DE3744122C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des Innenkerns eines trennbaren Transformators mit konzen­ trisch zueinander angeordneten Primär- und Sekundär­ wicklungen.

Ein Transformator, bei dem konzentrisch zueinander angeordnete Primär- und Sekundärwicklungen von dünnem weichmagnetischen Band oder Draht umgeben sind, ist beispielsweise in der EP-PS 00 05 836 beschrieben. Hier sind mehrere Spulen konzentrisch zueinander angeordnet und die induktive Kopplung wird mit schmalen Bändern aus weichmagnetischem Material bewerkstelligt, die torusförmig um die Spulen herumgewickelt sind. Als besonders vorteilhaft werden hier amorphe Bänder mit nicht zu großer Breite vorgesehen.

Ein Übertrager, bei dem die konzentrisch zueinander angeordneten Spulen voneinander getrennt werden können, ist durch einen Aufsatz von L. van den Steen in der Zeitschrift "Underwater Technology", Vol. 12, Nr. 3, 1986, auf den Seiten 3 bis 9 und 16 bekannt geworden. Dort erreicht man die Möglichkeit einer kontaktlosen Übertragung von elektrischer Energie unter erschwerten Umgebungsbedingungen, wie z. B. unter Wasser oder in explosionsgefährdeter Atmosphäre. Es werden in dem Aufsatz die Vor- und Nachteile einer konstruktiven Ausführung gegenüber den bekannten Übertragungsanord­ nungen mit zwei symmetrisch ausgebildeten Blechkern­ hälften ausführlich beschrieben. Letztere haben den großen Vorteil, daß sie einfach im Aufbau und in der Herstellung sind, insbesondere wegen der einfachen Ver­ wendbarkeit von lamellierten Blechpaketen. Sie haben jedoch den erheblichen Nachteil, daß sie einen schlech­ teren Wirkungsgrad besitzen, so daß sich mehrere der­ artige Übertrager nicht aneinander koppeln lassen, um beispielsweise mehrere Verbindungsleitungen vorgegebener Länge zur Überbrückung größerer Entfernungen miteinander zu verkoppeln.

Diese Probleme können mit einem koaxial trennbaren Über­ trager wesentlich besser gelöst werden, da einerseits der Einfluß des Luftspaltes durch Vergrößerung der Flächen für den Flußübergang zwischen Innen- und Außenkern vermindert werden kann und andererseits durch die koaxiale Anordnung der Wicklungen eine erheblich bessere magnetische Verkettung des Flusses erfolgt. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Übertragers erheblich verbessert werden, so daß mehrere Übertrager ohne allzu großen Leistungsverlust hintereinander geschaltet werden können. Voraussetzung hierfür ist allerdings, daß die magneti­ schen Eigenschaften des magnetischen Rückschlusses entsprechend gut sind. Ein Nachteil der koaxial trenn­ baren Übertrager ist jedoch, daß die Herstellung des magnetischen Rückschlusses schwierig ist, da die Verwendung von lamellierten Blechpaketen praktisch nicht möglich ist. Es wurde daher schon vorgeschlagen, als Kernmaterial für den magnetischen Rückschluß übereinander gestapelte Ringbandkerne oder einen homogenen Magnet­ werkstoff 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.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE-OS 37 33 376 ist ein Verfahren zur Herstellung eines trennbaren Übertragers bekannt. Der Übertrager weist konzentrisch zueinander angeordnete Primär- und Sekundärwicklungen auf, wobei ein zylinderförmiges Innenteil auf einem Innenkern die Primärwicklung trägt, ein hohlzylinderförmiges Außenteil mit einem hohlzylinderförmigen Außenkern die Sekundär­ wicklung aufweist und ein ringförmiger Luftspalt zwischen dem Innenteil und dem Außenteil vorhanden ist. Gemäß des beschriebenen Verfahrens werden die beiden Spulen an einem teilbaren hohlzylinderförmigen Träger aus unmagnetischem Material befestigt, wobei die eine Spule an der Innenseite und die andere Spule an der Außenseite des hohlzylinderförmigen Trägers anliegt. Beide Spulen werden gemeinsam mit einem Band oder Draht aus weich­ magnetischem Material gleichmäßig nach Art einer Ring­ bewicklung über den Umfang verteilt umwickelt. Nach dem Stabilisieren, z. B. mittels eines Harzes wird anschlie­ ßend die weichmagnetische Umwicklung und der rohrförmige Träger an den Stirnseiten zirkular durchtrennt.

Aus der US-PS 29 62 679 ist ein zylinderförmiger Kern für ein induktives Bauelement bekannt, der aus einer Vielzahl von Einzeldrähten besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung des Innenkerns eines trennbaren Transformators mit konzentrisch zueinander angeordneten Primär- und Sekundärwicklungen anzugeben, wodurch eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Transfor­ mators erzielt wird. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.

Anhand der Zeichnungen, in welchen mehrere Ausführungs­ beispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 das Prinzip eines koaxial trennbaren Übertragers im Längsschnitt,

Fig. 2 eine Seitenansicht desselben,

Fig. 3 einen trennbaren Übertrager gemäß der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 4 einen Wickelkörper mit Wicklung einer Wickelvorrichtung zur Herstellung des Innenkerns;

Fig. 5 eine Schnittansicht desselben.

Der Übertrager gemäß Fig. 1 und 2 besteht aus einem zylinderförmigen Innenteil 1 und einem hohlzylinderförmigen Außenteil 2, die koaxial zueinander angeordnet sind. Der zylinderförmige Innenteil 1 trägt auf einem Innenkern 3 eine hohl­ zylindrische Primärwicklung 4. Der hohlzylinder­ förmige 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 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 (3)

1. Verfahren zur Herstellung des Innenkerns (3) eines trennbaren Transformators mit

• - konzentrisch zueinander angeordneten Primär- und Sekun­ därwicklungen, die von dünnen weichmagnetischem Band oder Draht umgeben sind
• - einem zylinderförmigen Innenteil (1), das auf dem Innen­ kern (3) die Primärwicklung trägt
• - einem hohlzylinderförmigen Außenteil (2), das in einem hohlzylinderförmigen Außenkern (5) in einer Ausnehmung die Sekundärwicklung aufweist und
• - einem ringförmigen Luftspalt (9) zwischen dem zylinderförmigen Innenteil (1) und dem hohlzylinderförmigen Außenteil (2) durch die Verfahrensschritte:
• - Herstellen eines Draht- und/oder Bandwickels unter Verwendung einer Wickelvorrichtung mit einem Wickel­ körper aus den beiden nach außen gekehrten und vonein­ ander distanzierten Halbschalen (17) eines längsgeteil­ ten Rohres, dessen Länge der Länge des Spulenkörpers (1) der Primärwicklung (4) entspricht
• - Glühen des Wickels
• - Durchtrennen des Wickels, so daß zwei halbzylinder­ förmige Draht- und/oder Bandbündel entstehen
• - Verfestigen der Bündel z. B. durch Tränken mit Gießharz
• - Befreiung der Bündel von den noch anhaftenden Halbschalen
• - Verbinden der Bündel in einer rohrförmigen Gußform.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nach außen gekehrten Halbschalen (17) durch mehrere H-förmige Distanzstücke (18) gehalten und fixiert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylinderförmige Innenkern (3) nach der Ausformung durch Drehen in seine Endform gebracht wird, daß nach Aufbringen eines geschlitzten Rohres (12) und des Spulenkörpers (10) der Primärwicklung (4) die beiden Flußleitstücke (11) unter Druck angeklebt werden, und daß der so entstandene zylinder­ förmige Innenteil (1) hermetisch vergossen wird.