteil (2) in einem hohlzylinderförmigen Außenkern (5) eine Sekundärwicklung (6) in einer Ausnehmung auf­ weist.

2. Umgekehrter Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der den Spulenkörper (10) der Primärwicklung (4) tra­ gende zylindrische Teil des Innenkerns (31 von einem längs geschlitzten Rohr (12) aus elektrisch gut leitendem Mate­ rial umgeben ist.

3. Umgekehrter Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an beiden Stirnseiten des Spulenkörpers (10) der Primärwicklung (4) herausragenden Enden des Innenkerns (3) zwecks besserer Flußumlenkung konisch ausgebildet und mit aufgesetzten zylindrischen Flußleitstücken (14) aus hoch­ permeablem Material versehen sind.

4. Umgekehrter Transformator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetisch wirksame Querschnitt der Flußleitstücke (11) wesentlich größer ist als der wirksame Querschnitt des Innenkerns (3).

5. Umgekehrter Transformator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der an beiden Enden konisch abgesetzte zylindrische Teil des Innenkerns (3) aus je zwei halbzylinderförmigen Draht- und/oder Bandbündeln zusammengesetzt ist.

6. Verfahren zur Herstellung eines umgekehrten Transforma­ tors gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der beiden halbzylinderförmigen Draht­ und/oder Bandbündel des Innenkerns (3) eine Wickelvorrich­ tung verwendet wird, deren Wickelkörper (16) aus den bei­ den nach außen gekehrten und voneinander distanzierten Halbschalen (17) eines längsgeteilten Rohres gebildet wird, dessen Länge der Länge des Spulenkörpers (10) der Primärwicklung (4) entspricht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen gekehrten Halbschalen (17) durch mehre­ re H-förmige Distanzstücke (18) gehalten und fixiert sind.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Wickeln und anschließender Hochglühung der Drahtwickel an den beiden Stirnseiten durchgetrennt wird, so daß zwei halbzylinderförmige Draht- und/oder Bandbün­ del entstehen, die nach einer entsprechenden Verfestigung, z. B. durch Tränken mit Gießharz und Befreiung von den noch anhaftenden Halbschalen (17), in einer rohrförmigen Gußform so miteinander verbunden werden, daß der zylinder­ förmige Innenkern (3) entsteht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Innenkern (3) nach der Ausformung durch Drehen in seine Endform gebracht wird, daß nach Auf­ bringen des geschlitzten Rohres (12) und des Spulenkörpers (10) der Primärwicklung (4) die beiden Flußleitstücke (11) unter Druck angeklebt werden und daß der so entstandene zylinderförmige Innenteil (1) zum Schutz gegen Umweltein­ flüsse hermetisch vergossen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der beiden halbzylinderförmigen Draht­ und/oder Bandbündel des Innenkerns (3) eine Wickelvorrich­ tung verwendet wird, deren Wickelkörper (16) aus den bei­ den nach außen gekehrten und voneinander distanzierten Halbschalen (17) eines längsgeteilten Rohres gebildet wird, dessen Länge der Länge des Spulenkörpers (10) der Primärwicklung (4) entspricht.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen gekehrten Halbschalen (17) durch mehre­ re H-förmige Distanzstücke (18) gehalten und fixiert sind.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Wickeln und anschließender Hochglühung der Drahtwickel an den beiden Stirnseiten durchgetrennt wird, so daß zwei halbzylinderförmige Draht- und/oder Bandbündel entstehen, die nach einer entsprechenden Verfestigung, z.B. durch Tränken mit Gießharz und Befreiung von den noch anhaftenden Halbschalen (17), in einer rohrförmigen Guß­ form so miteinander verbunden werden, daß der zylinderför­ mige Innenkern (3) bzw. hohlzylinderförmige Außenkern (5) entsteht.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Innenkern (3) bzw. hohlzylinder­ förmige Außenkern (5) nach der Ausformung durch Drehen in seine Endform gebracht wird, daß nach Anbringen des ge­ schlitzten Rohres (12) und des Spulenkörpers (10) der Pri­ märwicklung (4) bzw. des Spulenkörpers (15) der Sekundär­ wicklung (6) die beiden Flußleitstücke (11 bzw. 14) unter Druck angeklebt werden und daß der so enstandene zylinder­ förmige Innenteil (1) bzw. hohlzylinderförmige Außenteil (2) zum Schutz gegen Umwelteinflüsse hermetisch vergossen wird.