DE4006697A1 - Transformator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Transformatoren werden verwendet, um aus Versorgungs- Wechselspannungen (100 oder 200 V) in Wechsel- oder Gleich-Ausgangsspannungen (5 oder 12 V) umzuwandeln. Sol­ che Transformatoren enthalten Primär- und Sekundärwick­ lungen mit ausreichendem Isolieraufbau.

Wie beispielswei­ se in der Fig. 7 gezeigt wird, besteht ein an sich be­ kannter Transformator aus Primär-Windungen 1 und 1′, ei­ ner Sekundär-Windung 2, einem Spulenkörper 3 mit einer Öffnung 4, einem in der Öffnung 4 angeordneten Kern 5, Sperren 6 und Isolierpapieren 7. Die Primär-Windungen 1, 1′ und die Sekundär-Windung 2 sind einander übergreifend derart auf den Spulenkörper 3 aufgewickelt, daß zwischen diesen Windungen eine sehr enge elektromagnetische Kopp­ lung entsteht. Die Isolierpapiere 7 sorgen für die erfor­ derliche Isolation zwischen Primär- und Sekundär-Windun­ gen 1 und 2 bzw. zwischen der Sekundär- und Primär-Win­ dung 2 und 1′. Nahe den Flanschen 3 a, 3 b des Spulenkör­ pers 3 sind Isolations-Sperren 6 angeordnet, welche die effektive Kriechstrecke zwischen den Primär- und Sekun­ där-Windungen vergrößern. Die Fig. 8 zeigt schematisch ein Beispiel des Transformatorschaltkreises, in dem die Primär- und Sekundär-Wicklungen 1, 1′ und 2 entsprechende Anschlüsse 1 a, 1′a und 2 a aufweisen.

Die Fig. 9 und 10 zeigen beispielsweise Ausführungen bekannter Transformatoren, bei denen Primär- und Sekun­ där-Windungen 1, 1′ und 2 herausgeführt und mit einem entsprechenden Anschlußleiter 9 verbunden sind, der am oberen Flansch 3 a des Spulenkörpers 3 gehalten wird. Die­ se Herausführungen nahe den Endpunkten 1 a, 1′a und 2 a sind mit isolierenden Schläuchen 8 versehen und über Aus­ nehmungen im oberen Flansch 3 a am Anschlußleiter 9 befe­ stigt.

Die meisten der bekannten Transformatoren benötigen Sper­ ren 6, Isolierpapiere 7 und isolierende Schläuche 8 für die elektrische Isolation zwischen Primär- und Sekundär- Windungen 1 und 2 und zwischen Sekundär- und Primär-Win­ dungen 2 und 1′. Solche Windungen 1, 1′ und 2 sind ganz allgemein mit Schmelz oder Emaille (nicht dargestellt) überzogen, und zwar ausschließlich um eine geringe Isola­ tion innerhalb jeder Lage der Primär- und Sekundär-Win­ dung 1, 1′ oder 2 aufrechtzuerhalten. In keiner Weise je­ doch zum Zwecke der Isolation zwischen Primär- und Sekun­ där-Windungen. Demzufolge erfordern die bekannten Trans­ formatoren den oben erwähnten Isolationsaufbau ein­ schließlich Isolationssperren, Isolationspapieren und Isolationsschläuchen.

Gemäß Section 380 der IEC (International Electrotechni­ cal Commission) fordert der Isolationsaufbau mehr als 3 Blätter Isolierpapier 7, die zwischen Primär- und Sekun­ där-Windungen 1 und 2 und zwischen Sekundär- und Primär- Windungen 2 und 1′ angeordnet werden, weil vorausgesetzt wird, daß 2 Blätter Isolierpapier 7 einer angelegten Spannung von 3750 V widerstehen. Dieser Regelung entspre­ chend müssen mehr als 6 mm Kriechstrecke zwischen Pri­ mär- und Sekundär-Windungen 1 und 2 und Sekundär- und Primär-Windungen 2 und 1′ vorgesehen werden. Solch ein Aufbau benötigt jedoch offensichtlich mehr Platz für die Unterbringung der Sperren 6 und der Isolierpapiere 7, so daß die Herstellung kleinbauender Transformatoren für Hochfreqenz-Betrieb problematisch ist. Ein weiterer Nach­ teil eines solchen Aufbaus ist, daß die Anordnung der lsolier-Sperren 6 und Isolierpapiere 7 das Kopplungs-Ver­ halten der aus den Windungen aufgebauten magnetischen Kreise verschlechtert.

Wie die Fig. 9 und 10 weiter zeigen, erfordern Aufbau und Montage dieses Transformators das Einführen der An­ schlüsse 1 a, 2 a und 1′a der Primär- und der Sekundär-Win­ dungen 1, 2 und 1′ in Isolations-Schläuche 8. Die An­ schlüsse müssen dann mit dem Anschlußleiter 9 des Spulen­ körpers 3 verbunden werden. Diese Vorgänge sind - wie einzusehen ist - problembehaftet und zeitaufwendig und erfordern ein nicht unerhebliches Maß an Erfahrung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mög­ lichst klein bauenden Transformator für Hochfreqenz-Be­ trieb zu schaffen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht der Transforma­ tor im wesentlichen aus Primär- und Sekundär-Windungen, die derart um einen Kern gewickelt sind, daß sie einan­ der übergreifen. Wenigstens eine der Primär- und Sekun­ där-Windungen weist einen ummantelten Leiter auf, der aus isolierendem Kunststoff besteht und aus der Gruppe der Polyäthylene, der Polyäthylen-Terepthalate, der Po­ lyimide, der Polyester, der Polyäther, Polyacetale, der Polyvinyl-Formale, der Polyurethane und der Epoxy-Harze besteht.

Die Ummantelung kann aus einer Vielzahl von Lagen beste­ hen, die aus isolierendem Kunststoffmaterial aufgebaut sind. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Primär- und Sekundär-Windungen über die gesamte Wei­ te zwischen zwei Flanschen eines Spulenkörpers ge­ wickelt.

Beim erfindungsgemäßen Transformator erfolgt die lsola­ tion der Primär- und Sekundär-Windungen durch Isolations­ ummantelungen, die den Leiter jeder Windung umgeben. Da die Primär- und Sekundär-Windungen sehr eng um den Kern gewickelt sind und einander ohne Isolationssperren und Isolationspapiere übergreifen, können die Transformato­ ren sehr klein gebaut werden. Darüber hinaus kann jedes Ende der Windungen sehr leicht mit dem Anschlußleiter des Spulenkörpers ohne lsolationsschlauch verbunden wer­ den, in welchen jedes Ende der Windungen eingeführt ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen erfin­ dungsgemäßen Transformator mit 3 Wicklungen,

Fig. 2 eine perspektivische Teilansicht eines Leiters der Wicklung,

Fig. 3 einen Aufriß des Spulenkörpers mit Wicklungen,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Darstellung aus Fig. 3,

Fig. 5(A) und 5(B) einen Größenvergleich der Kerne eines Ausführungsbeispiels gemäß Erfindung und eines gemäß Stand der Technik,

Fig. 6(A) und 6(B) schematische Schnittdarstellungen zur Darstellung der Größenverhältnisse eines erfindungsgemäßen und eines vorbekannten Trans­ formators,

Fig. 7 einen schematischen Schnitt durch einen bekannten Transformator,

Fig. 8 einen beim erfindungsgemäßen Transformator ver­ wendeten Schaltkreis,

Fig. 9 einen Aufriß eines Spulenkörpers mit Windungen gemäß Stand der Technik und

Fig. 10 eine Seitenansicht der Darstellung gemäß Fig. 9.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung wird nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 1 bis 6 beschrieben.

Diese Figuren enthalten die gleichen Bezugszeichen wie die Fig. 7 bis 10 (für die einander entsprechenden Teile und Abschnitte). Eine ins einzelne gehende Erläute­ rung der Fig. 7 bis 10 ist daher entbehrlich.

Wie sich aus Fig. 1 und 2 ergibt, bestehen die Primär- und Sekundär-Windungen 1, 1′ und 2 aus einem Leiter 10 und einer isolierenden Ummantelung 11, die den Leiter 10 umgibt. Die Ummantelung 11 besteht aus einer ersten Schicht 11 a, die den Leiter 10 direkt umgibt. Eine zwei­ te Schicht 11 b umgibt die erste Schicht 11 a und eine dritte Schicht 11 c wiederum umgibt die zweite Schicht 11 b. Jede dieser drei Schichten 11 a, 11 b und 11 c besteht aus isolierendem Kunststoff aus den Gruppen die Polyäthy­ len, Polyäthylenterephthalate, Polyimide, Polyester, Po­ lyäther, Polyacetal, Polyvinylformal, Polyurethan und Epoxy-Harze enthalten. Selbst wenn eine teilweise Durch­ lässigkeit oder Störung in der lsolation einer dieser Schichten gegeben wäre, stellen die übrigen Schichten der Mehrfach- oder Vielfach-Struktur eine volle Isola­ tion für das erforderliche Spannungsniveau sicher.

Die erste bis dritte Schicht 11 a, 11 b und 11 c können durch Vakuum-Ablagerung verschiedener Isolationsmateria­ lien in mehreren Schritten auf dem Leiter 10 angebracht werden, indem dieser entweder in flüssiges Isolationsma­ terial eingetaucht oder mit einem klebenden Isolations- Film in Streifenform umwickelt wird. Die Ummantelung kann aber auch durch Umwickeln des Leiters 10 mit einem Band aus synthetischem Harz erfolgen, wobei anschließend das Harz ohne Klebemittel unter Einsatz von Wärme versiegelt wird. Die Dicke der Ummantelungen 11 für jede Windung 1, 1′ und 2 mißt im Hinblick auf die Bearbeitbarkeit mög­ lichst weniger als 0,05 mm, die Isolationscharakteristik und die miniaturisierte Größe des Transformators. So hat beispielsweise die erste Schicht aus Polyester-Film ge­ mäß Fig. 2 eine Dicke von 0,012 mm und jede der zweiten und dritten Schichten eine Dicke von 0,004 mm. Die Umman­ telungen zwischen den Primär- und Sekundär-Windungen kön­ nen einer Spannung von über 8 kV widerstehen. In einem solchen Fall ist es ratsam, Materialien mit abgestuft ab­ sinkenden Schmelzpunkten von der ersten Schicht zur drit­ ten Schicht 11 a bis 11 c zu verwenden. Die erste innere Schicht 11 a ist am dichtesten am Leiter 10 und wird da­ her einer erhöhten Temperatur im Betrieb unterworfen, die jedenfalls höher ist als die der äußeren Schicht.

Für den Zusammenbau des Transformators werden die Pri­ mär-Wicklungen 1, 1′ und die Sekundär-Windungen 2 um den Spulenkörper 3 herum derart gewickelt, daß sie sich über dessen volle Weite erstrecken. Auf Isolations-Sperren und -Papier für Primär-Wicklung 1, Sekundär-Wicklung 2 und Primär-Wicklung 1′ kann verzichtet werden. Die Ver­ wendung des Spulenkörpers 3, um den diese Wicklungen ge­ wickelt werden, kann ein Zusammenfallen der gewickelten Wicklungen verhindern und die Zuordnung und Verbindung der Wicklungen erleichtern. Bei geringer Windungszahl er­ folgt die Anordnung der Windungen in größerem Abstand voneinander über die gesamte Weite des Spulenkörpers. Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, können die An­ schlüsse 1 a, 1′a und 2 a mit Anschlußpunkten 9 ohne Isola­ tionsschlauch 8 durch Löten verbunden werden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen vergleichsweise praktische Größenverhältnisse eines schalenförmigen Transformators gemäß der Erfindung und gemäß Stand der Technik, wobei die Primär-Wicklungen 1 und 1′ jeweils Leiter 10 mit ei­ nem Außendurchmesser von 0,4 mm, 0,5 mm und einer Win­ dungszahl 60, 36 und die Sekundär-Wicklung 2 einen Lei­ ter 10 mit Außendurchmesser 0,8 mm und einer Windungs­ zahl von 24 aufweist. Die Fig. 5(A) und (B) zeigen die Größe der Kerne wie sie bei einem erfindungsgemäßen Transformator und einem solchen nach dem Stand der Tech­ nik in Frage kommen. Die Fig. 6(A) und (B) zeigen je­ weils Abschnitte eines erfindungsgemäßen Transformators und eines solchen nach dem Stand der Technik und sollen die Größe der Spulen in mm wiedergeben. Während der Transformator nach dem Stand der Technik ein Volumen von 37,52 ccm und ein Gewicht von 90 g hat, hat der erfin­ dungsgemäße Transformator ein Volumen von 27,17 ccm und ein Gewicht von 75 g und ist damit ungefähr in seinem Vo­ lumen 28% kleiner und in seinem Gewicht etwa 16% leich­ ter als der Transformator nach dem Stand der Technik.

Das voranstehend geschilderte Ausführungsbeispiel kann auch abgeändert werden. Zwischen Primär- und Sekundär- Wicklungen 1 und 2 und zwischen Sekundär- und Primär- Wicklungen 2 und 1′, die um den Spulenkörper 3 gemäß Fig. 1 gewickelt sind, können Isolierpapiere eingebracht werden, um eine ebene Oberfläche auf der unebenen äuße­ ren Oberfläche der Windungen zu schaffen und so die Unre­ gelmäßigkeiten der Oberfläche auszugleichen. Dies er­ leichtert den nachfolgenden Wicklungsvorgang. In einem solchen Fall kann eine geringe Anzahl oder eine Variante der Isolierpapiere Verwendung finden, da die Isolation der Windungen in diesem Fall nicht mehr von dem Verhal­ ten der Isolierpapiere 7 abhängt. Die Windungen können auch direkt und ohne Verwendung eines Spulenkörpers 3 auf den Kern gewickelt werden. Primär- und Sekundär-Wick­ lungen können bifilar ausgebildet werden, um ein besse­ res Kopplungs-Verhalten im magnetischen Kreis zu errei­ chen. Der Transformator kann als Kern- oder Toroid-Typ oder in anderer Weise aufgebaut sein. Er muß nicht dem Schalen-Typ entsprechen.

Da der erfindungsgemäße Transformator die volle Isola­ tion zwischen Primär- und Sekundär-Windungen auch ohne Isolations-Sperren, Isolations-Papiere und Isolations- Schläuche gewährleistet, wie sie bei Transformatoren nach dem Stand der Technik erforderlich waren, kann er insbesondere für die Verwendung im Hochfrequenz-Betrieb kleiner gebaut und einfacher aufgebaut werden. Falls er im Frequenzbereich von 500 kHz bis 1 MHz eingesetzt wird, kann das Volumen des Transformators auf die Hälfte bis zwei Drittel eines entsprechenden Transformators nach dem Stand der Technik reduziert werden. Darüber hin­ aus kann das durch die Wicklungen bestimmte Kopplungs- Verhalten im magnetischen Kreis merklich verbessert wer­ den.

Claims (4)

1. Transformator mit Primär- und Sekundär-Wicklungen (1, 1′, 2), die um einen Kern (5) gewickelt sind und einan­ der übergreifen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Primär- bzw. Sekundär-Wicklungen (1, 1′, 2) ei­ nen ummantelten Leiter (10) aufweist, wobei die Ummante­ lung (11) aus isolierendem Kunststoff-Material aus den Gruppen Polyäthylen, Polyäthylen-Terephthalat, Polyimid, Polyester, Polyäther, Polyacetal, Polyvinyl-Formal, Poly­ urethan und Epoxy-Harzen besteht.

2. Transformator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ummantelung (11) aus einer Vielzahl von Schichten (11 a, 11 b, 11 c) aus isolierendem Kunststoffma­ terial besteht.

3. Transformator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Primär- und Sekundär-Wicklungen (1, 1′, 2) über die gesamte Weite zwischen den Flanschen (3 a, 3 b) des Spulenkörpers (3) gewickelt sind.

4. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß Primär- und Sekundär-Wicklun­ gen (1, 1′, 2) derart auf ein einen Kern (5) auf­ gewickelt sind, daß sie einander übergreifen, wobei we­ nigstens eine der Primär- und Sekundär-Wicklungen (1, 1′, 2) eine aus mehreren Schichten (11 a, 11 b, 11 c) aufge­ baute Ummantelung (11) aufweist.