DE3841412A1 - Transformator, insbesondere leistungstransformator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator, insbe­ sondere einen Leistungstransformator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Transformatoren weisen zumindest eine Primär- und eine Sekundärwicklung bzw. als sogenannte Spartransfor­ matoren eine Wicklung mit zumindest einer Zapfung und einem Kern aus magnetischem Kernwerkstoff auf. Wenn derartige Transformatoren als Leistungstransformatoren eingesetzt werden, und insbesondere als Energieübertrager für Mittel­ frequenzen mit pulsbreitenmodulierten Rechteckwellen, werden bei Ausgangsleistungen über 1,5 kW rasch tech­ nologische Grenzen erreicht. In der DE-OS 35 46 410 ist be­ reits darauf hingewiesen worden, daß hierbei insbesondere Laufzeitverzögerungen der magnetischen Wechselfelder inner­ halb des Kernes gegenüber der direkten Luftkopplung erhebliche Störparameter darstellen. Aus diesem Grunde wurde in der genannten DE-OS 35 46 410 für einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung vorgeschlagen, die Sekundärwicklung eng mit der Primärwick­ lung zu koppeln und im Bereich von deren höchsten Kraftliniendichte anzuordnen, was im Grunde bedeutet, die Primärwicklung auf die Sekundärwicklung zu wickeln. Zwi­ schen Wicklungen und Kern ist hierbei ein ausreichender Abstand eingehalten, so daß die Primärwicklung räumlich vom Mittelsteg des Kernes entfernt ist. Die Lösung besteht somit im wesentlichen darin, die Energieübertragung aus dem Kernmaterial auf den direkten Pfad zwischen den Wicklungen zu verlagern. Die einfache Konstruktion eines solchen Transformators bringt überraschende Vorteile, verkürzt insbesondere erheblich die oben erwähnten Laufzeitverzöge­ rungen der magnetischen Wechselfelder innerhalb des Kernma­ terials, so daß z.B. pulsbreitenmodulierte Rechteckwellen mit Frequenzen zwischen 20 und 100 kHz annähernd verzögerungsfrei und formgetreu übertragen werden. Bei mit herkömmlichen Transformatoren gleichen Dimensionen wird die Leistung eines solchen Transformators um ein Mehrfaches gegenüber herkömmlichen Transformatoren gesteigert, wobei zusätzlich noch der Temperaturanstieg während des Betriebes langsamer verläuft und wesentlich niedrigere Endtemperatu­ ren erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen herkömmli­ chen Transformator bzw. einen Transformator gemäß der DE- OS 35 46 410 insbesondere hinsichtlich der Übertragungs­ qualität zu verbessern, z.B. bei der Übertragung von Recht­ eckwellen die Flankensteilheit zu vergrößern, wobei gleich­ zeitig die Möglichkeit gegeben sein soll, den Temperaturan­ stieg und die Betriebstemperatur des Transformators zu re­ duzieren.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkma­ le gelöst.

Der wesentliche Gedanke der Erfindung liegt demnach darin, anstatt eines Vollkerns einen Hohlkern, und insbesondere mehrere voneinander räumlich getrennte Teilkerne zu verwen­ den, die jeweils die Wicklungen als geschlossener Ring umgeben. Die Kernmasse eines solchen Transformators beträgt nur noch 50% oder weniger eines Transformators mit einem Vollkern, ohne daß dabei die Übertragungsqualität leidet, ja sogar verbessert wird. Da bei einem solchen Transformator ein bedeutender Querschnitt des Kerns nunmehr ein "Luftquerschnitt" ist, stehen die Oberflächen der Kerne mit der Umgebungsluft in Verbindung, so daß die Temperatu­ rentwicklung des Transformators und die Betriebstemperatur erniedrigt werden. Des weiteren besteht die Möglichkeit, den Transformator durch Zufuhr von Kühlluft innerhalb des genannten Luftquerschnittes zu kühlen.

Auch wenn die Leistungen und Übertragungsqualitäten her­ kömmlicher Transformatoren durch die Aufteilung des Voll­ kernes in mehrere Teilkerne bereits verbessert werden, so kommen die Vorteile eines Transformators gemäß der Erfin­ dung besonders zum tragen, wenn die Wicklungen des Transformators entsprechend der DE-OS 35 46 410 ausgeführt werden, d.h. dann wenn die Primärwicklung auf die Sekundär­ wicklung gewickelt ist und z.B. durch einen Wickelkern ein ausreichender Abstand von den innenliegenden Teilkernen ge­ währleistet ist. Die Wicklungen können hierbei als Folien­ wicklungen aber auch als herkömmliche Drahtwicklungen aus­ geführt sein. Gegenüber dem bekannten Transformator weist der Transformator gemäß der Erfindung eine noch größere Flankensteilheit bei der Übertragung von pulsbrei­ tenmodulierten Rechteckwellen auf, und das bei reduziertem Temperaturanstieg und geringeren Betriebstemperaturen.

Die erfindungsgemäße Konstruktion eines Transformators und die damit gemessenen Leistungen scheinen die Annahme zu bestätigen, daß, analog zu dem Skin-Effekt bei elektrischen Leitern, bei magnetischen Kernwerkstoffen die Ein­ dringtiefe der elektromagnetischen Felder eine Funktion der Frequenz ist, so daß ansonsten verwendete Vollkerne durch einen Hohlkern bzw. Teilkerne mit erheblich reduzier­ ter Kernmasse ersetzt werden können. Dies bedeutet auch, daß die für Rechteckwellen bekannte Transformatorformel

für die Auslegung von Transformatoren zur Energieübertra­ gung im Mittelfrequenzbereich zwischen etwa 20 und 100 kHz nicht mehr gilt. In der Formel bedeuten n die Windungszahl, B den Spitzenwert des Magnetflusses in Gauss, A den Kern­ querschnitt und f die Frequenz. Der Faktor 4 ist hierbei ein Formfaktor für Rechteckschwingungen. Berechnet man nach dieser Formel einen für einen speziellen Anwendungs­ fall zu konstruierenden Transformator, so kann gemäß der Erfindung bei gleichbleibendem Transformatorquerschnitt der effektive Querschnitt des magnetischen Kernwerkstoffes für eine im wesentlichen gleich große zu übertragende Leistung um 50% und mehr reduziert werden, wobei dann noch die oben erwähnten Vorteile auftreten. Das Verhalten von Transforma­ toren gemäß der Erfindung wurde bei Variation der Frequenz, des Lastbereiches zwischen 0 und 100%, des Überstrombereiches bis ca. 50% und des Spannungsbereiches zwischen 0 und 150% getestet. Die genannten Vorteile konnten innerhalb des gesamten Testbereiches realisiert werden, insbesondere ist die Flankensteilheit überraschend gut. Es gab keinerlei Hinweise auf eine Änderung der Streuinduktivität. Die Änderung der parasitären Schwingun­ gen an den Flanken von Rechteckwellen war kleiner als bei Laständerungen. Diese Werte sind jedoch geringfügig und spielen bei der Leistungsübertragung nur eine untergeordne­ te Rolle.

Durch die mit der Erfindung vorgeschlagene neue Gestaltung des Kernes können schnelle Konverter für Rechteckwellen oder pulsbreitenmodulierte Rechteckwellen bis in einen Leistungsbereich über 100 kW realisiert werden. Derzeit verfügbare Vollkerne wären aufgrund der großen Abmessungen, ihrer hohen Wärmespeicherkapazität und der bei solchen Leistungen entstehenden Temperaturen im Kern praktisch nicht einsetzbar. Die volle Kernmasse ist ein nutzloser und störender Ballast, weil diese an dem magnetischen Fluß aufgrund der großen Entfernung zur Wicklung nicht mehr teilnimmt. Eine beträchtliche Massenreduzierung und bessere Kühlbarkeit der Kerne sind hierbei nicht zu unterschätzende Vorteile.

Ein Transformator gemäß der Erfindung kann z.B. als Schweißtransformator eingesetzt werden, zum Löten und Hart­ löten von Kupferrohren, für die Punktschweißung, zur Strom­ versorgung von Lasern oder als Trenntransformator für die Drehzahlregelung von Asynchronmaschinen. Bevorzugte Anwen­ dungsgebiete liegen dort, wo niedrige Spannungen und hohe Ströme, z.B. Spannungen im Bereich von einem Volt und Ströme im Bereich von 1000 Ampere beim Punktschweißen, oder Mittelspannungen und niedrige Ströme, z.B. Spannungen von 1000 Volt und Ströme im Bereich von einem Ampere bei Laserstromversorgungen, benötigt erden.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unter­ ansprüchen hervor.

Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbei­ spiel eines Transformators gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Schnitt längs II-II in Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbei­ spiel eines Transformators gemäß der Erfindung;

Fig. 4 einen Schnitt längs IV-IV in Fig. 3 für ein gegen­ über der Fig. 3 modifiziertes Ausführungsbeispiel eines Transformators gemäß der Erfindung;

Fig. 5 einen Querschnitt durch einen Spartransformator und

Fig. 6 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbei­ spiel eines Transformators gemäß der Erfindung.

Ein Transformator 1 gemäß Fig. 1 besteht aus einem im Querschnitt quadratischen Wickelkern 2, z.B. aus Kunst­ stoff, vier in sich geschlossenen quaderförmigen Teilker­ nen 3 a, 3 b, 3 c und 3 d mit jeweils einem Wickelfenster 4, einer auf den Wickelkörper 2 aufgewickelten Sekundärwick­ lung 5, einer sich daran anschließenden Isolierung 6, einer auf diese Isolierung aufgewickelten Primärwicklung 7 sowie einer äußeren Isolierung 8. Der Wickelkörper 2, die Wicklungen 5 und 7 sowie die Isolierungen 6 und 8 sind innerhalb der Wickelfenster 4 der Teilkerne 3 a bis 3 d ange­ ordnet, wie dieses aus Fig. 2 hervorgeht. Der Querschnitt der Kernstege innerhalb des Wickelkörpers 2 beträgt nur ein Achtel bis ein Zehntel des Innenquerschnittes des Wickelkörpers 2. Die in sich geschlossenen Teilkerne 3 a bis 3 d können z.B. durch jeweils zwei U-Kerne 9 und 10 gebildet werden, wie dieses in Fig. 2 für den Teilkern 3 a dargestellt ist. An den in Fig. 2 gestrichelt darge­ stellten Berührungsflächen 11 der beiden U-Kerne 9 und 10 können diese z.B. durch eine dünne Kleberschicht miteinan­ der verbunden werden. Die Teilkerne 3 a bis 3 d sollten möglichst luftspaltfrei sein, so daß im Grunde jeweils einteilige Teilkerne vorzuziehen sind.

In Fig. 1 sind mit A bzw. E noch die Anschlüsse für die Se­ kundär- bzw. Primärwicklung dargestellt. Während des Be­ triebs des Transformators kann durch den freien Querschnitt des Wickelkörpers 2 Kühlluft geführt werden, was in Fig. 2 durch den Pfeil P angedeutet ist, um die in den Teilkernen 3 a bis 3 d und den Wicklungen 5 und 7 ent­ wickelte Wärme abzuführen.

In Fig. 3 ist ein Transformator 1′ dargestellt, der sich im wesentlichen von dem Transformator gemäß den Fig. 1 und 2 nur dadurch unterscheidet, daß hier ein zylindrischer Wickelkörper 2′ verwendet wird. Auf den zylindrischen Wickelkörper sind eine Sekundärwicklung 5′, eine Isolie­ rung 6′, eine Primärwicklung 7′ und schließlich eine äußere Isolierung 8′ aufgewickelt. Die Anschlüsse für die Wicklungen sind hierbei nicht dargestellt. Längs des Umfan­ ges des zylindrischen Wickelkörpers 2′ sind sechs Teilkerne 3 e, 3 f, 3 g, 3 h, 3 i und 3 k angeordnet, die die Wicklungen 90 versetzt zum Wicklungssinn ringförmig umgeben. Die einzelnen Teilkerne können z.B. wiederum eine quaderförmige Gestalt gemäß Fig. 2 mit einem Wickelfenster 4′ aufweisen. Die Teilkerne 3 e bis 3 k sind längs des Umfanges etwa äqui­ distant zueinander ausgerichtet.

In einer modifizierten Ausführungsform können, wie in Fig. 4 gezeigt, zumindest gegenüberliegende Teilkerne, in die­ sem Falle die Teilkerne 3 e und 3 h miteinander durch einen Fußsteg bzw. eine Fußplatte 12 miteinander verbunden sein. Diese Fußplatte 12 kann als gemeinsame Tragfläche für alle Teilkerne 3 e bis 3 k ausgestaltet werden, so daß diese insgesamt miteinander verbunden sind. Die Fußplatte 12 kann, wie gestrichelt angedeutet, ein Loch 13 zum Zu- bzw. Abführen von Kühlluft aufweisen.

Der Spartransformator 1 a gemäß Fig. 5 ist hinsichtlich der Teilkerne gleich aufgebaut wie der Transformator gemäß den Fig. 1 und 2. Der Transformator 1 a weist jedoch nur eine Wicklung 5 a mit drei Anschlüssen A 1, A 2 und A 3 auf, wobei der Anschluß A 1 am Wicklungsanfang und der Anschluß A 3 am Wicklungsende liegt sowie der Anschluß A 2 als Zwischen­ zapfung dient.

In Fig. 6 ist im Querschnitt ein Transformator 1′′ dar­ gestellt, der einen zylindrischen Wickelkörper 2′′ sowie die darauf aufgewickelten Wicklungen 5′′ und 7′′ mit den Iso­ latoren 6′′ und 8′′ trägt. Der Kern 3′′ dieses Transformators ist zusammengesetzt aus einem hohlzylindrischen Innenkern 3 l und vier jeweils um 90° versetzten äußeren Kernstegen 3 m, 3 n, 3 o und 3 p, wobei diese äußeren Kernstege mit der Ober- und Unterseite des zylindrischen Innenkernes 3 l ver­ bunden sind, so daß wiederum die Wicklungen innerhalb von Wickelfenstern 4′′ des Kernes 3′′ liegen. Es ist auch mög­ lich, die äußeren Kernstege 3 m bis 3 p durch einen zylindri­ schen Außenkern 3 q zu ersetzen, wie dieses in Fig. 5 ge­ strichelt dargestellt ist, wobei dann dieser zylindrische Außenkern mit dem zylindrischen Innenkern 3 l wiederum an dessen Ober- und Unterseite verbunden ist. Im Gegensatz zu den vorher beschriebenen Ausführungsbeispielen wird bei der modifizierten Ausführungsform eines Transformators 1′′ gemäß der Fig. 6 der Magnetfluß nicht mehr in mehrere in sich geschlossene Teilflüsse bzw. Schleifen zerlegt, die räumlich voneinander getrennt und räumlich gleichsinnig sind, sondern auf einen schmalen, die Wicklungen insgesamt umgebenden Bereich beschränkt.

Es sind zwar Schalen- oder X-Kerne bekannt, deren innerer Kernsteg bereits ein Schraubloch zur Befestigung des Trans­ formators aufweist. Bei der Berechnung der Kernabmessung wird dann der durch das Schraubloch reduzierte Kernquer­ schnitt in den Transformatorformeln verwendet. Der effekti­ ve Querschnitt des Kernwerkstoffes bei einem Transformator gemäß Fig. 6 ist jedoch bei ansonsten gleichen Transforma­ torabmessungen und gleichen Leistungen im Vergleich zu her­ kömmlichen Transformatoren mit Schalen- oder X-Kernen wesentlich kleiner und beträgt nur 35% bis 60% herkömmli­ cher Dimensionen.

Für Transformatoren gemäß der Erfindung sind hinsichtlich der geometrischen Abmessungen neue Kernkonstruktionen er­ forderlich. Herkömmliche Standardkerne unterliegen hinge­ gen den Randparametern der 50 Hz-Technik und sind anhand der bekannten Transformatorformeln ausgelegt.

Claims (8)

1. Transformator mit zumindest einer Primär- und einer Se­ kundärwicklung bzw. einer Wicklung mit mehreren An­ zapfungen und einem Kern aus magnetischem Kernwerkstoff, insbesondere Leistungstransformator als Energie­ übertrager für Mittelfrequenzen und hier insbesondere pulsbreitenmodulierte Rechteckwellen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kern (3 a bis 3 q) im Innenbereich der Wicklungen (5, 5′, 5′′, 7, 7′, 7′′) als Hohlkern ausgebildet ist, so daß zumindest ein Teil des Quer­ schnitts des Innenbereiches nicht durch magnetischen Kernwerkstoff ausgefüllt ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern aus mehreren voneinander räumlich ge­ trennten Teilkernen (3 a bis 3 k) aufgebaut ist, die je­ weils die Wicklungen (5, 5′, 5′′, 7, 7′, 7′′) 90° versetzt zum Wicklungssinn als geschlossener Ring umgeben.

3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilkerne (3 a bis 3 k) längs der Wicklungen (5, 5′, 5′′, 7, 7′, 7′′) in etwa gleichen Abständen voneinan­ der angeordnet sind.

4. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllfaktor des Kernes um zumindest 50% gegenüber dem Querschnitt eines Vollkernes reduziert ist.

5. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb und außerhalb der Wicklungen (5, 5′, 5′′, 7, 7′, 7′′) gelegenen Teile des Kernes (3 a bis 3 p; 3′′) zumindest teilweise magne­ tisch miteinander verbunden sind.

6. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (5, 5′, 5′′, 7, 7′, 7′′) auf einem den Hohlkern (3′′) bzw. die Innen­ stege der Teilkerne (3 a bis 3 k) umfassenden Wickelkör­ per (2, 2′) aufgewickelt sind.

7. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Transformator (1, 1′, 1′′) mit zumindest einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung die Primärwicklung (7, 7′, 7′′) auf die gegebenenfalls unterteilte Sekundärwicklung (5 5′, 5′′) aufgewickelt ist.

8. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (1 a) eine einzige Wicklung (5 a) mit zumindest einer Zapfung (A 2) aufweist.