DE3900286C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator, insbesondere Hochfrequenzimpulstransformator, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Fig. 5 zeigt ein als bekannt vorausgesetztes Schaltbild einer geschalteten Betriebsspannungsquelle vom Sperrwandler-Typ mit einer Gleichspannungsquelle B, einem Transformator T, einem Transistor TR, einer Steuerschaltung CT, einer Diode D_s, einem Kondensator C_s und einer Last Z_L. Der Transistor TR wird wiederholt durch die Steuerschaltung CT ein- und ausgeschaltet. Wenn er eingeschaltet ist, fließt ein Strom vom positiven Pol der Gleichspannungsquelle B über die Primärwicklung N_p des Transformators und den Transistor TR zum negativen Pol der Betriebsspannungsquelle B. Im eingeschalteten Zustand des Transistors TR wird Energie im Transformator T gespeichert. Die im Transformator T gespeicherte Energie ist proportional (1/2) · LI ², wobei L die Induktivität der Primärwicklung N_p und I der durch die Primärwicklung N_p fließende Strom ist. Wenn dann der Transistor ausgeschaltet wird, gibt der Transformator die Energie an die Last Z_L ab, und zwar über die Diode D_s und den Kondensator C_s, die eine Gleichrichtung und Glättung bewirken. Die Induktivität L der Primärwicklung muß daher so bemessen sein, daß bei eingeschaltetem Transistor eine hohe Energie im Transformator gespeichert wird, obwohl die Induktivität eines üblicherweise zur Spannungswandlung verwendeten Transformators so groß wie möglich ist.

Wenn die Induktivität L zu groß ist, fließt nur ein kleiner Strom I, so daß eine entsprechend geringe Energie gespeichert wird. Auch wenn die Induktivität zu klein ist, würde nur eine geringe Energie gespeichert werden, obwohl ein entsprechend stärkerer Strom I fließt.

Der Transformator einer geschalteten Sperrwandler-Be­ triebsspannungsquelle sollte daher einen Luftspalt in einem Magnetkreis aufweisen, damit die Induktivität zu verringern oder passend zu wählen ist.

Zunächst wurden Versuche mit einem Hochfrequenzimpuls­ transformator für eine geschaltete Betriebsspannungs­ quelle mit einem als bekannt vorausgesetzten Magnetkern ausgeführt, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, bei dem zwei E-förmige Ferritkerne 1 zu einem zusammengesetzt sind, ein Luftspalt G in einem mittleren Schenkel 2 des Kerns vorgesehen und der mittlere Schenkel 2 von einem Wickelkörper mit einer Wicklung umgeben ist. Der Luftspalt G ist bei einem Transformator einer geschalteten Sperrwandler-Betriebsspannungsquelle zur Speicherung elektromagnetischer Energie wichtig.

Es hat sich jedoch herausgestellt, daß der Transformator mit einem Magnetkern nach Fig. 3, der einen Luftspalt G im mittleren Teil des mittleren Schenkels 2 aufweist, den Nachteil hat, daß der am Luftspalt G austretende Streufluß ⌀ mit einer Wicklung 3 verkettet ist, wie es in Fig. 4 dargestellt ist, so daß in der Wicklung 3 Wirbelstromverluste auftreten. Die Folge ist, daß die Wicklung 3 partiell eine hohe Temperatur aufweist. Die­ ser Nachteil kann schwerwiegend sein, wenn der Transformator eine hohe Kapazität aufweist, wie bei einem Transformator einer geschalteten Betriebsspannungsquelle.

Bei dem aus der DE-OS 23 05 957 bekannten Transformator der gattungsgemäßen Art liegt der Luftspalt etwa in der Mitte des mittleren Schenkels. Eine radial innere Wicklung aus Hochfrequenzlitze umgibt den Luftspalt und ist ihrerseits durch einen radial äußeren Spulenwickel aus Volldraht umgeben. Die innere Wicklung aus Hochfrequenzlitze bewirkt eine Abschirmung des Streufeldes des Luftspalts, so daß eine von Wirbelströmen verursachte übermäßige Erhitzung des äußeren Spulenwickels durch die Hochfrequenzlitze vermieden ist. Die Verwendung einer Litze ist aufwendig und führt zu einer schlechteren Raumausnutzung gegenüber Volldraht.

Aus der DE-OS 14 39 441 ist eine Spule mit einem Mantelkern und Luftspalt auf halber Höhe des Mittelschenkels bekannt, bei der zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten der Wickelkörper in mehrere Kammern unterteilt ist und die einzige Wicklung in mehrere miteinander in Reihe geschaltete Wicklungselemente unterteilt ist, wobei mindestens zwei in Reihe geschaltete Leiterteile in aufwendiger Weise aus verschiedenartigem Leitermaterial hergestellt sind. In einer mittleren, den Spalt umgebenden Kammer des Wickelkörpers ist zwischen dem Spalt und der Wicklung ein Isoliermaterial angeordnet, um den Bereich, in dem die größte Konzentration des magnetischen Wechselfelds herrscht, von der Wicklung freizuhalten. Das Isoliermaterial erstreckt sich in Längsrichtung des Mittelschenkels beiderseits des Spaltes, was ebenfalls zu einer geringen Raumausnutzung führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Trans­ formator der gattungsgemäßen Art anzugeben, bei dem in einer Wicklung auftretende Wirbelstromverluste durch einen Luftspalt so weit verringert werden, daß eine partiell höhere Temperatur vermieden und der Wirkungs­ grad des Transformators erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale bei einem Transformator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachstehend anhand der Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1A einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Hoch­ frequenzimpulstransformators,

Fig. 1B eine perspektivische Ansicht eines Wickelkörpers des Transformators nach Fig. 1A,

Fig. 2A, 2B und 2C perspektivische Ansichten eines Magnetkerns zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens des Kerns des erfindungsgemäßen Transformators,

Fig. 3 einen Kern eines bekannten Impulstransformators,

Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt eines bekannten Impulstransformators mit einer Wicklung und

Fig. 5 ein Schaltbild einer bekannten geschalteten Sperrwandler-Betriebsspannungsquelle.

Nach Fig. 1A hat der erfindungsgemäße Transformator einen E-förmigen Ferritkern 10 mit einem Paar langer seitlicher Schenkel 10a, einem langen mittleren Schenkel 10b und einem Joch 10c, das die seitlichen Schenkel 10a mit dem mittleren Schenkel 10b verbindet. Ferner hat der Transformator einen weiteren E-förmigen Ferrit­ kern 11 mit zwei kurzen seitlichen Schenkeln 11a, einem kurzen mittleren Schenkel 11b und einem Joch 11c, das die seitlichen Schenkel 11a mit dem mittleren Schenkel 11b verbindet.

Die Herstellung der Kerne 10 und 11 erfolgt in der in den Fig. 2A bis 2C dargestellten Weise. Zunächst wird ein geschlossener Ferritkern 13 mit zwei Fenstern, wie er in Fig. 2A dargestellt ist, geformt und gesintert. Dann wird der Kern 13 in zwei Teile 10′ und 11′ zerteilt, indem der Kern 13 längs der Linie X zerschnitten wird, wie es in Fig. 2B dargestellt ist, so daß zwei asymme­ trische E-förmige Kerne gebildet werden. Dann wird der mittlere Schenkel eines der E-förmigen Kerne abgeschlif­ fen, so daß der mittlere Schenkel kürzer als die seit­ lichen Schenkel wird, wobei ein Teil Y entfernt wird, wie es in Fig. 2C dargestellt ist. Ob der mittlere Schen­ kel des E-förmigen Kerns mit den längeren seitlichen Schenkeln, wie es in Fig. 2C dargestellt ist, oder der mittlere Schenkel des E-förmigen Kerns mit den kürze­ ren seitlichen Schenkeln abgeschliffen wird, hängt von der gewünschten Auslegung ab.

Der Transformator hat ferner einen Wickelkörper 15 mit einem rohrförmigen mittleren Körperteil 15a in Form eines im Querschnitt viereckigen Rohres und zwei Flanschen 15b an den Enden des hohlen mittleren Körperteils 15a. Der mittlere Körperteil 15a ist an seinen äußersten Enden mit jeweils einem dielektrischen Band oder Riemen 16a und 16b umgeben, so daß der mittlere hohle Körperteil 15a an den Enden dicker als dazwischen ist.

Der nicht verdickte Teil des mittleren Körperteils 15a ist mit einer Primärwicklung 17 des Transformators versehen, die also nicht um die Bänder 16a und 16b herumgewickelt ist. Die Primärwicklung 17 und die Bänder 16a und 16b sind von einer Sekundärwicklung 18 des Transformators umgeben, wobei zwischen den beiden Wicklungen eine Isolationsschicht 19 angeordnet ist.

Die beiden E-förmigen Kerne 10 und 11 und der Wickelkörper 15 mit den Wicklungen sind derart zusammengesetzt, daß der mittlere Schenkel 10b des Kerns 10 in dem rohrförmigen mittleren Körperteil 15a des Wickelkörpers 15 liegt und die seitlichen Schenkel 10a des Kerns 10 die seitlichen Schenkel 11a des Kerns 11 berühren. Zwischen den mittleren Schenkeln 10b und 11b befindet sich ein Luftspalt G, der auf der Innenseite des Bands 16b liegt, wo keine Primärwicklung vorgesehen ist.

Selbst wenn daher ein Streufluß um den Luftspalt G herum austritt, wird dieser Streufluß wegen des Vorhandenseins des Bandes 16b auf dem Wickelkörper 15 weder mit der Primärwicklung noch mit der Sekundärwicklung verkettet. Der Streufluß verursacht daher keine Wirbelstromverluste in den Wicklungen, so daß eine partiell höhere Tempera­ tur in den Wicklungen verhindert wird.

Ferner wird eine Zerstörung der Isolation durch eine partielle Übertemperatur verhindert und die Betriebszuverlässigkeit (Lebensdauer) des Transformators gestei­ gert. Ferner kann ein Isolationsmaterial verwendet wer­ den, das auf eine niedrigere Betriebstemperatur ausgelegt ist (so kann bei dem erfindungsgemäßen Transformator ein Isolationsmaterial vom Typ A für 105°C anstelle eines für den als bekannt vorausgesetzten Transformator verwendeten Isolationsmaterials vom Typ B für 130°C verwendet werden).

Ferner wird wegen der Verringerung der Wirbelstromver­ luste der Übertragungswirkungsgrad des Transformators gesteigert. Dementsprechend können die Abmessungen des Transformators und/oder des Ferritkerns kleiner als bisher gewählt werden.

Eine Abwandlung kann darin bestehen, daß ein E-förmiger Kern mit einem I-förmigen Kern kombiniert wird. Ferner kann der Querschnitt des mittleren Kernschenkels auch kreisförmig statt rechteckig sein.

Claims (3)

1. Transformator für eine geschaltete Betriebsspannungs­ quelle von der Art eines Rücklauf-Wandlers mit
einem Ferritkern (10, 11), der ein Paar seitliche Schenkel (10a, 11a) und einen mittleren Schenkel (10b, 11b), der kürzer als die seitlichen Schenkel ist, so daß sich ein Spalt (G) am mittleren Schen­ kel ergibt, und ein Joch (10c, 11c) aufweist, das die seitlichen Schenkel mit dem mittleren Schenkel verbindet, und
einem Wickelkörper (15), der einen rohrförmigen mittleren Körperteil (15a) und zwei Flansche (15b) sowie Primär- und Sekundär-Wicklungen (17, 18) auf dem mittleren Körperteil (15a) aufweist und mit dem Ferritkern derart zusammengebaut ist, daß der mittlere Schenkel innerhalb des rohrförmigen mittleren Körperteils des Wickelkörpers liegt, dadurch gekennzeichnet,
daß der Spalt (G) am Ende des mittleren Schenkels (10b) unter dem einen Ende des mittleren Körperteils des Wickelkörpers (15) liegt und
ein Spulenfreihaltungsmittel (16a, 16b) derart auf dem rohrförmigen mittleren Körperteil (15a) des Wickelkörpers (15) angeordnet ist, daß in einem vorbestimmten, in Längsrichtung des mittleren Schenkels (10b) gemessenen Abstand von dem Spalt (G) keine Primärwicklung (17) liegt.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulen­ freihaltungsmittel ein Band ist, das den rohrförmigen mitt­ leren Körperteil des Wickelkörpers an seinem Ende umgibt.

3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär­ wicklung um den nicht mit dem Band versehenen Ab­ schnitt des rohrförmigen mittleren Körperteils (15a) des Wickelkörpers (15) angeordnet ist und die Sekundärwicklung auf der gesamten Länge des rohrförmigen mittleren Körperteils (15a), unter Zwischenschaltung einer Isolationsschicht auf der Primärwicklung, angeordnet ist.