DE4227891A1 - HV transformer with insulated windings for operation in different pressure zones - has insulation mass in which transformer windings are embedded and spaced from core by air-gap - Google Patents
HV transformer with insulated windings for operation in different pressure zones - has insulation mass in which transformer windings are embedded and spaced from core by air-gapInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einem Übertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a transformer according to the Preamble of claim 1.
Aus der US 4,176,334-A ist ein Transformator zur Erzeugung von Hochspannungen bekannt, dessen Wicklungen in eine Isolationsmasse eingebettet sind. Die Sekundärwicklungen des Transformators sind jeweils in separaten Spulenkörpern nebeneinander angeordnet. Primär- und Sekundärwicklungen sind durch Schirmungen voneinander getrennt, die in die Isolationsmasse ebenfalls eingebettet sind.From US 4,176,334-A is a transformer for generating High voltages known, the windings in one Isolation mass are embedded. The secondary windings of the Transformers are each in separate bobbins arranged side by side. Primary and secondary windings are separated from each other by shielding, which in the Isolation compound are also embedded.
Aus der DE 31 00 419 C2 ist ein Hochspannungstransformator bekannt, bei dem Primär- und Sekundärwicklung durch Isolationsmittel (Vergußmasse) voneinander getrennt sind und zwischen ihnen - hier konzentrisch zum Wickelkern - ein auf Masse gelegter längsgeschlitzter, zylinderförmiger Metallschirm angeordnet ist. Über diesen Metallschirm erfolgt die Wärmeableitung von den Wicklungen.DE 31 00 419 C2 is a high-voltage transformer known in the primary and secondary winding through Isolation means (sealing compound) are separated from each other and between them - here concentric to the winding core - one on Mass laid longitudinally slotted, cylindrical Metal screen is arranged. Via this metal screen heat dissipation from the windings.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, den Übertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß eine ausreichende Überschlagssicherheit insbesondere für den Betrieb in unterschiedlichen Druckbereichen gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Verwendungsmöglichkeiten auf.The object of the present invention is to convert the transformer to form the preamble of claim 1 so that a Sufficient rollover security, especially for the Operation in different pressure ranges is guaranteed. This object is achieved by the measures of claim 1 solved. The other claims show advantageous Further training or possible uses.
Durch die Befestigung der Isolationsmasse mitsamt den darin eingebetteten Übertragerwicklungen an nur einer Kernwandung treten weniger mechanische Spannungen innerhalb der Isolationsmasse und an den Kontaktflächen zum Kern hin auf. Demzufolge wird auch ein Rißwachstum gehemmt und damit die Gefahr von Überschlägen reduziert. Durch den Luftspalt, den die Isoliermasse gegenüber dem Kern bis auf die Kontaktfläche aufweist, läßt sich die Überschlagsgefahr weiter reduzieren. Die Maßnahmen der Erfindung führen zu einem sicheren Betrieb des Übertragers im Paschenminimum während der Startphase des Satelliten (Zwischendruckbereich) als auch unter Weltraumbedingungen (Vakuum).By attaching the insulation compound together with the inside embedded transformer windings on only one core wall less mechanical stresses occur within the Isolation compound and at the contact surfaces to the core. As a result, crack growth is inhibited and thus Risk of rollovers reduced. Through the air gap the insulating compound opposite the core except for the contact surface has, the risk of rollover can be further reduced. The measures of the invention lead to safe operation of the transformer in the Paschen minimum during the start phase of Satellite (intermediate pressure range) as well as below Space conditions (vacuum).
Die Maßnahme des Anspruchs 2 gewährleistet, daß sich die Isolationsmasse trotz der einseitigen Befestigung an nur einer Kernwankung auch bei Beschleunigungen (Startphase des Satelliten) nicht verschieben kann. Die Schirmung gemäß Anspruch 3 hemmt ebenfalls die Überschlagsgefahr und sorgt dafür, daß Entladungen im Zwischendruckbereich auf kontrollierten Wegen erfolgen. Durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 4 ist gewährleistet, daß Rißwachstum infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten wirksam unterdrückt wird. Insbesondere wird eine Ablösung der Schirmung von der Isolationsmasse unterbunden, da die Multilayer flexibel ist und infolge ähnlicher Ausdehnungskoeffizienten ihrer Außenschichten zur angrenzenden Isolationsmasse keine mechanischen Spannungen auftreten.The measure of claim 2 ensures that the Isolation mass despite the one-sided attachment to only one Core fluctuation even during accelerations (start phase of the Satellites) cannot move. The shielding according to Claim 3 also inhibits the risk of rollover and provides for discharges in the intermediate pressure range controlled routes. Through the measures according to Claim 4 ensures that crack growth as a result different coefficients of thermal expansion effective is suppressed. In particular, a replacement of the Shielding from the insulation ground prevented, since the Multilayer is flexible and as a result of similar Expansion coefficients of their outer layers to the adjacent Isolation mass no mechanical stresses occur.
Im Gegensatz zur Lösung gemäß DE 31 00 419 A2 kann die Schirmung insbesondere bei tiefen Temperaturen kein Auslöser von Rissen mehr sein.In contrast to the solution according to DE 31 00 419 A2, the Shielding is not a trigger, especially at low temperatures of cracks more.
Bisher bekannte Stromübertrager können nicht ohne weiteres im Paschenminimum betrieben werden, da Glimmentladungen auftreten können, die sich bei Einsatz des Stromübertragers in einer Regelschaltung auf die durch den Übertrager transformierte Regelgröße störend auswirken. So ist bei Verwendung eines herkömmlichen Übertragers als Bestandteil eines Kathodenstromreglers für einen Wanderfeldröhrenverstärker die Anodenspannung nicht mehr konstant. Außerdem sinkt der Wirkungsgrad der gesamten Stromversorgungsschaltung.Previously known current transformers can not easily in Paschen minimum be operated because glow discharges occur can, which when using the current transformer in a Control circuit to that transformed by the transformer Control variable disruptive. So when using a conventional transformer as part of a Cathode current regulator for a traveling wave tube amplifier Anode voltage no longer constant. It also sinks Efficiency of the entire power supply circuit.
Wird der Kern auf Massepotential gelegt, können keine Entladungen im Paschenminimum vom Kern ausgehen. Aufgrund geringerer Koppelkapazitäten der Übertragerwicklungen zum Kern, ist es aber aus regelungstechnischen Gründen vorteilhaft, den Kern nicht an ein festes Potential anzubinden, sondern gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 7 auf floatendes Potential zu legen. Von der Kernoberfläche können jetzt zwar im Zwischendruckbereich Entladungen auftreten, jedoch sind diese durch die Isolierung des Kerns gegenüber Massepotential und der Wicklung, die auf Hochspannungspotential liegt, so gering, daß keinerlei Beeinflussung der Regelgröße erfolgt.If the core is connected to ground potential, none can Discharge in the Paschen minimum from the core. Because of lower coupling capacities of the transformer windings at Kern, but it is for control reasons advantageous, the core does not have a fixed potential tie, but according to the embodiment of claim 7 to put on floating potential. From the core surface can now discharge in the intermediate pressure area occur, however, these are due to the isolation of the core versus ground potential and the winding that is on High voltage potential is so low that none The controlled variable is influenced.
Zusätzlich wird durch diese Maßnahme die Oberfläche der Isolationsmasse (Vergußmasse) der Wicklung, die auf Hochspannungspotential liegt, durch Entladungen weniger stark beansprucht - läge der Kern auf Massepotential, so würden ständig Entladungen von der Vergußoberfläche zum entsprechenden Massepunkt erfolgen.In addition, the surface of the Insulation compound (sealing compound) of the winding on High voltage potential is less strong due to discharges stressed - if the core were at ground potential, then constant discharges from the potting surface to corresponding ground point.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenAn embodiment of the invention will now be described with reference to Drawings explained in more detail. Show it
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Übertrager gemäß der Erfindung. Fig. 1 shows a longitudinal section through a transformer according to the invention.
Fig. 2 einen Querschnitt durch den Schirmungsring. Fig. 2 shows a cross section through the shielding ring.
In Fig. 1 ist ein Übertrager gemäß der Erfindung dargestellt. Dieser Übertrager weist einen dreischenkligen Kern auf, der die Übertragerwicklungen w1 und w2 bis auf Seitenfenster vollständig umschließt. Die Übertragerwicklungen w1 und w2 sind nebeneinanderliegend auf einem Spulenkörper SK angeordnet, welcher zum Wickelkern KE als mittlerem Schenkel konzentrisch verläuft. Der Spulenkörper SK weist jeweils im Bereich der Wicklungsenden Vorsprünge VS auf, so daß Wicklungskammern entstehen, die die Übertragerwicklungen w1, w2 bis auf die dem Wickelkern KE abgewandten Oberflächen vollständig umgeben. Die beiden Übertragerwicklungen w1 und w2 sind gegeneinander durch eine Schirmung S getrennt, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 über der Kammeraußenwand des Spulenkörpers SK für die Übertragerwicklung w2 angeordnet ist. Diese Schirmung S besteht aus einem scheibenförmigen Ring (Fig. 2) in Form einer Multilayer. Diese Multilayer weist eine elektrisch leitende Schicht ES, z. B. eine Kupferschicht, auf, welche zwischen zwei isolierenden Außenschichten AS angeordnet ist. Wie Fig. 2 zeigt, ist die leitende Schicht ES durch einen Kurzschlußtrennschlitz KT unterbrochen. Der Spulenkörper SK mitsamt den Übertragerwicklungen w1 und w2 und den Schirmanschluß S ist in eine Isolationsmasse VM eingebettet und zwar so, daß diese Isolationsmasse VM alle außenliegenden Teile um ca. 10% übersteht und ein zylindrischer ringförmiger Verbundkörper gebildet wird.In Fig. 1, a transformer is shown according to the invention. This transformer has a three-legged core, which completely encloses the transformer windings w1 and w2 except for side windows. The transformer windings w1 and w2 are arranged side by side on a coil former SK, which is concentric with the winding core KE as a central leg. The coil former SK has projections VS in the region of the winding ends, so that winding chambers are formed which completely surround the transformer windings w1, w2 except for the surfaces facing away from the winding core KE. The two transformer windings w1 and w2 are separated from one another by a shield S which, in the exemplary embodiment according to FIG. 1, is arranged above the chamber outer wall of the coil former SK for the transformer winding w2. This shield S consists of a disc-shaped ring ( Fig. 2) in the form of a multilayer. This multilayer has an electrically conductive layer ES, for. B. a copper layer, which is arranged between two insulating outer layers AS. As shown in FIG. 2, the conductive layer, it is interrupted by a short separating slot KT. The coil body SK together with the transformer windings w1 and w2 and the shield connection S is embedded in an insulation compound VM in such a way that this insulation compound VM overcomes all external parts by approximately 10% and a cylindrical, annular composite body is formed.
Als Isolationsmasse eignet sich eine Vergußmasse aus Epoxidharz, welche gegebenenfalls glasfaserverstärkt oder mit sonstigen anorganischen Materialien gefüllt sein kann (vgl. etz Band 105 (1984) Heft 9, Seite 441 oder US 4,176,334 "epoxy-glass laminate"). Damit keine Haftungsprobleme oder mechanische Spannungen zwischen Schirmung S und Isolationsmasse VM auftreten, bestehen die Außenschichten AS der Schirmung aus dem chemisch gleichen oder zumindest ähnlichen Material wie das der Isolationsmasse VM. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Isolationsmasse VM und den Außenschichten AS muß zumindest in der gleichen Größenordnung liegen, damit keine Rißbildung entstehen kann. Die Multilayer der Schirmung S bildet, wie Fig. 2 zeigt, gleichzeitig Anschlußmöglichkeiten für die Drahtenden der Übertragerwicklungen w1 und w2 in Form der Lötaugen LA1 bis LA4 und den Schirmanschluß; in Fig. 2 über eine Leiterbahn LB zum Lötauge LA5 geführt. Die Wickeldrähte und der Schirmanschluß werden vorteilhafterweise mit überschrumpften Schaltdrähten aus der Vergußmasse geführt. Das Schrumpfschlauchmaterial wird so gewählt, daß die Haftfestigkeiten des Materials durch Reinigungsverfahren wie Coronaentladungen und Plasmaätzen um ein Mehrfaches gesteigert werden können. Es besteht auch die Möglichkeit Hochspannungslitzen zu verwenden, jedoch muß deren Haftung in der Vergußmasse sichergestellt sein.A suitable sealing compound is a potting compound made of epoxy resin, which can optionally be glass fiber reinforced or filled with other inorganic materials (cf. etz Volume 105 (1984) No. 9, page 441 or US 4,176,334 "epoxy-glass laminate"). So that there are no liability problems or mechanical stresses between the shield S and the insulation mass VM, the outer layers AS of the shield consist of the chemically the same or at least similar material as that of the insulation mass VM. The coefficient of thermal expansion of the insulation compound VM and the outer layers AS must be at least of the same order of magnitude so that no cracking can occur. The multilayer of the shield S forms, as shown in FIG. 2, at the same time connection options for the wire ends of the transformer windings w1 and w2 in the form of the pads LA1 to LA4 and the shield connection; in Fig. 2 led via a conductor track LB to the pad LA5. The winding wires and the shield connection are advantageously carried out with shrinked jumper wires from the sealing compound. The shrink tubing material is selected so that the adhesive strength of the material can be increased several times by cleaning processes such as corona discharges and plasma etching. It is also possible to use high-voltage strands, but their adhesion in the casting compound must be ensured.
Der Kern ist im Bereich jeweils einer Schenkelmitte geteilt (Fig. 1, Trennungslinien gestrichelt). Um die beiden Kernhälften zu zentrieren, ist eine Zentrierhülse ZH, z. B. aus PEEK Kunststoff, vorgesehen. Diese Zentrierhülse dient gleichzeitig als Abstandshalter zwischen dem Verbundkörper, bestehend aus den in die Isolationsmasse VM eingebetteten Übertragerwicklungen w1, w2 Schirmung S und Spulenkörper SK. Letzter Verbundkörper ist nämlich von den Kernteilen jeweils durch einen Luftspalt LS getrennt und nur an eines der Schenkeljoche - im dargestellten Beispiel das untere - angeklebt. Somit ist der Verbundkörper nur an einer Kernwandung KW befestigt. Durch das Ankleben ist diese Befestigung genügend elastisch, so daß keine mechanischen Spannungen entstehen, die zu Rissen führen können. Die Kernwandung KW, an der das Ankleben erfolgt, ist so gewählt, daß bei Beschleunigung des Kerns, z. B. während der Startphase eines Satelliten, gegen diese Kernwandung gedrückt wird. Die Befestigung sollte immer an jenem Joch erfolgen, das gewährleistet, daß die Schwerkraft des Verbundkörpers der Beschleunigung des Kerns entgegenwirkt. Der Luftspalt LS zur Zentrierhülse ZH läßt sich durch mindestens einen Anschlag AG einstellen, der vorzugsweise an jedem Ende der Zentrierhülse ZH angebracht ist, das entfernt von der Anklebefläche des Verbundkörpers gelegen ist. Der Luftspalt LS bietet eine ausreichende Hochvakuumisolierung bei Betrieb im Weltall. Die Zentrierhülse ZH vermindert die Gefahr eines Überschlages bei Betrieb bis ca. 90°C unter Normaldruck.The core is divided in the region of a middle of each leg ( Fig. 1, broken lines). To center the two core halves, a centering sleeve ZH, z. B. made of PEEK plastic. This centering sleeve also serves as a spacer between the composite body, consisting of the transformer windings w1, w2 shielding S and coil former SK embedded in the insulation mass VM. The last composite body is separated from the core parts by an air gap LS and is only glued to one of the leg yokes - the lower one in the example shown. Thus, the composite body is only attached to a core wall KW. By gluing, this attachment is sufficiently elastic so that there are no mechanical stresses that can lead to cracks. The core wall KW, to which the gluing takes place, is selected so that when the core is accelerated, for. B. during the launch phase of a satellite, is pressed against this core wall. The attachment should always be made to the yoke that ensures that the gravity of the composite body counteracts the acceleration of the core. The air gap LS to the centering sleeve ZH can be set by at least one stop AG, which is preferably attached to each end of the centering sleeve ZH, which is located away from the adhesive surface of the composite body. The air gap LS offers sufficient high vacuum insulation when operating in space. The centering sleeve ZH reduces the risk of a rollover during operation up to approx. 90 ° C under normal pressure.
Der Kern des Übertragers mit dem zentralen Wickelkern WK und den Außenschenkeln DK sowie die dazu gehörigen Joche ist vom Massepotential, auf dem der Massekörper MK liegt, durch eine Isolierschicht IS getrennt. Diese Isolierschicht, z. B. aus PEEK Kunststoff, ist so bemessen, daß im Druckbereich unter 10-2 mbar (Vakuumbetrieb) keine Entladungen über diese Isolierschicht IS auftreten können.The core of the transformer with the central winding core WK and the outer legs DK and the associated yokes is separated from the ground potential on which the ground body MK lies by an insulating layer IS. This insulating layer, e.g. B. made of PEEK plastic, is dimensioned so that no discharges can occur through this insulating layer IS in the pressure range below 10 -2 mbar (vacuum operation).
Der Übertrager nach der Erfindung läßt sich vorteilhaft als Meßwandler einsetzen, der DC-mäßig auch Hochspannungspotential arbeitet, AC-mäßig jedoch nur geringe Potentialdifferenzen verarbeiten muß.The transformer according to the invention can advantageously be used as Use transducers, the DC-like also high voltage potential works, but in terms of AC only small potential differences must process.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Übertragers als Bestandteil eines Kathodenstromreglers für einen Wanderfeldröhrenverstärker (vgl. DE 38 43 260 C1) stellt die Wicklung w2 die Anodenspule dar und die Wicklung w1 die Kathodenspule. Gleichspannungsmäßig liegt die Anodenspule auf einem Potential, welches insbesondere im Zwischendruckbereich zwischen 500 V und ca. 5 kV variiert. Die leitende Schicht ES der Schirmung S ist ebenfalls auf dieses "floatende" Potential gelegt, damit Überschläge, insbesondere im Zwischendruckbereich direkt abgeleitet werden können. Die Anodenspule führt auf die Lötaugen LA3 und LA4. Zweckmäßigerweise wird demnach das Lötauge LA5 mit dem Lötauge LA4 verbunden. Die Kathodenspule liegt gleichspannungsmäßig auf ca. 6 kV. An den Massekörper MK wird die Helix der Wanderfeldröhre angeschlossen. Durch das Ankleben des Verbundkörpers im Bereich der Anodenspule w2 ist eventuell eine unsymmetrische Kammerwandaufteilung notwendig, je nach Temperaturverhalten der Isoliermaterialien im Temperaturbereich von -40°C bis +90°C. When using the transformer according to the invention as Part of a cathode current regulator for one Wanderfeld tube amplifier (cf. DE 38 43 260 C1) provides the Winding w2 is the anode coil and winding w1 is the Cathode coil. In terms of DC voltage, the anode coil is on a potential, particularly in the intermediate pressure range varies between 500 V and approx. 5 kV. The conductive layer ES the shield S is also at this "floating" potential laid so that rollovers, especially in Intermediate pressure range can be derived directly. The Anode coil leads to the pads LA3 and LA4. Accordingly, the LA5 pad with the pad is expedient LA4 connected. The cathode coil is in direct voltage to approx. 6 kV. The helix is attached to the mass body MK Wandering tube connected. By sticking the Composite body in the area of the anode coil w2 is possibly an asymmetrical division of the chamber wall is necessary, depending on Temperature behavior of the insulating materials in the Temperature range from -40 ° C to + 90 ° C.
Die typischen Spannungsbelastungen des Übertragers nach der Erfindung stellen sich somit wie folgt dar:The typical voltage loads of the transformer after Invention are thus as follows:
Beim Einschalten der Stromversorgung "läuft der Kern auf die Kathodenspannung von 6 kV hoch". Im Zwischendruckbereich während der Startphase des Satelliten durchläuft der Kern das Paschenminimum, d. h. es ergeben sich theoretisch unendlich viele Entladungen, so daß der Kern Massepotential annimmt. Mit dem Eintritt in das Vakuum des Weltalls kann sich der Kern auf die maximale Spannung UK (Kathodenspannung) aufladen. Dieses Wiederaufladen des Kerns dauert mehrere Stunden bedingt durch die hohen Isolationswiderstände der Isolierschichten IS und des Vergußmaterials VM. Im Hochvakuum des Weltalls bleibt der Kern auf der Spannung UK; es sei denn, daß eine lokale Druckerhöhung auftritt, die eine Entladung des Kern bewirkt.When the power supply is switched on "the core runs up to the cathode voltage of 6 kV". In the intermediate pressure range during the launch phase of the satellite, the core passes through the Paschen minimum, ie theoretically there are an infinite number of discharges, so that the core assumes ground potential. Upon entering the vacuum of space, the core can charge to the maximum voltage U K (cathode voltage). This recharging of the core takes several hours due to the high insulation resistances of the insulating layers IS and the potting material VM. In the high vacuum of space, the nucleus remains at the voltage U K ; unless a local pressure increase occurs which causes the core to discharge.
Der Kern des Übertragers kann als Schalen- oder RM-Kern ausgebildet sein.The core of the transmitter can be a shell or RM core be trained.
Durch die Maßnahmen der Erfindung ist sowohl ein sicherer Betrieb im Zwischendruckbereich als auch ein zuverlässiger Langzeitbetrieb (Lebensdauer des Satelliten größer als 10 Jahre) unter Weltraumbedingungen möglich.The measures of the invention are both safer Operation in the intermediate pressure range as well as a reliable one Long-term operation (service life of the satellite greater than 10 Years) under space conditions possible.
Claims (14)
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DE4227891A DE4227891A1 (en) | 1992-08-22 | 1992-08-22 | HV transformer with insulated windings for operation in different pressure zones - has insulation mass in which transformer windings are embedded and spaced from core by air-gap |
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Cited By (1)
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1992
- 1992-08-22 DE DE4227891A patent/DE4227891A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE10203246A1 (en) * | 2002-01-21 | 2003-08-21 | Bombardier Transp Gmbh | Medium-frequency transformer |
DE10203246B4 (en) * | 2002-01-21 | 2004-01-29 | Bombardier Transportation Gmbh | Medium-frequency transformer |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: ROBERT BOSCH GMBH, 70469 STUTTGART, DE |
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8141 | Disposal/no request for examination |