DE3913852A1 - Neuartiger steckkammerscheibentransformator - Google Patents

Description

Es sind Transformatoren mit Scheibenwicklungen in Kammerform in dem Bereich der Switchmode-Leistungstrafos bekannt, die sich auf die genormten Kernformen - insbesondere für ferritische E-Kerne - stützen. Zu berücksichtigen bei der Auslegung derartiger Transformatoren sind die Vorschriften für die Netztrennung nach VDE 0806 bzw. 0860, die entweder eine Luftstrecke von 6 mm vorschreiben oder eine Trennung durch entsprechende Isoliermaterialien. Außerdem ist bei den vorgegebenen genormten Kernabmessungen mit Sicherheit die optimale Auslegung nicht erreichbar.

In der neuesten Technik, gestützt auf die anfallenden Stückzahlen, ist eine optimale Auslegung schon deswegen vorteilhaft, weil keine Rücksicht auf Normen genommen zu werden braucht, d. h. auch außerhalb der Normen liegende Kernformen können in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit durchaus eine erfinderische Berech­ tigung haben.

Die bekannten Transformatoren im Frequenzbereich von größer gleich 16 kHz mit Scheibenwicklung weisen neben den unbestrittenen Vorteilen eine Reihe von Nachteilen auf, die in einer Tabelle nachfolgend aufgeführt werden. Darüber­ hinaus gibt es auch den sogenannten Steckkammertransformator, der verschiedene Nachteile des Scheibenwicklungstrafos nicht aufweist. Auch hier wird auf die nachfolgende Tabelle verwiesen.

Wichtiger Gesichtspunkt bei der Auslegung von Transformatoren, die bei Frequen­ zen von größer gleich 16 kHz betrieben werden sollen, sind Kopplung, Wicklungs­ kapazität, Wirbelstromverluste, Kupferverluste, Verluste im Kernmaterial (hier vorzugsweise Ferrit), Fertigungsschwierigkeiten, Automatisierungsmöglichkeit, Netztrennung nach VDE 0806 bzw. 0860, und max. übertragbare Leistung, bezogen auf das Gesamtvolumen des Transformators.

Es konnte nun erfinderisch gefunden werden, daß die auf optimale Auslegung einer Lagenwicklung dimensionierten Wickelfenster der genormten E/ETD etc. - Kerne den modernen Erfordernissen wie Automatenfertigung sowie von optimaler Leistungs­ übertragung und gleichzeitiger Netztrennung nach VDE 0806 bzw. 0860 nicht mehr entsprechen.

Dies gilt insbesondere auch für die Scheibenkammerkonstruktion derartiger Transformatoren.

Der Nachteil derartiger Transformatoren liegt darin, daß für die Wickeldrahtfüh­ rung mit Netztrennung jeweils mindestens 6 mm Abstand erforderlich sind, was eine voluminöse Konstruktion des Spulenkörpers mit übermäßig hohen Flanschen erfordert. Auch die Wickeltechnik derartiger Transformatoren ist aufwendig, und wegen Wicklungsungenauigkeiten (Überwickeln etc.) sind übermäßige Sicherheits­ abstände (größer 6 mm) erforderlich. Eine Coronamessung ist dementsprechend obligatorisch, um sämtliche Risiken auszuschließen.

Optimal unter Vernachlässigung von Randbedingungen konnte ein quadratisches Wickelfenster für E (und ähnliche)-Kernformen ermittelt werden. Durch den Einfluß von konstruktiven Gegebenheiten ergibt sich noch eine gewisse Abänderung dieser optimalen, quadratischen Auslegung des Wickelfensters. Zu berücksichtigen ist bei jeglicher Auslegung eines Transformators, daß er vollautomatisch zu fertigen ist.

Die oben angegebenen Kriterien führen zur erfindungsgemäßen Konstruktion bzw. Auslegung eines optimalen und wirtschaftlich fertigbaren Transformators für Sperrwandler- und Durchflußbetrieb.

Im einzelnen wird auf den erfindungsgemäßen Transformator eingegangen. Nachdem nicht nur Netztrennung, Kopplung der Wicklungen untereinander, automatische Fertigungsmöglichkeit, Universalität für fast alle Anwendungen im Bereich bis 300 Watt (in Abhängigkeit der Kerngröße, geringes Streufeld, hoher Wirkungsgrad im Gegensatz zu den genormten Kernschnitten) berücksichtigt werden müssen, ergeben sich die wesentlichen Merkmale der Erfindung.

Aus der Geometrie der Kernformen, die ja erst die erfinderische Ausgestaltung der Spulenkörper mit den Kammerwicklungen zuläßt, ergibt sich zunächst einmal, daß die Grundfläche des Transformators größer und die Höhe geringer wird. Dies ist sogar noch von Vorteil: Da die Grundfläche größer ist, läßt sich die Ent­ flechtung der Schaltung und die Einhaltung von Sicherheitsabständen leichter bewerkstelligen, und es lassen sich mehr SMD-Bauteile auf dieser Fläche unter­ bringen. Die geringe Bauhöhe erweist sich bei der Steckkartentechnik ebenfalls als vorteilhaft.

In der Tabelle werden Vor- und Nachteile der vorgenannten Konstruktionen mit­ einander verglichen, wobei die erfinderische Leistung ersichtlich wird.

Die erfindungsgemäße Konstruktion veranschaulicht die Fig. 1.

Darin bedeutet (1) der Grundkörper mit einem Fuß (2), der mit den notwendigen Anschlußstiften (3) versehen ist. Dieser Grundkörper wird vom 1. Hilfskörper umgeben, der Labyrinthe (4) aufweist, ebenso wie Hilfskörper (7), der für die Netztrennung ebenfalls Labyrinthe (4) aufweist.

In Fig. 2 ist der Aufbau schematisch unter der gleichen Indexierung dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen Aufbau eines Transformators bisheriger Technik.

Nach der zeichnerischen Darstellung dürfen die erfindungsgemäßen Vorteile noch­ mals herausgestellt werden. (siehe auch Tabelle)

• 1) Die einzelnen Steckeinheiten sind vollautomatisch zu bewickeln, wobei bei allen Spulenkörper das Drahtanlegen ebenfalls vollautomatisch erfolgt.
• 2) Die Auslegung des Transformators ist universell möglich, wobei allen vorkom­ menden Kopplungsverhältnissen Rechnung getragen werden kann.
• 3) Der Wirkungsgrad wird größer durch optimale Kernkonfiguration, Wickelraumaus­ nutzung und Verbesserung der Verkopplung.
• 4) Die übertragbare Leistung kann durch die vorgenannten Maßnahmen bis zu 40% über denen vergleichbarer Normkerne liegen.
• 5) Die Netztrennung ist so zuverlässig, daß sie keiner Nachprüfung bedarf (Prüfaufwand = Null) .
• 6) Das Streufeld (wichtig bei TV- und Monitoranwendung) wird reduziert.
• 7) Etwa 3-4 Trafogrößen im Frequenzbereich größer gleich 16 kHz und einem Leistungsbereich bis zu 300 Watt sind bei gleicher Grundkonzeption möglich.
• 8) Anwendung bei Sperr-, Fluß- und Sinuswandler möglich.
• 9) Weitgehende Freiheit in der Anpassung an gegebene Forderungen ohne konstruk­ tive Änderungen in allen Betriebsarten wie freischwingender, festfrequen­ tierter Betrieb, sowie Dreiecks- oder Trapezbetrieb.
• 10) Vorteile in bezug auf die Automatisierung der Wickeltechnik.
• 11) Die sich durch die Vergrößerung der Grundfläche eines erfindungsgemäßen Transformators anscheinend ergebenden Nachteile werden dadurch mehr als kompensiert, daß nunmehr SMD-Bauteile besser auf der Unterseite montiert werden können, die Entflechtung der Schaltung vereinfacht wird, eine Erhö­ hung der Zahl der benötigten, auch netzgetrennten Anschlüsse ist leicht zu bewerkstelligen.
• 12) Die Bauhöhe des optimierten Trafos wird geringer, so daß mechanische Festig­ keitsprobleme weniger gravierend in Erscheinung treten (Hebel-Kipp-Bewegung bei Fallbeanspruchung).
• 13) Eine evtl. notwendige Abschirmung kann auf das gleiche Potential geschaltet werden, wie der Kern, d. h. entweder auf die Netz- oder die netzgetrennten Seite, so daß Isolationsprobleme nicht entstehen.
• 14) Für den Fall der Wirbelstrombeeinflussung der Wicklung im Grundkörper durch Wirbelströme, verursacht durch den Luftspalt, können die Kammern in diesem Bereich einen größeren Abstand vom Kern aufweisen. Man kann jeden Spulenkörper ohne Mehrkosten mit dem elektrisch optimierten Draht wickeln z. B. wegen möglicher Wirbelstromverluste Litzendraht nur auf dem Grundkörper.

Claims (9)

1. Steckkammerscheibentransformator für Schaltznetzteilanwendungen mit Schalt­ frequenz größer gleich 16 kHz mit einem magnetisch leitenden Kern vorzugs­ weise aus Ferrit dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein nahezu quadrati­ sches Wickelfenster aufweist und der Wicklungsträger aus zwei oder mehreren ineinander steckbaren Spulenkörpern (1; 6; 7) besteht, wobei jeder dieser Spulenkörper in Wickelkammern aufgeteilt ist.

2. Steckkammerscheibentransformator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungskammer der ineinander gesteckten Spulenkörper jeweils miteinan­ der korrespondieren, d. h. daß die Kammern jeweils in gleicher Höhe liegen, wie die der anderen ineinander gesteckten Spulenkörper, um die erforderlichen engen magnetischen Kopplungen sicherzustellen.

3. Steckkammerscheibentransformator nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeich­ net, daß die Anzahl der Kammern bei allen Spulenkörpern gleich ist.

4. Steckkammerscheibentransformator nach einem oder mehreren der vorausgegange­ nen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Grundspulenkörper (1) bei Transformatoren mit kleiner Leistung keine Kammer aufweist.

5. Steckkammerscheibentransformator nach einem oder mehreren der vorausgegange­ nen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelschenkel des Kerns einen runden oder annäherend runden Querschnitt aufweist.

6. Steckkammerscheibentransformator nach einem oder mehreren der vorausgegange­ nen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Netztrennung durch Labyrinthe (4) erfolgt.

7. Steckkammerscheibentransformator nach einem oder mehreren der vorausgegange­ nen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Kern mit der Abschirmung entweder der netzverbundenen oder -getrennten Seite zugeordnet ist.

8. Steckkammerscheibentransformator nach einem oder mehreren der vorausgegange­ nen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) im Bereich des Luftspalts im Mittelschenkel zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten einen größeren Durchmesser aufweist.

9. Steckkammerscheibentransformator nach einem oder mehreren der vorausgegange­ nen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper mit Litze bewickelt ist.