DE4241689C2

DE4241689C2 - Aufwärts- (Hochspannungs-)Transformator

Info

Publication number: DE4241689C2
Application number: DE4241689A
Authority: DE
Inventors: Shigetoshi Watanabe; Tomomi Hiura; Minoru Nakano; Akira Shinmei
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1992-12-10
Publication date: 1995-12-07
Anticipated expiration: 2012-12-11
Also published as: DE4241689A1; US5359313A

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufwärtstransformator (Hoch spannungstransformator). Sie betrifft insbesondere einen kleinen, dünnen Aufwärtstransformator, der in einem Inverter zum Beleuchten einer Kaltkathodenröhre verwendet werden kann, die die Rückseite einer Flüssigkristallanzeige oder dergleichen ausleuchtet.

In der Fig. 12 ist der Aufbau eines herkömmlichen Aufspann transformators für Inverter dargestellt. Eine niederspannungs seitige Primärwicklung L1 und eine hochspannungsseitige Sekun därwicklung L2 sind um eine hohle Spule 2 gewickelt, die eine Vielzahl von Flansche 1 in einer Art und Weise aufweist, daß die Wicklungen durch die Flansche 1 voneinander getrennt sind. Die Sekundärwicklung L2, in der eine hohe Spannung erzeugt wird, ist aufgrund der Flansche 1 in einer Vielzahl von Stufen gewickelt, damit die elektrische Spannungsdifferenz zwischen den benachbarten Drahtabschnitten zu verringern ist, wodurch ein dielektrischer Durchschlag verhindert wird. In eine Bohrung 3 der Spule 2 sind die mittleren Schenkel 6 und 7 von zwei E- förmigen Kernen 4 und 5 eingeführt, die aneinander anstoßen und in dieser Lage befestigt werden. Die Spule 2 und die Kerne 4 und 5 sind auf einem Isoliersockel (nicht dargestellt) angebracht, in dem Anschlüsse eingebettet sind.

Ein Transformator dieser Art muß dünn (flach) ausgebildet sein, damit er in einem engen Raum in einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung angeordnet werden kann. Folglich muß der Querschnitt der Bohrung 3 der Spule 2 eine flache, rechteckige Form haben, damit die Wicklungslänge länger wird als im Vergleich zu einer Bohrung 3, die nicht flach, sondern z. B. ein Quadrat oder ein Kreis ist, was in einem Anstieg des Leitungswiderstands und in einer Wirkungsverschlechterung resultiert. Bei einem solchen her kömmlichen rechteckigen Transformator liegt die Grenze bei der Reduktion der Dicke, bedingt durch den Sockel, der von unten her an der Spule und den Kernen befestigt wird, bei 5 mm. Eine weitere Verringerung der Dicke und eine weitere Vergrößerung der Breite äußert sich in einem übermäßigen Anstieg der Kupferver luste. Außerdem ist der Wickelvorgang ziemlich kompliziert, da die Sekundärwicklung L2 in einer Vielzahl von Stufen gewickelt werden muß, und die Größe des gesamten Transformators wächst an.

Aus der CH-PS 460 941 ist ein Aufwärtstransformator bekannt, der einen Spulenkörper aus einem elektrisch isolierenden Material mit einer zylinderförmigen Wickelhülse aufweist. Um die Wickel hülse sind eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung ge wickelt. Ferner sind zwei Kerne vorhanden, die jeweils eine zylinderförmige mittlere Erhebung aufweisen, die von verschie denen Seiten her in eine Öffnung in der Wickelhülse hineinragen.

Aus der DE-OS 36 12 209 ist ein Transformator bekannt, der einen Spulenkörper mit einer Wickelhülse, eine Primärwicklung, eine Sekundärwicklung und zwei Kerne aus magnetischem Material auf weist. Beide Kerne besitzen einen E-förmigen Querschnitt.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aufwärtstransformator vor zuschlagen, der mit einer niedrigen Form mit geringeren Kupfer verlusten und höherer Leistungsfähigkeit ausgeführt werden kann und gleichzeitig eine hohe Haltespannung aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Aufwärtstransformator (Hochspannungstransformator) besitzt einen aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Spulenkörper mit einem Sockelabschnitt, Anschlüssen, die auf zwei entgegengesetzten Schmalseiten davon eingebettet sind, und einer hohlzylinderförmigen Wickelhülse, die von im wesentlichen der Mitte des Sockelabschnitts nach oben vorsteht. Der Aufwärts transformator besitzt ferner eine um die Wickelhülse gewickelte Primärwicklung, eine Sekundärwicklung, die mit der Primärwick lung elektromagnetisch gekoppelt ist, einen ersten Kern aus magnetisierbarem Material mit einem E-förmigen Querschnitt mit einem zylinderförmigen mittleren Schenkel, der in die Öffnung der Wickelhülse eingesetzt ist, und einen zweiten Kern als flache Platte, die dem ersten Kern gegenüberliegt. Der Auf wärtstransformator besitzt schließlich eine elektrisch iso lierende Platte, die zwischen dem ersten und zweiten Kern vorgesehen ist, wobei die Sekundärwicklung, die in koaxialer Ausrichtung zur Primärwicklung in mehreren Lagen gewickelt ist, unterhalb der Wickelhülse innerhalb eines konkaven (vertieften) Abschnitts des Sockelabschnitts positioniert ist, wobei der zylinderförmige mittlere Schenkel des ersten Kerns in die Öffnung der Wickelhülse von der Oberseite her eingesetzt ist, wobei die Isolierplatte und der zweite Kern unterhalb des Sockelabschnitts des Spulenkörpers angeordnet sind, wobei Leitungsdrähte der Primärwicklung mit Anschlüssen auf der einen Seite des Sockelabschnitts verbunden sind und wobei Leitungs drähte der Sekundärwicklung mit Anschlüssen auf der gegenüber liegenden Seite des Sockelabschnitts verbunden sind.

Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dadurch gekennzeichnet, daß einer der Leitungsdrähte der Sekundärwicklung zwischen der Isolierplatte und dem zweiten Kern zu einem der Anschlüsse geführt ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung und ihrer bevorzugten Weiterbildungen werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Dar stellung eines Ausführungsbeispiels eines Trans formators nach der vorliegenden Erfindung, wobei ein Abschnitt davon entfernt ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf diesen Transformator,

Fig. 3 eine vordere Schnittansicht dieses Transforma tors,

Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht dieses Transforma tors,

Fig. 5 eine Unteransicht dieses Transformators, wobei der unterseitige Kern daraus entfernt worden ist,

Fig. 6 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbei spiel der dünnen Platte,

Fig. 7 eine Draufsicht auf ein drittes Ausführungsbei spiel der dünnen Platte,

Fig. 8 eine Ansicht, die den Querschnitt einer Seite einer Wicklung verdeutlicht, die fluchtend in mehreren Lagen gewickelt ist,

Fig. 9 ein Diagramm, in dem das Verhältnis zwischen der Windungszahl und dem magnetischen Wider stand dargestellt ist,

Fig. 10 eine vordere Schnittansicht, die die Größenbe ziehung zwischen dem Kern und der Wicklung darstellt,

Fig. 11 ein Diagramm, in dem die Beziehung zwischen X und P dargestellt ist,

Fig. 12 eine auseinandergezogene perspektivische Dar stellung eines herkömmlichen Transformators.

In den Fig. 1 bis 4 ist ein Ausführungsbeispiel des Aufspann transformators nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Fig. 1 ist eine auseinandergezogene perspektivische Darstel lung, Fig. 2 eine Draufsicht, Fig. 3 eine Schnittansicht von vorne und Fig. 4 eine seitliche Schnittansicht.

Ein aus Kunststoff hergestellter Spulenkörper 10 umfaßt einen Sockelabschnitt 11, der eine Vielzahl von elektrischen Anschlüssen 21, 22, 23 aufweist, die in zwei entgegengesetzten Seitenflächen davon eingebettet sind, sowie eine zylinderförmige Wickelhülse 12, die ausgehend von der Mitte des Sockelabschnitts 11 nach oben ragt. Auf dem oberen Ende der Wickelhülse 12 ist ein Flansch 13 vorgesehen. Die Anschlüsse 22 und die kürzeren Anschlüsse 23, die auf einer Seite des Spulenkörpers 10 vorgesehen sind, sind in Anschlüsse zum Verbinden der Anschlußdrähte einer Sekundärwicklung 50 und in Anschlüsse für externe Verbindungen unterteilt. D.h., jeder Anschluß 22 und jeder kürzere Anschluß 23 bilden ein Paar von Anschlüssen, die in dem Sockelabschnitt 11 miteinander elektrisch leitend verbunden sind.

Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, ist eine Primärwick lung 30 auf der Niederspannungsseite um die Wickelhülse 12 des Spulenkörpers 10 gewickelt, und eine hochspannungsseitige Sekundärwicklung 50 ist innerhalb eines konkaven Abschnitts 14 angebracht, der auf der Unterseite des Sockels 11 vorgesehen ist. Die Sekundärwicklung 50, die sich unterhalb des Sockels 11 befindet, ist über den Sockel 11 mit der gegenüberliegenden Primärwicklung 30 elektromagnetisch gekoppelt. Die Sekundär wicklung 50 ist fest gewickelt, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, und zwar in dem Zustand, in dem das Drahtmaterial 8 wie in Fig. 8 gezeigt in gegenseitiger Ausrichtung fluchtend in mehreren Lagen von der Innenseite her nach außen gewickelt ist. Eine derartige Sekundärwicklung 50 kann dadurch erhalten werden, daß man einen sogenannten selbstverschweißenden Draht verwendet, der z. B. einen thermoplastischen Lack auf der Außenseite eines Kupferdrahts aufweist, der z. B. mit Polyurethan überzogen ist, und dieses Drahtmaterial wird er hitzt, oder es kann in gegenseitiger Ausrichtung fluchtend in mehreren Lagen gewickelt werden, während man ein Lösungsmittel dazugibt, und dann wird es abgekühlt oder getrocknet.

Mit den Bezugszeichen 60, 70 ist jeweils ein Kern bezeichnet, der aus einem magnetischen Material besteht. Das Paar von elektrisch nicht leitenden Kernen 60, 70 aus magnetischem Material bildet einen geschlossenen Magnetkreis, da sie in einer Art und Weise gegen einander gedrückt werden, daß sie zwischen sich von den Unter- und Oberseiten her den Spulenkörper 10 einzwängen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich wird, ist der oberseitige Kern 60 derart ausge bildet, daß er einen E-förmigen Querschnitt mit einem flachen Plattenabschnitt 61, äußere Schenkeln 62, die einstückig damit an den beiden Enden davon ausgebildet sind, und einen zylinder förmigen mittleren Schenkel 63 aufweist, der einstückig damit in der Mitte des flachen Plattenabschnitts 61 ausgebildet ist, wobei der mittlere Schenkel 63 in den hohlen Bereich der Wickelhülse 12 eingeführt wird. Andererseits hat der an der Unterseite des Spulenkörpers 10 befestigte Kern 70 die Form einer flachen Platte.

Wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, wird eine dünne Plat te 40, die aus einem isolierenden Material wie z. B. Polyimid hergestellt ist, zwischen den Kern 60 und den Kern 70 einge führt, so daß eine magnetische Sättigung nur schwer auftreten kann. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist die Platte 40 mit einem Durchgangsloch 41, das etwas größer als die Querschnitts fläche des mittleren Schenkels 63 des Kerns 60 ist, und einem Schlitz 42 versehen, der sich von einer Seitenfläche davon bis zu dem Durchgangsloch 41 erstreckt. An dem Endabschnitt des Schlitzes 42 in Richtung auf das Durchgangsloch 41 ist eine Kerbe 45 ausgebildet, um dessen Breite zu vergrößern. Außerdem sind an den vier Ecken der Platte 40 Kerben 43 ausgebildet, damit die beiden Kerne 60, 70 an den Stellen der vier Ecken der Platte 40 miteinander verbunden werden können, und eine Kerbe 44 ist an der einen Seitenfläche davon vorgesehen, so daß ein elektrisch isolierender Stoff (Koagulans), wie z. B. Lack, in das Innere des konkaven Abschnitts 14 des Spulenkörpers 10 eingege ben werden kann, an der die Sekundärwicklung 50 angebracht ist.

Ein verbleiter Anschlußdraht 31 der Primärwicklung 30 ist wie in Fig. 2 gezeigt über den Sockelabschnitt 11 mit einem Anschluß 21 verbunden, der in einer Seitenfläche des Spulenkörpers 10 eingebettet ist. In einigen Fällen kann zusätzlich zu der Primärwicklung 30 z. B. eine Wicklung zur Rückkopplungsoszilla tion zusammen damit auf der Wickelhülse 12 aufgewickelt wer den, und eine Abgriffstelle kann an einem auf halber Strecke liegenden Punkt herausgebracht werden. In diesem Fall werden vier bis sechs Anschlußdrähte mit den jeweiligen Anschlüssen 21 verbunden.

In der Sekundärwicklung 50 wird das Potentialgefälle zwischen einem Anschlußdraht 51a an der Anfangsseite einer Wicklung und einem anderen Abschnitt größer, je näher man zu dem Wick lungsendabschnitt an der Außenseite davon gelangt. Damit kein dielektrischer Durchschlag zwischen dem verbleiten Draht 51a an der Anfangsseite der Wicklung und einem Abschnitt der Sekun därwicklung 50 mit einem großen Potentialgefälle bewirkt wird, wird der Anschlußdraht 51a an der Anfangsseite der Wicklung, wie dies in Fig. 5 gezeigt wird, aus der Kerbe 45 an dem inne ren Teil des Schlitzes 42 herausgebracht und wandert unter der Platte 40 durch und wird dann mit dem Anschluß 23 durch eine Nut 15 verbunden, die auf der Unterseite des Spulenkörpers 10 vorgesehen ist. Außerdem wird ein Anschlußdraht 51b an der Endseite der Wicklung aus dem Schlitz 42 herausgeführt, um mit einem weiteren Anschluß 23 verbunden zu werden.

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der dünnen Platte 40, in der eine Kerbe 45 auf dem Umfang des Durchgangslochs 41 in einer von dem Schlitz 42 getrennten Position vorgesehen ist. Auf diese Art und Weise wird die Kriechstrecke zwischen dem Anschlußdraht 51a und dem Abschnitt der Sekundärwicklung 50 mit dem großen Potentialgefälle größer, so daß die Haltespannung davon weiter verbessert wird.

Wie oben beschrieben worden ist, ist die Sekundärwicklung 50 fest gewickelt, indem sie vorher an einem anderen Ort fluch tend gewickelt worden ist. Wenn das Durchgangsloch 41 und der Schlitz 42 in der dünnen Platte 40 vorgesehen sind, kann der Schlitz 42 geöffnet werden, bevor man die Sekundärwicklung 50 von der Wickelwelle einer Wickelmaschine herausnimmt, um die Platte 40 ebenfalls an der Wickelwelle von deren Seite her anzubringen, so daß sie dadurch aneinander anliegen und mitein ander fest verbunden werden können, nachdem der Anschluß draht 51 durch die Kerbe 45 und den Schlitz 42 geführt worden ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß der Montagevorgang vereinfacht wird.

In Fig. 7 ist eine weitere Abwandlung der Platte 40 gezeigt, in der ein Schlitz weggelassen und nur die Kerbe 45 auf dem Umfang des Durchgangslochs 41 vorgesehen ist. Dies ist in diesem Fall vorteilhaft vom Gesichtspunkt der Haltespannung aus, obwohl sie anders als bei dem Fall der Platte 40 mit einem Schlitz 42 von der Seite her nicht an der Wickelwelle einer Wickelmaschine angebracht werden kann.

Wenn es auch nicht immer notwendig ist, das Durchgangsloch 41 in der Platte 40 vorzusehen, da die Platte 40 sich in dem schmalen Spalt zwischen der Sekundärwicklung 50 und dem Kern 70 nach oben und nach unten bewegen kann, wenn das Durchgangs loch 41 vorgesehen ist, das flächenmäßig geringfügig größer als der mittlere Schenkel 63 ist, so liegt doch ein Vorteil darin, daß der Anschlußdraht 51 ohne Schwierigkeiten unter der Platte 40 durchgeführt werden kann. In jedem dieser Fälle genügt es, die Kerbe 45 der Platte 40 in der Nähe der Position vorzusehen, die einer inneren Umfangsfläche 55 (Fig. 5) der Sekundärwicklung 50 gegenüberliegt.

Wenn das Drahtmaterial 8 wie in Fig. 8 gezeigt in der Pfeil richtung in einer Anzahl von Lagen gewickelt wird, befindet sich der Wicklungsanfangsabschnitt jeder Lage nahe dem Wick lungsendabschnitt der nächsten Lage. Aber selbst wenn bei dem oben beschriebenen Transformatoraufbau die an beide Enden der Sekundärwicklung 50 angelegte Spannung 2 kV beträgt, ist die quer darüber angelegte Spannung 2000/20 V, d. h. 100 V, wenn die Sekundärwicklung 50 z. B. in 40 Lagen gewickelt ist, so daß, wie dies bei dem herkömmlichen Beispiel der Fall ist, bei dem die Sekundärwicklung L2 aufgrund der Flansche in einer Viel zahl von Stufen gewickelt ist, die elektrische Spannung zwi schen den benachbarten Drahtmaterialabschnitten niedrig ist, wodurch ein dielektrischer Durchschlag verhindert wird. Bei einigen Aufspanntransformatoren für Inverter kann die Spannung auf der Sekundärwicklungsseite z. B. nur 1000 V oder sogar weni ger betragen. Aber zur Vermeidung eines dielektrischen Durch schlags ist es vorteilhaft, wenn die Höhe H der Sekundärwick lung 50 so klein wie möglich und die Wicklungsbreite W so groß wie möglich ausgelegt werden. Es ist auf jeden Fall wünschens wert, daß die Wicklungsbreite W der Sekundärwicklung 50 größer als die Höhe H ist.

Es ist auch möglich, daß die beiden Kerne E-förmige Kerne von der gleichen Konfiguration sind, wobei deren mittlere Schenkel innerhalb der Wickelhülse 12 der Spule 10 aneinander anstoßen.

Im folgenden wird eine Bedingung zur Erhaltung einer gewünsch ten Induktivität L0 und eines Sättigungsstroms I0 in einem Induktanzelement betrachtet. Angenommen, die Windungszahl der Spule ist N und deren magnetische Reluktanz ist R, dann kann die Induktivität als N²/R ausgedrückt werden, so daß

R N²/L0 (1)

Angenommen, die Querschnittsfläche des Magnetkreises mit einer einheitlichen Querschnittsfläche ist S, und die Sättigungsma gnetflußdichte davon ist Bm, dann kann der Sättigungsstrom mit BmSR/N ausgedrückt werden, so daß

R I0N/BmS (2)

D.h., hinsichtlich der Induktivität L0 ist es notwendig, daß der magnetische Widerstand R klein ist, und hinsichtlich des Sättigungsstroms I0 ist es notwendig, daß der magnetische Widerstand R groß ist.

Die Beziehung zwischen den Formeln (1) und (2) ist in Fig. 9 wiedergegeben, in der die horizontale Achse die Windungszahl N und die vertikale Achse den magnetischen Widerstand R dar stellt. In dem Diagramm stellt die schraffierte Fläche den Bereich dar, der die Formeln (1) und (2) erfüllt. Wie in Fig. 9 dargestellt ist, sind die Mindestanzahl an Windungen und der geringste magnetische Widerstand, die die notwendigen Charakte ristiken erfüllen, jeweils N0 und R0. Angenommen, die Durch schnittslänge des magnetischen Pfads ist 1 und die magnetische Permeabilität der Kerne ist µ, dann kann der magnetische Wider stand R im allgemeinen folgendermaßen ausgedrückt werden: R = 1/µS, so daß, vorausgesetzt, daß die Querschnittsfläche S konstant ist, angenommen werden kann, daß der magnetische Widerstand R proportional zu der Größe des magnetischen Kör pers ist. Demgemäß kann angenommen werden, daß N0 und R0 den notwendigen Charakteristiken genügen und die Lösungen zur Minimierung der Größe des Induktanzelements bilden. D.h., die optimalen Lösungen für die Windungszahl und den magnetischen Widerstand lauten folgendermaßen:

N0 = L0I0/BmS (3)
R0 = L0I0²/(BmS)² (4)

Im folgenden werden im Hinblick auf einen wie in Fig. 12 ge zeigten Transformator, dessen mittlerer Schenkel 63 des Kerns, der in die Mitte der Primärwicklung und der Sekundärwicklung eingeführt werden soll, einen rechteckigen Querschnitt auf weist, und im Hinblick auf einen runden Transformator, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, die Spezifikation der beiden Transforma toren wie folgt bestimmt, um ihre jeweiligen Charakteristiken zu vergleichen:

Primärinduktanz: 200 µH oder mehr
Primärwicklungs-Sättigungsstrom: 1A oder mehr
Primär-/Sekundärwicklungsverhältnis 1 : 50
Durchmesser des Wicklungsmaterials der Primärwicklung: 0,25 mm⌀
Durchmesser des Wicklungsmaterials der Sekundärwicklung: 0,07 mm⌀
Wicklungshaltespannung: 100 V_P-P oder weniger.

Angenommen, die relative magnetische Permeabilität µr des magnetischen Körpers ist 3000, die Sättigungsmagnetflußdichte Bm ist 0,3 T, und der Mindestschnittbereich S des magnetischen Stromkreises ist 15 mm², dann können N0 und R0 wie folgt aus den Gleichungen (3) und (4) erhalten werden:

N0 = L0I0/BmS
= 200 × 10^-6 × 1/(0,3 × 15 × 10^-6)
= 45 (Windungen)

R0 = L0I0²/(BmS)²
= 200 × 10^-6 × 1²/(0,3 × 15 × 10^-6)²
= 9,88 (AT/Wb).

Da die Primärwicklung 45 Windungen hat und das Windungsverhält nis 1 : 50 ist, weist die Sekundärwicklung somit 2250 Windun gen auf. Durch den Aufbau mit rechteckigem und rundem Querschnitt des Transformators nach den obigen Bedingungen erhielt man die folgenden Resultate:

Tabelle 1

Vergleich des rechteckigen und des runden Transformators

Die Prozentwerte in den Klammern stellen die Relativwerte dar, wenn die entsprechenden Werte des rechteckigen Transformators 100% sind.

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich wird, ist ein runder Transforma tor vom Gesichtspunkt der Kupferverluste und der Größe aus vorteilhaft, wenn mit dem gleichen magnetischen Material eine identische Leistung erzielt werden soll. Dies trifft vor allem auf einen Transformator zu, der als Inverter-Trans formator benutzt wird, in dem ein Resonanzstrom mit einer großen Amplitude und einer Frequenz von mehreren zehn Kilohertz durch die Primär wicklung fließt, so daß die verringerte Menge an Kupfer in der Primärwicklung beträchtlich dazu beiträgt, das Umwandlungslei stungsvermögen des Transformators zu verbessern.

Fig. 10 zeigt eine schematische Ansicht, die nur die Kerne 60 und 70 sowie die Primär- und Sekundärwicklungen 30 und 50 im Querschnitt zeigt. Es sei hier erwähnt, daß, da die tatsäch liche Dicke der Wickelhülse 12 des Spulenkörpers bis zu dem Ausmaß klein ist, daß es in Relation zu der Wicklungsbreite der Primärwicklung 30 ignoriert werden kann, und die Wicklungs breite der Primärwicklung 30 und die Wicklungsbreite der Sekun därwicklung 50 als im wesentlichen dieselbe betrachtet werden kann, wird die jeweilige Wicklungsbreite dieser beiden Wicklun gen in dieser Abbildung mit einer identischen Abmessung W dargestellt.

Bei einem wie in Fig. 3 dargestellten Transformator wird eine Bedingung erhalten, die die Summe der Flächen der Querschnitte des mittleren Schenkels 63 und der Primär- und Sekundärwicklun gen 30 und 50 minimiert, wie sie entlang einer Ebene aufgenom men sind, die senkrecht zu der mittleren Achse C des mittleren Schenkels 63 verläuft, d. h. eine Bedingung zur Minimierung des Radius Rm des mittleren Schenkels 63 und der Summe der Wick lungsbreiten W der Primär- und Sekundärwicklungen, wie sie in Fig. 10 gezeigt sind.

Wenn man nun annimmt, daß der Radius des mittleren Schenkels 63 Rm, das Windungsverhältnis der Primärwicklung zu der Sekun därwicklung 1 : n, und die Dicke des flachen Abschnitts 61 des Kerns 60 und die Dicke des Kerns 70 t ist, die Abmessung der Höhe der Primärwicklung h1, die Abmessung der Höhe der Sekun därwicklung 50 h2 und die jeweiligen Durchmesser des Drahtmate rials der Primärwicklung und der Sekundärwicklung d1 und d2 sind, dann ist die Windungszahl pro Lage der Primärwicklung 30 h1/d1, und die Anzahl an Windungen pro Lage der Sekundärwick lung 50 h2/d2. Während also die jeweilige Anzahl an Lagen, die aufeinander plaziert werden sollen, N0 d1/d2 für die Primärsei te und nN0 d2/h2 für die Sekundärseite sind, werden die Wick lungsbreiten der Primärwicklung 30 und die der Sekundärwick lung 50 durch das Einstellen des Verhältnisses der Höhen h2, h1 der Sekundärwicklung 50 und der Primärwicklung 30 wie folgt ausgeglichen:

h2/h1 = nd2²/d1² (5)

Solch eine Wicklungsbreite W kann durch die Elemente der Pri märwicklung 30 wie folgt dargestellt werden:

W = N0d1²/h1 (6)

Im folgenden wird ein "Verbindungsabschnitt" betrachtet, der derjenige Teil des flachen Abschnitts 61 des Kerns 60 ist, der sich gleich unter dem mittleren Schenkel 63 befindet und der von einer nach unten gerichteten Ausdehnung des mittleren Schenkels 63 begrenzt bzw. geschnitten wird, d. h. der zylinder förmige Abschnitt des flachen Abschnitts 61, der den gleichen Durchmesser wie der mittlere Schenkel 63 und die gleiche Dicke t wie der flache Abschnitt 61 aufweist. Bei einem kleinen, niedrigen Transformator ist die Minimumschnittfläche S des Magnetkreises im allgemeinen durch diesen Verbindungsabschnitt des Kerns beschränkt. Da die Fläche dieses Kernverbindungsab schnitts nicht größer als die Querschnittsfläche des mittleren Schenkels 63 ist, ergibt sich:

2πRmt πRm2

Deshalb ist
Rm 2t (7)

Die Fläche S des Verbindungsabschnitts kann folgendermaßen ausgedrückt werden:

S = 2πRmt (8)

Ohne Beachtung des Abstands zwischen den Primär- und Sekundär wicklungen kann die gesamte Querschnittsfläche ΣS einschließ lich der Schnittflächen des mittleren Schenkels 63 und der Wicklungsabschnitte folgendermaßen ausgedrückt werden:

ΣS = π(Rm + W)² (9)

Die gesamte Querschnittsfläche kann durch Minimierung des in Klammern gesetzten Teils der Gleichung (9), der mit P bezeich net wird, minimiert werden. Somit ist

P = Rm + W (10)

Wenn man W aus den Gleichungen (6) in die Gleichung (10) ein setzt, erhält man folgendes:

P = Rm + d1²/h1 × N0

Somit ergibt sich aus der Gleichung (3)

P = Rm + d1²/h1 × (L0I0/BmS)

Wenn man S aus der Gleichung (8) in die obere Gleichung ein setzt, ergibt sich

P = Rm + [d1²L0I0/2πBmh1t] × 1/Rm

Angenommen, K = d1²L0I0/2 Bmht, dann ergibt sich

P = Rm + K/Rm (11)
dP/dRm = 1 - K/Rm² (12)

Demgemäß kann der Wert Rmo des Radius Rm des mittleren Schen kels 63, der P minimiert, folgendermaßen ausgedrückt werden:

dP/dRm = 0,
Rmo = K^1/2 (13)

Aus den Gleichungen (11) und (12) kann der Minimumwert von P wie folgt ausgedrückt werden:

P = K^1/2 + K/K^1/2 = 2K^1/2 (14)

Somit ist P am kleinsten, wenn Rm = K^1/2 und W = K^1/2, d. h. wenn Rm = W.

Angenommen, der Wert von W = K^1/2 ist konstant und Rm ist xmal dieser Wert, dann ergibt sich, daß

Rm = X · K^1/2

Wenn man dies in die Gleichung (11) einsetzt, dann ergibt sich

P = X · K^1/2 + K/X · K^1/2= X · K^1/2 + K^1/2/X

Deshalb gilt

P = K^1/2(X + 1/X) (15)

Die Beziehung zwischen P und X ist in Fig. 11 graphisch darge stellt. P ist am kleinsten, wenn X = 1, und steigt relativ zu X entlang der Kurve von X + 1/X an. Wenn der Wert von P, der für den praktischen Gebrauch verwendet werden kann, von seinem kleinsten Wert bis zu plus 15% reicht, dann liegt der Wert von X, d. h. das Verhältnis von Rm zu W, in einem Bereich von 0,6 bis 1,7.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung kann ein Aufspanntransformator erhalten werden, der nicht nur eine relativ geringere Höhe und weniger Bodenfläche aufweist, son dern auch einen kleineren Kupferverlust und ein höheres Lei stungsvermögen hat, da die Länge des Wicklungsdrahtmaterials verringert ist. Da außerdem eine Isolierfolie, die zwischen ein Paar von Kernen eingefügt wird, um deren magnetische Cha rakteristiken zu verbessern, dazu verwendet wird, den Anschluß draht an der Wicklungsanfangsseite der Sekundärwicklung von dem Abschnitt mit einem großen Potentialgefälle zu isolie ren, kann ein dielektrischer Durchschlag wirksam verhindert werden, da solch ein Effekt mit der Wirkung der Konstruktion kombiniert wird, bei der sich die Primär wicklung und die Sekundärwicklung durch den Spulenkörper gegen überliegen.

Claims

1. Aufwärtstransformator (Hochspannungstransformator) mit
einem aus einem elektrisch isolierenden Material gebildeten Spulenkörper (10) mit einem Sockelabschnitt (11), Anschlüssen (21; 22, 23), die auf zwei entgegengesetzten Schmalseiten davon eingebettet sind, und einer hohlzylinderförmigen Wickelhülse (12), die von im wesentlichen der Mitte des Sockelabschnitts (11) nach oben vorsteht;
einer um die Wickelhülse (12) gewickelten Primärwicklung (30);
einer Sekundärwicklung (50), die mit der Primärwicklung (30) elektromagnetisch gekoppelt ist;
einem ersten Kern (60) aus magnetisierbarem Material mit einem E-förmigen Querschnitt mit einem zylinderförmigen mittleren Schenkel (63), der in die Öffnung der Wickelhülse (12) eingesetzt ist;
einem zweiten Kern (70) als flache Platte, die dem ersten Kern (60) gegenüberliegt;
und einer elektrisch isolierenden Platte (40), die zwischen dem ersten (60) und zweiten (70) Kern vorgesehen ist, wobei die Sekundärwicklung (50), die in koaxialer Ausrichtung zur Primärwicklung (30) in mehreren Lagen gewickelt ist, unterhalb der Wickelhülse (12) innerhalb eines konkaven (vertieften) Abschnitts (14) des Sockelabschnitts (11) positioniert ist, wobei der zylinderförmige mittlere Schenkel (63) des ersten Kerns (60) in die Öffnung der Wickelhülse (12) von der Oberseite her eingesetzt ist, wobei die Isolierplatte (40) und der zweite Kern (70) unter halb des Sockelabschnitts (11) des Spulenkörpers (10) ange ordnet sind, wobei Leitungsdrähte (31) der Primärwicklung (30) mit Anschlüssen (21) auf der einen Seite des Sockelab schnitts (11) verbunden sind und wobei Leitungsdrähte (51) der Sekundärwicklung (50) mit Anschlüssen (22, 23) auf der gegenüberliegenden Seite des Sockelabschnitts (11) verbun den sind.

2. Aufwärtstransformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß einer der Leitungsdrähte (51) der Sekundärwicklung (50) zwi schen der Isolierplatte (40) und dem zweiten Kern (70) zu einem der Anschlüsse (22, 23) ge führt ist.