DE60215381T2

DE60215381T2 - Steuerbarer transformer

Info

Publication number: DE60215381T2
Application number: DE60215381T
Authority: DE
Inventors: Espen Haugs; Frank Strand
Original assignee: Magtech AS
Current assignee: Magtech AS
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2002-11-21
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2022-11-22
Also published as: PT1449043E; CA2467989A1; US6788180B2; EP1449043A1; DE60215381D1; US20030117251A1; CA2729421C; CA2729421A1; WO2003044613A1; NO20015689L; NO20015689D0; CA2467989C; KR20050044585A; ATE342537T1; NO319424B1; EP1449043B1; ES2276983T3; US7061356B2; AU2002366186A1; CN1615462A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur steuerbaren Umwandlung eines primären Wechselstroms/-Spannung in einen sekundären Wechselstrom/-Spannung durch die Verwendung eines steuerbaren Transformatorgerätes mit einem Körper aus einem magnetischen Material, einer primären Windung, die um den Körper um eine erste Achse gewunden ist, einer sekundären Windung, die um den Körper um eine zweite Achse im rechten Winkel zu der ersten Achse gewunden ist, und einer Steuerwindung, die um den Körper um eine dritte Achse gewunden ist, die mit der zweiten Achse zusammenfällt, mit:

a) Speisen der primären Windung mit einem primären Wechselstrom/-Spannung,
b) Speisen der Steuerwindung mit einer Wechselspannung, die entweder in Phase oder 180°-phasenverschoben in Bezug auf den primär Strom/-Spannung, und
c) Speisen der Steuerwindung mit einem variablen Strom, und dadurch Steuern des Transformator-Umwandlungsverhältnisses mittels des variablen Steuerstroms.

Das Transformatorgerät ist vorzugsweise als ein hohler, magnetisierbarer Kern mit einem internen Windungsraum für interne Windungen und einem externen Windungsraum für externe Windungen gestaltet. In einer bevorzugten Ausführung umfasst dieses 3 Windungen, eine primäre Windung in dem externen Windungsraum mit einer zugeordneten Steuerwindung in dem internen Windungsraum, und eine sekundäre Windung in dem internen Windungsraum. Die Windungen in dem externen Windungsraum und die Windung in dem internen Windungsraum sind unter rechten Winkeln (senkrecht) zueinander in dem Raum eingerichtet, wodurch Magnetfelder erzeugt werden, die orthogonal sind. Der interne Windungsraum kann natürlich die primäre Windung aufnehmen und der externe Windungsraum kann die sekundäre Windung und die Steuerwindung aufnehmen. Der Frequenzumwandler ist insbesondere, jedoch nicht in einer begrenzenden Art und Weise, zur Verwendung in dem MVA-Bereich vorgesehen.
Die Erfindung ist eine Weiterentwicklung des Gerätes, das in PCT/NO01/00217 dargelegt ist.
In dieser Beschreibung werden die Ausdrücke „primäre Windung" und „sekundäre Windung" verwendet, um eine Windung zu konstruieren, bei der Energie eingegeben wird (primär) und eine Windung, die zur Verbindung mit einer Last (sekundär) beabsichtigt ist, wie es in Transformatoren gebräuchlich ist. In dem Gerät gemäß der Erfindung sind die primäre und die sekundäre Windung um orthogonale Achsen gewunden, der Ausdruck „Steuerwindung" bezeichnet eine Windung, die das Transformator-Transformationsverhältnis steuert.
Ein Transformator mit orthogonalen Windungen ist bereits aus dem US-Patent 4,210,859, Meretsky et al. von April 18, 1978 bekannt. Jedoch offenbart die bekannte Lösung mehrere Nachteile. Die Hauptaspekte der Erfindung werden unten auf Grundlage des Standes der Technik beschrieben, der in dieser Veröffentlichung beschrieben wird.
Im US-Patent 4,210,859 wird ein Gerät beschrieben, das auf Grundlage eines Tests entwickelt wird, der auf einem Ferrit-Tiegelkern mit den Abmessungen 18 × 11 mm durchgeführt wird und mit Strompegeln in dem mA-Bereich. Ferrit ist jedoch nicht zur Verwendung bei höheren Leistungspegeln unter anderem auf Grund der beteiligten, wesentlichen Kosten geeignet. Dies ist wegen der Tatsache, dass die Größe eines Ferrit-Kerns lediglich aus dem Gesichtspunkt der Fertigungstechnik begrenzt ist und da höhere Leistungspegel durch Erhöhen der Frequenz der Spannung übertragen werden können, die umgewandelt werden muss, führt dieses jedoch wiederum zu komplizierter und teurer Leistungselektronik. Die Erfindung ist im Gegensatz auf die Verwendung einer Kernplatte gerichtet, die bestimmte Eigenschaften in Bezug auf die Permeabilität aufweist, wobei diese Eigenschaften in der Erfindung verwendet werden. 6h stellt den linearen Teil der Magnetisierungskurve für eine standardmäßige, handelsübliche Kernplatte dar. In einer Ausführung der Erfindung wird ein laminares Material verwendet, bei dem die Magnetisierungskurve für alle Richtungen in der Platte die gleiche ist. Dies bedingt die Verwendung einer nicht-gerichteten Platte, ohne dass dies als begrenzend für die Anwendung angesehen wird, da es für einige Anwendungen vorteilhaft sein kann, eine gerichtet orientierte Platte zu haben.
Das US-Patent 4,210,859 stellt ein Verbindungsdiagramm für eine variable Transformatorlösung mit 4 Windungen dar: eine primäre Hauptwindung, eine sekundäre Hauptwindung, die bei rechten Winkeln zu der primären Windung angeordnet ist, und zwei Steuerwindungen, eine für jede Hauptwindung. Der Betriebsmodus ist derart, dass ein variabler Gleichstrom in beiden Steuerwindungen in einer Übertragung von Wechselspannung von der primären zu der sekundären Windung resultiert. Ein Transformator dieser Art kann nicht als realistische Option betrachtet werden, insbesondere falls der Bereich der Anwendung außerhalb des mA-Bereichs liegt, da ein Gleichstrom in den Steuerwindungen die Domänen in dem magnetischen Material in einer ungünstigen Richtung zur Verbindung in einem Halb-Zyklus der primären Spannung dreht, was Oberschwingungen in der sekundären Spannung verursacht. Dieses Phänomen, das extensiv von den Erfindern untersucht wurde, wird nicht im US-Patent 4,210,589 berücksichtigt.
In der vorliegenden Anmeldung stellen die 6c bis 6d die Drehung der Domänen dar. In diesen Figuren stellt Vp eine Spannung an der primären Windung und Vs eine Spannung an der sekundären Windung dar. Zur gleichen Zeit bezeichnet Vp die Windungsachse der primären Windung und Vs die Windungsachse der sekundären Windung. Der durch die primäre Windung erzeugte oder verbundene Fluss weist dann die Richtung von Vp auf, während der von der sekundären Windung erzeugte oder verbundene Fluss die Richtung von Vs aufweist. In 6c sind die Domänen gemäß der primären Spannung Vp ausgerichtet und ihre Magnetisierung B verändert sich ungefähr wie in der Figur gezeigt. Das von dieser primären Windung erzeugte Magnetfeld H verändert sich von einem positiven Wert zu Null und von Null zu einem negativen Wert.
Die Phasenverschiebung der Magnetisierung in Bezug auf die primäre Spannung ist hier nicht eingeschlossen, um die Darstellung zu vereinfachen (der Magnetisierungsstrom eilt der Spannung um 90° hinterher). Die Magnetisierung von der primären Windung verursacht eine sinusförmige Domänenänderung in einer festen Richtung in dem Material, die von der primären Windungsrichtung in dem Raum gegeben ist: Bkvp = Kvp·sin(ω·t) 1)
Wobei Bkvp die Magnetisierung in der Richtung Vp ist, k ein konstanter Faktor, proportional zu der primären Spannung Vp ist und t die Zeit ist. Es ist nun nicht möglich, die sekundäre Windung zu aktivieren, ohne einen Steuerstrom von außen in die Steuerwindung oder in die sekundäre Windung aufzuprägen, der die Magnetisierung von der primären Windung dreht, so dass das Feld ebenso die sekundäre Windung durchläuft. So lange die Magnetisierung B eine Richtung aufweist, die senkrecht zu der sekundären Windung ist, wird kein Fluss durch die sekundäre Windung gekoppelt. Die Länge des Pfeils stellt den Magnetisierungspegel B oder die Feldstärke dar und die Richtung des Pfeils die Richtung der Ausrichtung der Domänen.
In 6d wird ein Steuerfeld Bkdc durch Aktivieren der Steuerwindung eingeführt und dieses mit Gleichstrom angeregt.
Das Steuerfeld wird zu dem primären Feld Bkvp hinzugefügt, wobei eine Magnetisierung Bkr, wie dargestellt, aufgebaut wird. Da ein konstantes Feld zu einem sinusförmigen Feld hinzugefügt wird, ändert sich die Summe sinusförmig in der Richtung und sinusförmig in der Feldstärke. Das vereinfachte Diagramm 6d stellt dar, dass wir eine Änderung in der Domänenausrichtungsrichtung erhalten, die ein Produkt von zwei Sinusfunktionen wird. Sowohl die Richtung als auch die Feldstärke für das resultierende Feld werden sinusförmig geändert.
Die induzierte Spannung Vs in der sekundären Windung wird durch zwei Effekte erhalten. Die Tatsache, dass die Domänen die Richtung ändern erzielt eine Induktion und die Tatsache, dass die Domänen sich in der Größe ändern, erzielt eine zusätzliche Induktion.
Der Richtungs-Zusammenhang ist gegeben durch: Bkr = Bkvp + Bkdc 2)
Wobei Bkr die Summe der Magnetisierung von der primären Seite Bkvp und der Magnetisierung Bkdc von dem Steuerstrom ist.
Die Tatsache, dass sich die Domänen in der Größe ändern, erzielt eine zusätzliche Induktion. Die Feldstärke ist gegeben durch 1) und die Drehung durch 2), so dass der kombinierte Effekt das Produkt dieser zwei Domänenänderungen ist: Bks = Bkr·BkVP 3)
Vereinfacht zu: Bkp = Kvp2·sin2(w·t) 4)
Vernachlässigen des konstanten Beitrags: Vs = K2·cos(2·ψ·t) 5)
Dies zeigt eine Frequenzverdoppelung in der sekundären Spannung.
Dieser Effekt der Domänendrehung, der den linearen Domänenänderungen von dem primären Strom aufgezwungen wird, der von dem Gleichstromsteuerstrom verursacht wird, verändert sich mit der Größe des Stroms und dadurch die induzierte Spannung.
Um in der Lage zu sein, eine realistische Lösung für einen variablen Leistungstransformator zu implementieren, entsteht das Problem, dass die Steuerwindung an der primären Seite Transformator-mäßig mit der primären Windung verbunden ist und unter der Spannung von der primären Seite steht, wodurch es sehr schwer gemacht wird, ohne umfangreiches Filtern zu regulieren.
Das US-Patent 4,210,859 offenbart ebenso eine Transformatorverbindung (18), bei der die Windungen mit rechtwinkligen Achsen in Zweier-Serien miteinander verbunden sind. Die Veröffentlichung behauptet, dass die Kernausnutzung durch Verwendung solch einer Verbindung erhöht werden kann. Dies ist jedoch nicht richtig, da die Magnetfelder für die Windungen vektoriell addiert werden und der beschriebene Effekt nicht erreicht wird.
Das US-Patent 4,210,859 beschreibt ebenso (20) eine variable Verzögerung zwischen der Eingabe- und Ausgabespannung in einem Fall, bei dem sowohl die Steuerwindungen Strom tragen und in Serie miteinander verbunden sind. Hier wird eine Phasenverzerrung bedingt, da die Felder durch die primäre und die sekundäre Windung über die Domänenrichtungen verschoben sind. Mit den in dieser Art und Weise verbundenen Steuerwindungen arbeitet das Gerät nicht als ein Leistungstransformator, der als eine Phasenumkehrstufe verwendet wird, da die Verbindung von der primären Windung den Steuerstrom mit einem derartigen Ausmaß beeinflusst, dass im Prinzip die gleiche Verbindung wie zuvor erwähnt (18) erhalten wird.
Im Allgemeinen ist das Problem bei dem Stand der Technik, wie er durch das US-Patent 4,210,859 dargestellt wird, das dieser nicht ein vollständiges Bild zeigt, wie die Manipulation der Domänen mit einem Gleichstromsteuerstrom die Magnetisierung in Bezug auf die Verbindung zwischen zwei orthogonalen Windungen beeinflusst. Die Erfinder haben eine sorgfältige Forschung auf diesem Gebiet durchgeführt und haben es bewerkstelligt, die Phänomene abzubilden, die in einem magnetisierbaren Material auftreten, wenn dieses durch zwei orthogonale Felder angeregt wird. Weiter werden die Ergebnisse dieser Forschung verwendet, um ein Gerät bereitzustellen, das zufrieden stellend arbeitet.
Um die zuvor erwähnten Nachteile beim Stand der Technik zu überwinden, weist die Erfindung die folgenden Merkmale auf.
Gemäß der Erfindung wird die Magnetisierung mittels eines gepulsten Gleichstrom- oder gepulsten Wechselstrom-Steuerstroms in einer sekundären Steuerwindung orthogonal zu der primären Steuerwindung gesteuert. Durch schrittweises Steuern der Magnetisierung mit erhöhter Spannung von der primären Windung mit einem Wechselstromsteuerstrom in der Steuerwindung, wie in 6e dargestellt, wird die Richtung der Domänen konstant bei z.B. 30 Grad beibehalten und lediglich die Feldstärke der Magnetisierung wird geändert, um gleichzeitig eine Änderung sowohl der Stärke als auch der Richtung zu vermeiden.
Für den magnetischen Kreis gemäß der Erfindung wird dies mittels eines geeigneten Dosierens des Steuerstroms in Bezug auf den Magnetisierungsstrom der primären Windung und den Amperewindungsausgleich mit der sekundären Windung erreicht. In einem herkömmlichen Transformator, wie in 6g dargestellt, wird der Magnetisierungsstrom, der durch die primäre Windung aufgebaut wird, durch den Fluss erhalten, der benötigt wird, eine gegeninduzierte Spannung Ep gemäß dem Faradayschen Gesetz zu erzeugen.

Ep:: In die primäre Windung induzierte Spannung
Vp:: Erzwungene Spannung
Rp:: Widerstand der primären Windung
Ip:: Primärer Strom

I →p = I →fe + I →m 7)

Unter Vernachlässigung von Verlustfeldern wird der allgemeine Fluss für die primäre und sekundäre Windung gegeben durch

Np:: Windungsanzahl der primären Windung
Im:: Magnetisierungsstrom
Rcore:: Magnetischer Widerstand (Reluktanz) in dem Kern

Mit einem offenen sekundären Kreis gibt es lediglich Magnetisierungsstrom in der primären Windung. Gemäß dem Lenz'schen Gesetz ist die elektromotorische Kraft gleich der elektromotorischen Spannung, die in die sekundäre Windung induziert wird, in einer derartigen Richtung, dass diese der Flussänderung entgegenwirkt, die diese erzeugt hat. Wenn die sekundäre Windung mit einer Last verbunden ist (der Schalter S in 6g geschlossen wird), wird die magnetomotorische Kraft der sekundären Windung Fs = mmf oder der Fluss Φs sofort (in der Übergangssequenz) aufgebaut, der in der entgegen gesetzten Richtung zu mmf von der primären Windung Fp ist. Dies wird in 6g dargestellt. Augenblicklich vermindert sich der Fluss in dem Kern zu
wobei is der sekundäre Strom ist und Ns die Anzahl von Wicklungen in der sekundären Windung. Die Flussreduktion führt zu einer Reduktion in der induzierten Spannung in der primären Windung und dadurch gemäß Gleichung 6) zu einer Erhöhung in dem primären Strom. Dieser erhöhte primäre Strom, der die Laststromkomponente in dem primären Strom ist, fügt seine mmf vektoriell zu der Magnetisierungskomponente Np·im hinzu, was eine Erhöhung in dem primären Fluss verursacht.
Der primäre Strom wächst an, bis Np·Ip,load = Ns·Is und dann sind Φm und Ep auf dem gleichen Pegel auf dem sie waren, bevor der Schalter geschlossen wurde. Beim stationären Betrieb haben wir einen Strom in der primären Windung I →p = I →fe + I →m + Ip,load 10)
Wenn sich der Schalter öffnet wird die gleiche Sequenz in der entgegen gesetzten Richtung wiederholt. Es ist interessant zu erwähnen, dass bei dem Moment, wenn der Schalter geschlossen wird, wir eigentlich eine sekundäre mmf haben, die eine Magnetisierung aufbaut, die orthogonal zu der ursprünglichen Magnetisierung der primären Windung ist, da die sekundäre Windung orthogonal zu der ersten ist. Die primäre Windung antwortet mit einer entsprechenden Magnetisierung mmf, die entgegengesetzt ausgerichtet zu der mmf der sekundären Windung und orthogonal zu der ursprünglichen Magnetisierung ist. Daher sehen wir, dass das Lenz'sche Gesetz einen Ausgleich in dem Fluss mit jeder Laständerung auf der sekundären Seite aufrecht erhält, der von einer entsprechenden Änderung auf der primären Seite begegnet wird, wodurch ein Ausgleich erreicht wird, mit dem Ergebnis, dass wir in einem stationären Zustand lediglich Magnetisierungsfluss haben, der in dem Kern fließt, der die Ursache des Transformatoreffekts ist. Diese Beschreibung beantragt einen herkömmlichen Transformator mit einer primären und sekundären Windung in dem gleichen Windungsraum.
Gemäß der Erfindung wird ein Magnetisierungsstrom in der Steuerwindung aufgebaut, der mit dem Magnetisierungsstrom von der primären Windung in der Amplitude übereinstimmt, um eine transformative Verbindung zu ermöglichen, die zwischen der primären und der sekundären Windung aufgebaut werden soll, die keine unerwünschten Frequenzen in der sekundären Spannung erzeugt. Ohne diese Magnetisierung ist es nicht möglich, eine transformative Verbindung mit der sekundären Windung zu aktivieren. Es gibt einen gewissen Grad der Verbindung auf Grund der Windungsausdehnung in dem Raum, die eine induzierte Komponente und ebenso eine zweite induzierte Komponente auf Grund von Nicht-Linearitäten in dem Material bereitstellt, jedoch ist diese Verbindung nicht in der Lage, den gewünschten transformativen Effekt zu bereitzustellen.
Wir haben nun eine Magnetisierung in dem Kern aufgebaut, die die Verbindung zu der sekundären Seite mittels des Stroms in der Steuerwindung bereitstellt. Wir sollten daher zwei Magnetisierungsströme haben, die orthogonal sind und in einer derartigen Art und Weise summiert werden, dass die Domänenrichtung sich linear in einer Richtung ändert, die unter einem Winkel zu der sekundären Windung liegt, und bei der die induzierte Spannung der sekundären Windung von der Größe dieses Winkels abhängt.
Da die Summe der Magnetisierungsströme die Ursache des Transformatoreffektes ist, wollen wir den gesteuerten Teil des Magnetisierungsstroms in dem sekundären Kreis von Laständerungen in dem sekundären Kreis unbeeinflusst lassen, z.B. der Strom in der Steuerwindung wird während einer Laständerung konstant gehalten. Durch Einführen einer geeigneten Induktanz in der Steuerwindung, z.B. mittels des Standes der Technik aus PCT/NO01/00217, wird der Strom in der Steuerwindung als konstant während Domänenänderungen auf Grund von Laständerungen in dem sekundären Kreis wahrgenommen, da eine Induktanz die Änderungen in dem Strom glättet. Wir sollten bewusst sein, dass nun da der Transformatoreffekt vorliegt, die Steuerwindung ebenso unter der Induktion von der primären Spannung Vp steht. Die Steuerwindung ist ebenso direkt transformativ mit der sekundären Windung verbunden und eine Steuerspannung in der Steuerwindung wird an die sekundäre Windung transformiert. Zur gleichen Zeit beeinflusst Strom in der sekundären Windung die Domänenverzerrung und das Phasenverhältnis zwischen der primären und der sekundären Windung. Um diese Situation zu beseitigen müssen alle Ströme in dem System überwacht werden und die Steuerwindung muss angeregt werden, um so Domänenänderungen zu kompensieren, die von der sekundären Windung aufgebaut werden. Um Leistungsweiterleitung von dem Steuerkreis an den sekundären Kreis und diese Beeinflussungen untereinander zu verhindern, wird, wie zuvor erwähnt, eine Induktanz in den Steuerkreis eingefügt, die annähernd einen konstanten Strom in der Steuerwindung verursacht und einen ausreichenden Abfall in der Spannung zwischen der Steuerwindung und der sekundären Windung liefert. Die transformierte Spannung in der sekundären Windung von der primären Seite und die transformierte Spannung in der sekundären Windung von der Steuerwindung sind in Phase oder in Gegenphase, da wir grundsätzlich eine Steuerspannung verwendet haben, die In-Phase mit der primären Spannung sein sollte, um eine gerichtet konstante Domänenänderung zu erhalten. Es ist ebenso wichtig bewusst zu sein, dass der Kern bei jedem Nulldurchgang der Spannung zurückgesetzt wird. Daher vermindert sich durch Entfernen der Steuerspannung der Magnetisierungswinkel zwischen den Windungen auf Grund der Tatsache, dass der sekundäre Strom abnimmt und nach ein paar Perioden sind wir zurück bei minimaler Verbindung.
Wir können mit dem Folgenden schließen:

1) Die Steuerspannung in dem Verfahren gemäß der Erfindung ist in Phase oder Gegenphase mit der primären Spannung, um eine verzerrungsfreie transformative Verbindung zu erhalten.
2) Durch eine langsame Änderung in der Amplitude der Steuerspannung kann die Richtung der Domänenänderung oder des Magnetisierungswinkels zwischen der primären und der sekundären Windung verändert werden und dadurch kann der Spannungsübergang gesteuert werden.
3) Durch Einfügen einer Induktanz in dem Steuerkreis wird es möglich, den Effekt der direkten transformativen Verbindung zwischen sekundärer und Steuerwindung zu unterdrücken.
4) Die sekundäre Windung agiert als Steuerwindung durch die elektromotorische Kraft (mmf), die daher zu der elektromotorischen Kraft (mmf) von der Steuerwindung hinzugefügt wird und den Magnetisierungswinkel zwischen der primären und sekundären Windung beeinflusst.
5) Grundsätzlich ist es nicht möglich, diesen Effekt von der sekundären Windung zu isolieren und wir sollten eine variable Phasenwinkeldrehung zwischen der primären und sekundären gemäß der Lastbedingungen erhalten. Jedoch können wir dieses durch Verwenden eines Phasenkompensationsgerätes, wie in PCT/NO01/00217 beschrieben, kompensieren, um die Phasenwinkeldrehung zu kompensieren.
6) Da die primäre Windung sofort auf jegliche Laständerung von der sekundären Seite gemäß dem Lenz'schen Gesetz antwortet, sollten wir den gewünschten regulierenden Transformatoreffekt erhalten.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Transformator gemäß der Erfindung lediglich eine Steuerungswindung, die in dem Windungsraum zusammen mit der sekundären Windung angeordnet ist. Prinzipiell ist eine Steuerwindung in dem primären Windungsraum nicht notwendig, da die primäre Windung die Domänen in ihrer Richtung dreht und ebenso jegliche Domänen, die von einem Strom in der sekundären Windung aufgebaut werden, in die gleiche Richtung dreht. Um eine transformative Verbindung zwischen den orthogonalen Windungen zu erhalten, müssen die Domänen wie zuvor erwähnt gedreht werden, um effizient eine Magnetisierung zu erzeugen, die in einer günstigen Richtung zur transformativen Verbindung zwischen der primären und der sekundären Windung ist. Das Beste, das erreicht werden kann ist eine Drehung von 45 Grad für die Domänen. (Aus einem unterschiedlichen Gesichtspunkt verdrehen wir die sekundäre Windung in Bezug auf die primäre Windung in einer derartigen Art und Weise, dass etwas von dem Feld der primären Windung die sekundäre Windung durchläuft.)
Um den Transformatoreffekt ohne Verzerrung der primären Spannung zu erzielen, wird gemäß der Erfindung eine AC-Wechselspannung an der Steuerwindung verwendet, die, wie zuvor erwähnt, in dem gleichen Windungsraum wie die sekundäre Windung angeordnet ist. Wenn der Strom in der Steuerwindung zu fließen beginnt, verstärkt dieser Strom die Verbindung mit der primären Seite durch die Domänen, denen in die richtige Richtung von dem Feld von dem sekundären Strom und dem Feld von dem Steuerstrom geholfen wird.
In einer bevorzugten Ausführung ist die Steuerspannung in dem Transformator gemäß der Erfindung In-Phase oder um 180° phasen-verschoben in Bezug auf die Spannung an der primären Seite, um eine verzerrungsfreie Transformation zu erhalten. Der Strom in der Steuerwindung kann durch ein System reguliert werden, das den primären und den sekundären Strom/Spannung als auch den Steuerstrom überwacht, wodurch ermöglicht wird, dass die Verbindung und der elektrische Winkel zwischen den Windungen mittels der Ausrichtung der Domänen gesteuert wird. Wie zuvor erwähnt geben die Werte des Stroms und der Spannung in der primären, sekundären und Steuerwindung eine genaue Anzeige des Zustands der Domänen (Drehung und Magnetisierung) und daher können diese Parameter zusammen mit Referenzwerten verwendet werden, um den Betrieb des Transformators zu steuern und diesen an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen.
Der Transformator gemäß der Erfindung kann Vorteilhafterweise als ein gesteuerter Gleichrichter oder Frequenzumwandler verwendet werden. Um einen derartigen gesteuerten Gleichrichtereffekt von diesem Transformator zu erreichen, können zwei Verfahren verwendet werden. Diese werden im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Das erste Verfahren umfasst:

– Verbinden der primären Windung eines ersten Transformators mit einer Leistungsversorgung,
– Verbinden eines zentralen Punktes der sekundären Windung des ersten Transformators mit einer Last,
– Verbinden der Enden der ersten sekundären Windung mit einer ersten Dioden-Gleichrichter-Topologie,
– Zuführen einer Wechselspannung zu der ersten Steuerwindung in dem ersten Transformator,
– Verbinden der primären Windung eines zweiten Transformators mit einer Leistungsversorgung,
– Verbinden eines zentralen Punktes der sekundären Windung des zweiten Transformators parallel zusammen mit dem zentralen Punkt des ersten Transformators mit der Last,
– Verbinden der Enden der ersten sekundären Windung des zweiten Transformators mit einer zweiten Dioden-Gleichrichter-Topologie,
– Zuführen einer Wechselspannung zu der zweiten Steuerwindung in dem zweiten Transformator,
– Bereitstellen dadurch eines Frequenzwandlers zur Motorsteuerung. Eine Gleichrichtung gemäß diesem Verfahren wird bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: 1) Die erste Steuerwindung des ersten Transformators wird aktiviert und während der Aktivierung tritt ein Transformatoreffekt zwischen der primären Windung und der sekundären Windung des ersten Transformators auf, die Spannung von der sekundären Windung des ersten Transformators wird durch die Dioden D1 und D2 gleichgerichtet und die resultierende Spannung wird über die Last angelegt, die primäre Windung des zweiten Transformators ist in einem Aus-Zustand, da die Steuerwindung des zweiten Transformators nicht aktiviert ist, vorausgesetzt eine hohe Impedanz in der sekundären Windung des zweiten Transformators ist parallel zu der Last, während der Periode, in der die erste Steuerwindung aktiviert wird, wird eine Spannung an der primären des ersten Transformators gleichgerichtet und erscheint an der Last als eine positive Spannung, 2) die Steuerwindung des ersten Transformators wird deaktiviert und während der Deaktivierung ist die zweite Windung des ersten Transformators in einem Zustand hoher Impedanz, die Steuerwindung des zweiten Transformators wird aktiviert und während der Aktivierung tritt ein Transformatoreffekt zwischen der primären und sekundären Windung des Transformators auf, die Spannung von der sekundären Windung des sekundären Transformators wird durch die zweite Diodenkonfiguration gleichgerichtet und die resultierende Spannung Vdc wird über die Last U1 angelegt, während der Periode, in der die Steuerwindung des zweiten Transformators aktiviert wird, wird eine Spannung an der primären Windung dieses Transformators gleichgerichtet und erscheint an der Last als eine negative Spannung. 3) Durch Kontrollieren der Aktivierung der Steuerwindung, um die Länge der negativen und der positiven Gleichrichterperiode zu steuern, wird eine variable Frequenzsteuerung von 0 bis 50 Hz erhalten.

Wenn die Domänen ihre Größe und Richtung ändern, wird die Magnetisierung des Körpers dementsprechend geändert, einschließlich Spannungen in den Windungen, bei denen die Domänen unter einem Winkel sind, der nicht orthogonal zu den Windungen ist.
Die transformative Verbindung zwischen der primären und der sekundären Seite ist wie für einen herkömmlichen Transformator, so lange die Umwandlung in dem linearen Bereich der Magnetisierungskurve auftritt und so lange die Richtungsabhängigkeit der Permeabilität in der Platte annähernd symmetrisch ist und der Steuerstrom In-Phase mit der primären Spannung ist und von einer derartigen Stärke ist, dass die Richtung der Domänen nicht während der primären Spannungssequenz geändert wird.
Mit Bezug auf den Stand der Technik aus PCT/NO01/00217, das hierdurch als Referenz in seiner Gesamtheit aufgenommen wird, betrifft die Erfindung ein neues Gerät, da die primäre und die sekundäre Windung keine Parallelen, sondern rechtwinklige Windungsachsen aufweisen müssen und eine Steuerung des Domänenzustands eingeschlossen wird.
Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1 und 2 stellen das Grundprinzip der Erfindung und eine erste Ausführung von dieser dar.
3 stellt die Bereiche von unterschiedlichen magnetischen Flüssen dar, die in dem Gerät gemäß der Erfindung beteiligt sind.
4 stellt einen ersten Äquivalentschaltkreis für das Gerät gemäß der Erfindung dar.
5 und 6 stellen Magnetisierungskurven und Domänen für das magnetische Material in dem Gerät gemäß der Erfindung dar.
7 stellt Flussdichten für die Haupt- und Steuerwindung dar.
8 stellt eine zweite Ausführung der Erfindung dar.
9 stellt die gleiche zweite Ausführung der Erfindung dar.
10 und 11 stellen die zweite Ausführung im Schnitt dar.
12 bis 15 stellen unterschiedliche Ausführungen der Magnetfeldverbinder in der zweiten Ausführung der Erfindung dar.
16 bis 29 stellen unterschiedliche Ausführungen der röhrenförmigen Körper in der zweiten Ausführung der Erfindung dar.
30 bis 35 stellen unterschiedliche Aspekte der Magnetfeldverbinder zur Verwendung in der zweiten Ausführung der Erfindung dar.
36 stellt ein zusammengesetztes Gerät gemäß der zweiten Ausführung der Erfindung dar.
37 und 38 stellen eine dritte Ausführung der Erfindung dar.
39 bis 41 stellen bestimmte Ausführungen eines Magnetfeldverbinders zur Verwendung in der dritten Ausführung der Erfindung dar.
42 stellt die dritte Ausführung der Erfindung dar, die zur Verwendung als ein Transformator angepasst ist.
43 und 44 stellen die vierte Ausführung der Erfindung dar, die an ein Puder-basiertes magnetisches Material angepasst ist, und daher ohne Magnetfeldverbinder.
44 und 45 stellen einen Schnitt entlang der Linien VI-VI und V-V in 42 dar.
46 und 47 stellen einen Kern dar, der an ein Puderbasiertes magnetisches Material angepasst und daher ohne Magnetfeldverbinder.
48 stellt einen Schaltkreis zur gesteuerten Gleichrichtung dar.
49 und 50 stellen einen alternativen Schaltkreis zur gesteuerten Gleichrichtung dar.
Die Erfindung wird nun im Prinzip in Verbindung mit 1a und 1b erklärt.
In der gesamten Beschreibung zeigen die Pfeile, die mit dem Magnetfeld und Fluss verknüpft sind, im Wesentlichen die Richtungen von diesen innerhalb des magnetischen Materials an. Die Pfeile aus Gründen der Klarheit an der Außenseite abgebildet.
1a stellt ein Gerät mit einem Körper 1 eines magnetisierbaren Materials dar, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet. Dieser magnetisierbare Körper oder Kern 1 kann ringförmig in der Form oder von einer anderen geeigneten Form sein. Um den Körper 1 wird eine erste Hauptwindung 2 gewunden, bei der die Richtung des Magnetfelds H1 (entsprechend der Richtung der Flussdichte B1), die erzeugt wird, wenn die Hauptwindung 2 angeregt wird, in Übereinstimmung mit dem magnetischen Kreis ist. Die Hauptwindung 2 ähnelt einer Windung in einem herkömmlichen Transformator. In einer Ausführung umfasst das Gerät eine zweite Hauptwindung 3, die um den magnetisierbaren Körper in der gleichen Weise wie die Hauptwicklung 2 gewunden ist und die dadurch ein Magnetfeld bereitstellt, das sich im Wesentlichen entlang des Körpers (z.B. parallel zu H1, B1) erstreckt. Schließlich umfasst das Gerät eine dritte Windung 4, die sich in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung intern entlang des magnetischen Körpers 1 erstreckt. Das Magnetfeld H2 (und dadurch die Flussdichte B2), die erzeugt wird, wenn die dritte Hauptwindung 4 angeregt wird, weist eine Richtung auf, die bei einem rechten Winkel zu der Richtung der Felder in der ersten und der zweiten Hauptwindung (Richtung von H1, B1) ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung konstituiert die dritte Hauptwindung 4 eine primäre Windung, die erste Hauptwindung 2 die sekundäre Windung und die sekundäre Hauptwindung 3 die Steuerwindung. Bei den Topologien, die als bevorzugt in der vorliegenden Beschreibung betrachtet werden, folgen die Wicklungen in der Hauptwindung der Feldrichtung von dem Steuerfeld und die Wicklungen in der Steuerwindung folgen der Feldrichtung des Arbeitfelds.
Die 1b bis 1g stellen die Definition der Achsen und die Richtungen der unterschiedlichen Windungen und des magnetischen Körpers dar. So lange die Windungen berücksichtigt werden, sollen wir die Achse die Normale der Oberfläche nennen, die von jeder Wicklung definiert wird. Die sekundäre Windung 2 weist eine Achse A2 auf, die Steuerwindung 3 weist eine Achse A3 auf, die primäre Windung 4 eine Achse A4.
In Bezug auf den magnetisierbaren Körper 1 ändert sich die longitudinale Richtung gemäß der Form. Falls der Körper länglich ist, fällt die longitudinale Richtung A1 mit der longitudinalen Achse des Körpers zusammen. Falls der magnetische Körper, wie in 1a dargestellt, rechteckig ist, ist es möglich, eine longitudinale Richtung A1 für jede Seite des Quadrats zu definieren. Wenn der Körper röhrenförmig ist, ist die longitudinale Richtung A1 die Achse der Röhre und für einen ringförmigen Körper folgt die longitudinale Richtung A1 der Kreislinie des Rings.
Die Erfindung basiert auf dem Prinzip des Ausrichtens der Domänen in dem Kern in dem magnetisierbaren Körper 1 in Bezug auf ein erstes Magnetfeld H2 durch Ändern eines zweiten Magnetfelds H1, das bei einem rechten Winkel zu dem ersten ist. Daher kann das Feld H2 zum Beispiel als das Arbeitsfeld definiert werden und die Domänenrichtung des Körpers (und dadurch das Verhalten des Arbeitfelds H2) mittels des Felds H1 (hiernach Steuerfeld H1 genannt) steuern. Dies wird nun in größerem Detail erklärt.
Die Magnetisierung in dem Kern wird Richtungs-mäßig durch die Quellen des Feldes bestimmt, die die Domänen in dem Material beeinflussen. Normaler Weise ist der Windungsraum, z.B. der Teil des Kerns der die Windungen enthält, der primären und sekundären Windung gemeinsam, mit dem Ergebnis, dass die Domänenrichtung und die Magnetisierung ebenso gemeinsam sind. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Windungsräume orthogonal mit dem Ergebnis, dass die Felder von den zwei Windungen orthogonal sind und es folglich keine magnetische Verbindung zwischen den Windungen gibt, so lange kein Strom in der Steuerwindung und der sekundären Windung fließt.
Wie bereits erwähnt, ist in 1a und 2a die Windung 4 die primäre Windung und Windung 2 die sekundäre Windung, während Windung 3 die Steuerwindung ist. 4 zeigt A1 als das Flussgebiet der sekundären Windung 2 und der Steuerwindung 3 und dieses Gebiet kann das Gebiet für den internen Windungsraum iws genannt werden und A2 das Flussgebiet für die primäre Windung 4 oder das Gebiet des externen Windungsraums ews. In Abhängigkeit der Art der Umwandlung und der benötigten Verbindung ist es möglich, den Gebieten gleiche oder ungleiche Abmessungen zu geben.
Die 4 ist ein Diagramm, das den Transformator gemäß der Erfindung darstellt, bei dem die Windungen mit parallelen und rechtwinkligen Achsen angeordnet sind und bei dem die Magnetisierungsrichtung ebenso dargestellt ist.
Um eine transformative Verbindung zwischen den zwei orthogonalen Windungen zu erreichen, müssen die Domänen und dadurch die Magnetisierung in einer derartigen Art und Weise ausgerichtet werden, dass der Winkel zwischen den Domänen und den Windungen, die beeinflusst werden sollen, unterschiedlich zu 90° ist. Das Beste, das bei einer Verbindung zwischen zwei orthogonalen Windungen erreicht werden kann, ist es, die Magnetisierung in dem Körper 1 mittels einer Steuerwindung auf 45 Grad auszurichten. Das bedeutet, dass bei einer gleichen Anzahl von Wicklungen an der primären und sekundären Windung und dem gleichen Flussgebiet, ein Maximum von annähernd 70% der Spannung transformiert werden kann, da der Sinus von 45° 0,707 beträgt und der Teil des Flussgebietes ist, den eine um 45 Grad in Bezug auf die Quellenwindung gedrehte Windung abdeckt.
Das Wesentliche von dem was passiert wird in 5 und 6 dargestellt.
Die 5 stellt die Magnetisierungskurven für das gesamte Material des magnetisierbaren Körpers 1 und der Domänenänderung unter dem Einfluss des H1-Felds von der sekundären Windung 2 dar.
Die 6 stellt die Magnetisierungskurven für das gesamte Material des magnetisierbaren Körpers 1 und die Domänenänderung unter dem Einfluss des H2-Felds in Richtung der Windung 4 dar.
Die 7a und 7b stellen die Flussdichten B1 (wobei das Feld H1 durch die sekundäre Windung aufgebaut wird) und B2 (entsprechend zu dem primären Strom) dar. Die Ellipse stellt die Sättigungsgrenze für die B-Felder dar, z.B. wenn das B-Feld die Grenze erreicht, was das Material des magnetisierbaren Körpers 1 veranlasst, die Sättigung zu erreichen. Die Gestaltung der Ellipsenachsen wird durch die Feldlänge und die Permeabilität der zwei Felder B1 (H1) und B2 (H2) in dem Kernmaterial des magnetisierbaren Körpers 1 festgelegt.
Dadurch dass die Achsen in 7 die MMK-Verteilung oder die H-Feldverteilung ausdrücken lassen, kann ein Bild der magnetomotorischen Kraft von den zwei Strömen I1 und I2 erkannt werden. Der operative Bereich des Transformators liegt innerhalb der Sättigungsgrenze und es ist besonders wichtig, dieses zu berücksichtigen, wenn der Transformator für die Magnetisierungsfelder in einer Verbindung zwischen zwei orthogonalen Windungen gestaltet wird.
Die 8 ist eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der Erfindung.
Die 9 zeigt die gleiche Ausführung eines magnetisch beeinflussten Verbinders, der in einer bevorzugten Ausführung des Transformators gemäß der Erfindung bereitgestellt wird, bei dem 9a den zusammengesetzten Verbinder darstellt und 9b eine Endansicht des Verbinders ist.
Die 10 stellt einen Schnitt entlang der Linie II in 9b dar.
Wie zum Beispiel in 10 dargestellt ist der magnetisierbare Körper 1 unter Anderem aus zwei parallelen Röhren 6 und 7 zusammengesetzt, die aus einem magnetisierbaren Material hergestellt sind. Ein elektrisch isolierter Leiter 8 (9a, 10) wird kontinuierlich N-mal in einem Pfad durch die erste Röhre 6 und die zweite Röhre 7 hindurchgeleitet, wobei N = 1, ...r, der die primäre Windung 2 bildet, wobei sich der Leiter 8 in der entgegen gesetzten Richtung durch die zwei Röhren 6 und 7 erstreckt, wie dies klar in 10 dargestellt ist. Selbst obwohl der Leiter 8 lediglich als sich zweimal durch die erste Röhre 6 und die zweite Röhre 7 erstreckend gezeigt ist, sollte es selbsterklärend sein, dass es für den Leiter 8 möglich ist, sich durch die jeweiligen Röhren entweder lediglich einmal oder möglicher Weise mehrere Male zu erstrecken (wie durch die Tatsache gezeigt, dass die Wicklungsanzahl N von 0 bis r variieren kann), wodurch ein Magnetfeld H1 in den parallelen Röhren 6 und 7 erzeugt wird, wenn der Leiter angeregt wird. Eine kombinierte Steuer- und sekundäre Windung 4, 4', die aus dem Leiter 9 zusammengesetzt wird, ist um die erste Röhre und die zweite Röhre (6 bzw. 7) in einer derartigen Art und Weise gewunden, dass die Richtung des Feldes H2 (B2), das an den Röhren erzeugt wird, wenn die Windung 4 angeregt wird, entgegen gesetzt gerichtet ist, wie durch die Pfeile für das Feld B2 (H2) in 8 angezeigt. Die Magnetfeldverbinder 10, 11 sind an den gleichen Enden der jeweiligen Röhren 6, 7 montiert, um die Röhren Feld-mäßig in einer Schleife zu verbinden. Der Leiter ist ebenso in der Lage, einen Laststrom I1 zu befördern (9a). Die Länge und der Durchmesser der Röhren 6, 7 wird auf Grundlage der Leistung und der Spannung bestimmt, die verbunden werden müssen. Die Anzahl von Wicklungen N1 auf der Hauptwindung 2 wird durch die Sperrstromfähigkeit für Spannung und der Querschnittsbereich für die Größe des Arbeitsflusses Φ2 bestimmt. Die Anzahl von Wicklungen N2 auf der Steuerwindung 4 wird durch das Umwandlungsverhältnis bestimmt, das für den bestimmten Transformator benötigt wird.
Eine andere Möglichkeit ist es, die Windung 4 als primäre Windung und die Windung 2 als Steuer- und sekundäre Windung anzuordnen.
Die 11 stellt eine Ausführung dar, bei der die primäre und die sekundäre Hauptwicklung ausgetauscht wurden. In der Realität unterscheidet sich die Lösung in 11 von derjenigen, die in 9a und 10 dargestellt ist, lediglich durch die Tatsache, dass statt einem einzelnen isolierten Leiter 8, der durch die Röhren 6 und 7 hindurchgeleitet wird, zwei getrennte entgegengesetzt gerichtete Leiter, ein so genannter sekundärer Leiter 8 und ein Steuerleiter 8' verwendet werden, um dadurch eine Spannungswandlerfunktion in dem magnetisch beeinflussten Gerät gemäß der Erfindung zu erreichen. Die Gestaltung gleicht im Wesentlichen derjenigen, die in 8, 9 und 10 dargestellt ist. Der magnetisierbare Körper 1 umfasst zwei parallele Röhren 6 und 7. Ein elektrisch isolierter sekundärer Leiter 8 wird N1-mal in einem Pfad durch die erste Röhre 6 und die zweite Röhre 7 geleitet, wobei N1 = 1, ....r, wobei der Leiter 8 sich in der entgegen gesetzten Richtung durch die zwei Röhren 6 und 7 erstreckt. Ein elektrisch isolierter Steuerleiter 8' wird N1'-mal kontinuierlich in einem Pfad durch die erste Röhre 6 und die zweite Röhre 7 hindurchgeleitet, wobei N1' = 1, .....r, wobei der Leiter 8' sich in der entgegen gesetzten Richtung in Bezug auf den Leiter 8 durch die zwei Röhren 6 und 7 erstreckt. Zumindest eine primäre Windung 4 und 4' ist um die erste Röhre 6 bzw. die zweite Röhre 7 gewunden, mit dem Ergebnis, dass die Feldrichtung, die an den Röhren erzeugt wird, entgegengesetzt gerichtet ist. In der gleichen Weise wie für die Ausführung gemäß den 8, 9 und 10 werden die Magnetfeldverbinder 10, 11 an den Enden der jeweiligen Röhren 6, 7 montiert, um die Röhren 6 und 7 Feld-mäßig in einer Schleife zu verbinden, wodurch der magnetisierbare Körper 1 gebildet wird. Selbst obwohl der Einfachheit halber in den Zeichnungen der Leiter 8 und der Leiter 8' lediglich mit einer Durchleitung durch die Röhren 6 und 7 dargestellt sind, wird es sofort ersichtlich, dass sowohl der Leiter 8 als auch der Leiter 8' durch die Röhren 6 und 7 N1 bzw. N1'-mal hindurchgeleitet werden können. Die Länge und der Durchmesser der Röhren 6 und 7 wird auf Grundlage der Leistung und Spannung bestimmt, die umgewandelt werden müssen. Für einen Transformator mit einem Umwandlungsverhältnis (N1:N1') gleich 10:1, werden in der Praxis zehn Leiter als Leiter 8 und lediglich ein Leiter 4 verwendet.
Eine Ausführung eines Magnetfeldverbinders 10 und/oder 11 ist in 12 dargestellt. Ein Magnetfeldverbinder 10, 11 wird dargestellt, der aus einem magnetisch leitenden Material aufgebaut ist, wobei zwei vorzugsweise kreisförmige Öffnungen 12 für den Leiter 8 in der Windung 2 (siehe z.B. 10) aus dem magnetischen Material in den Verbindern 10, 11 herausgearbeitet sind. Darüber hinaus wird ein Spalt 13 bereitgestellt, der den Magnetfeldpfad des Leiters 8 unterbricht. Eine Endoberfläche 14 ist die verbindende Oberfläche für das Magnetfeld H2 von der Windung 4, die aus dem Leiter 9 und 9' besteht (10).
Die 13 stellt einen dünnen isolierenden Film 15 dar, der zwischen der Endoberfläche der Röhren 6 und 7 und dem Magnetfeldverbinder 10, 10a in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung angeordnet wird.
Die 14 und 15 stellen andere alternative Ausführungen der Magnetfeldverbinder 10, 11 dar.
Die 16 bis 29 stellen unterschiedliche Ausführungen eines Kerns 16 dar, der in der in den 9, 10 und 11 dargestellten Ausführung den Hauptteil der Röhren 6 und 7 bildet, die vorzugsweise mit den Magnetfeldverbindern 10 und 11 den magnetisierbaren Körper 1 bilden.
Die 16 stellt einen zylindrischen Kernteil 16 dar, der der Länge nach geteilt ist, wie dargestellt, und bei dem ein oder mehrere Schichten 17 eines isolierenden Materials zwischen den zwei Kernhälften 16', 16'' angeordnet sind.
Die 17 stellt einen rechteckigen Kernteil 16 und 18 stellt eine Ausführung dieses Kernteils 16 dar, wobei dieses in zwei mit Teilschnitten in der seitlichen Oberfläche geteilt wird. In der in 18 gezeigten Ausführung werden eine oder mehrere Schichten des isolierenden Materials 17 zwischen den Kernhälften 16, 16' angeordnet. Eine weitere Variante ist in 22 dargestellt, bei der der Teilschnitt in jeder Ecke angeordnet ist.
Die 20, 21 und 22 stellen eine rechteckige Form dar. 23, 24 und 25 stellen das Gleiche für eine dreieckige Form dar. 26 und 27 stellen eine ovale Variante dar und 28 und 29 stellen schließlich eine hexagonale Form dar. In 28 ist die hexagonale Form aus sechs gleichen Oberflächen 18 zusammengesetzt und in 24 besteht das Sechseck aus zwei Teilen 16' und 16''. Das Bezugszeichen 17 bezeichnet einen dünnen isolierenden Film.
Die 30 und 31 stellen einen Magnetfeldverbinder 10, 10' dar, der als Steuerfeldverbinder zwischen rechteckigen und quadratischen Hauptkernen 16 verwendet werden kann (dargestellt in den 10 bis 11, bzw. 20 bis 22). Dieser Magnetfeldverbinder umfasst drei Teile 10', 10'' und 19.
Die 31 stellt eine Ausführung eines Kernteils oder eines Hauptkerns 16 dar, bei dem die Endoberfläche 14 oder die Verbindungsoberfläche für den Steuerfluss bei rechten Winkeln zu der Achse des Kernteils 16 ist.
Die 32 stellt eine zweite Ausführung des Kernteils 16 dar, bei dem die Verbindungsoberfläche 14 für den Steuerfluss bei einem Winkel α in Bezug zu der Achse des Kernteils 16 ist.
Die 33 bis 39 stellen unterschiedliche Gestaltungen des Magnetfeldverbinders 10, 11 dar, die auf der Tatsache basieren, dass die Verbindungsoberflächen 14' des Magnetfeldverbinders 10, 11 bei dem gleichen Winkel sind, wie die Endoberflächen 14 zu dem Kernteil 16.
Die 33 stellt einen Magnetfeldverbinder 10, 11 dar, in dem unterschiedliche Lochformen 12 für die Hauptwicklung 2 auf Grundlage der Form des Kernteils 16 angedeutet sind (rund, dreieckig, usw.).
In 34 ist der magnetische Verbinder 10, 11 flach. Er ist zur Verwendung mit den Kernteilen 16 mit rechtwinkligen Endoberflächen 14 angepasst.
In 35 ist ein Winkel α' zu dem Magnetfeldverbinder 10, 11 angezeigt, der an den Winkel α zu dem Kernteil 16 angepasst ist (32), mit dem Ergebnis, dass die Endoberfläche 14 und die Verbindungsoberfläche 14' übereinstimmen.
In 36a ist eine Ausführung der Erfindung mit einer Zusammensetzung der Magnetfeldverbinder 10, 11 und der Kernteile 16 dargestellt. 36b stellt die gleiche Ausführung von der anderen Seite aus gesehen dar.
Obwohl lediglich einige wenige Kombinationen von Magnetfeldverbindern und Kernteilen beschrieben werden, um die Erfindung darzustellen, ist es für einen auf dem Gebiet tätigen Fachmann nahe liegend, dass völlig andere Kombinationen möglich sind und daher innerhalb des Umfangs der Erfindung liegen.
Es ist ebenso möglich, die Positionen der primären Windung und der sekundären und der Steuerwindung auszutauschen. Jedoch folgt die Steuerwindung vorzugsweise dem gleichen Windungsraum wie die sekundäre Windung.
Die 37 und 38 sind eine Schnittdarstellung bzw. eine Ansicht, die eine dritte Ausführung eines magnetisch beeinflussten Spannungsverbindergeräts darstellen. Das Gerät umfasst (siehe 37b) einen magnetisierbaren Körper 1 mit einer externen Röhre 20 und einer internen Röhre 21 (oder Kernteilen 16, 16'), die konzentrisch sind und aus einem magnetisierbaren Material mit einem Spalt 22 zwischen der inneren Wand der externen Röhre 20 und der äußeren Wand der internen Röhre 21 hergestellt sind. Magnetfeldverbinder 10, 11 zwischen den Röhren 20 und 21 sind an entsprechenden Enden von dieser montiert (37a). Ein Raum 23 (37a) wird in der Spalte 22 angeordnet, wodurch die Röhren 20, 21 konzentrisch gehalten werden. Eine primäre Windung 4, die aus den Leitern 9 zusammengesetzt ist, wird um die interne Röhre 21 gewunden und ist in dem Spalt 22 angeordnet. Die Windungsachse A2 der primären Windung 4 fällt daher mit der Achse A1 der Röhren 20 und 21 zusammen. Eine elektrische Strom tragende oder sekundäre Windung 2, die aus dem Stromleiter 8 besteht ist, wird N1-mal durch die interne Röhre 21 entlang der Außenseite der externen Röhre 20 hindurchgeleitet, wobei N1 = 1, ...r,. Mit der primären Windung 4, die mit der sekundären Windung 2 oder dem Strom tragenden Leiter 8 zusammen arbeitet, wird ein leicht konstruierter, jedoch effizienter, magnetisch beeinflusster Transformator oder Schalter erhalten. Eine elektrische Strom tragende oder Steuerwindung 3, die aus dem Stromleiter 8' besteht ist, wird N1-mal durch die interne Röhre 21 und entlang der Außenseite der externen Röhre 20 hindurchgeleitet, wobei N1 = 1, ...,r. Diese Ausführung des Gerätes kann ebenso derart modifiziert werden, dass die Röhren 20, 21 keinen runden Querschnitt sondern einen Querschnitt der quadratisch, rechteckig, dreieckig usw. ist, aufweisen. Wir müssen „Windungsraum" besser definieren. Es ist nicht exakt ein Hohlraum in dem Kern, da die Windungen um die Wände des Kerns gewunden sind.
Es ist ebenso möglich, die primäre Hauptwindung um die interne Röhre 21 zu winden, wobei die Achse A2 der Hauptwindung mit der Achse A1 der Röhren übereinstimmt, während die Steuer- und die sekundäre Windung um die Röhren an der Innenseite von 21 und der Außenseite von 20 gewunden werden.
Die 39 bis 41 stellen unterschiedliche Ausführungen des Magnetfeldverbinders 10, 11 dar, die in bestimmter Art und Weise für die zuletzt erwähnte Ausführung der Erfindung angepasst sind, z.B. diejenige, die in Verbindung mit den 37 und 38 beschrieben ist.
Die 39a ist eine Schnittansicht und 39b eine Ansicht von oberhalb eines Magnetfeldverbinders 10, 11 mit Verbindungsoberflächen 14' bei einem Winkel relativ zu der Achse der Röhren 20, 21 (der Kernteile 16) und selbstverständlich sind die internen 21 und externen 20 Röhren ebenso bei dem gleichen Winkel zu den Verbindungsoberflächen 14.
40 und 41 stellen andere Varianten der Magnetfeldverbinder 10, 11 dar, bei denen die Verbindungsoberflächen 14' des Steuerfelds H2 (B2) bei rechten Winkeln zu der Hauptachse der Kernteile 16 (Röhren 20, 21) sind.
Die 40 zeigt einen hohlen, halb toroidalen Magnetfeldverbinder 10, 11 mit einem hohlen, halbkreisförmigen Querschnitt, während 39 einen toroidalen Magnetfeldverbinder mit einem rechteckigen Querschnitt darstellt.
Die 42 stellt die dritte Ausführung der Erfindung dar, die zur Verwendung als ein Transformator geeignet ist.
Die 43 und 44 stellen eine Ausführung der Erfindung dar, die für Puder-basiertes magnetisches Material angepasst ist, und dadurch ohne Magnetfeldverbinder.
Die 44 und 45 stellen einen Schnitt entlang der Linien VI-VI und V-V in 42 dar.
Die 46 und 47 stellen einen Kern dar, der an ein Puder-basiertes magnetisches Material angepasst ist, und daher ohne Magnetfeldverbinder.
48 zeigt eine Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung. Dieses Verfahren umfasst:

– Verbinden der primären Windung (T3) des ersten Transformators mit einer Leistungsversorgung,
– Verbinden eines zentralen Punktes (c4) der sekundären Windung (T2) des ersten Transformators mit einer Last (Motor R1, L1),
– Verbinden der Enden der ersten sekundären Windung (c5, c3) mit einer ersten Dioden-Gleichrichter-Topologie (D1 bzw. D2),
– Zuführen einer Wechselspannung zu der Steuerwindung (T1) des ersten Transformators,
– Verbinden der primären Windung (T4) eines zweiten Transformators mit einer Leistungsversorgung,
– Verbinden eines zentralen Punktes (c4') der sekundären Windung (T6) des zweiten Transformators parallel zusammen mit dem zentralen Punkt (c4) des ersten Transformators mit der Last (Motor),
– Verbinden der Enden (c5', c3') der sekundären Windung (T6) des zweiten Transformators mit einer zweiten Dioden-Gleichrichter-Topologie (D3 bzw. T4),
– Zuführen einer Wechselspannung zu der zweiten Steuerwindung (T5) in dem zweiten Transformator,
– Bereitstellen dadurch eines Frequenzwandlers zur Motorsteuerung. Eine Gleichrichtung wird gemäß diesem Verfahren bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst: 1) Die erste Steuerwindung (T1) des ersten Transformators wird aktiviert und während der Aktivierung tritt ein Transformatoreffekt zwischen der primären Windung und der sekundären Windung des ersten Transformators (T3, T2) auf, die Spannung von der sekundären Windung des ersten Transformators (T2) wird durch die Dioden D1 und D2 gleichgerichtet und die resultierende Spannung (VdC) wird über die Last (U1) angelegt, die primäre Windung des zweiten Transformators (T4) ist in einem Aus-Zustand, da die Steuerwindung des zweiten Transformators (T5) nicht aktiviert ist unter der Voraussetzung, dass eine hohe Impedanz in der sekundären Windung des zweiten Transformators (T6) parallel zu der Last (U1) ist, während der Periode, in der die erste Steuerwindung (T1) aktiviert ist, wird eine Spannung an der primären (T3) des ersten Transformators gleichgerichtet und erscheint an der Last U1 als positive Spannung. 2) Die Steuerwindung des zweiten Transformators (T5) wird deaktiviert und während der Deaktivierung ist die sekundäre Windung des ersten Transformators in einem Zustand hoher Impedanz, die Steuerwindung des zweiten Transformators (T5) wird aktiviert und während der Aktivierung tritt ein Transformatoreffekt zwischen der primären und der sekundären Windung des Transformators auf (T4 bzw. T6), die Spannung von der sekundären Windung des zweiten Transformators (T6) wird von der zweiten Diodenkonfiguration (D3, D4) gleichgerichtet und die resultierende Spannung Vdc wird über die Last U1 angelegt, während der Periode in der die Steuerwindung des zweiten Transformators (T5) aktiviert wird, wird eine Spannung an der primären Windung dieses Transformators (T4) gleichgerichtet und erscheint an der Last (U1) als eine negative Spannung, 3) durch Steuern der Aktivierung der Steuerwindungen (T1 und T5), um die Länge der negativen und der positiven Gleichrichterperiode zu steuern, wird eine variable Frequenzsteuerung von 0–50 Hz erhalten.

T1 und T5 werden durch ein Gleichstromsignal angeregt.
Die 49 und 50 stellen ein anderes Verfahren zur Gleichrichtung mittels eines ersten und zweiten Transformatorgerätes gemäß der Erfindung dar, mit (49, 50):

– Verbinden der primären Windung (T3) des ersten Transformators mit einer Leistungsversorgung,
– Verbinden der sekundären Windung (T2) des ersten Transformators mit einer Last (Motor),
– Zuführen einer Wechselspannung zu der Steuerwindung (T1) des ersten Transformators,
– Verbinden der primären Windung (T4) eines zweiten Transformators mit einer Leistungsversorgung,
– Verbinden der zweiten Windung (T6) des zweiten Transformators anti-parallel zu der Last (Motor),
– Zuführen einer Wechselspannung zu der zweiten Steuerwindung (T5) in dem zweiten Transformator, wobei
– Vp, welches die Wechselspannung ist, die den zwei primären (T3, T4) gemeinsam ist, die Kerne S1 (T3) und S2 (T4) zurücksetzt, wenn es keine Transformatorverbindung zu der sekundären Seite gibt, da T1 und T5 deaktiviert sind,
– während des ersten Teils der positiven Phase von Vp die Steuerwindung des ersten Transformators (T1) aktiviert wird und eine transformative Verbindung mit der sekundären Windung des ersten Transformators (T2, Spannung Vs1) erhalten wird,
– nach dem Nulldurchgang der negativen Phase die Steuerwindung des zweiten Transformators (T5) aktiviert wird (Spannung Vk2) und die Spannung Vs2 (Spannung an der sekundären Windung des zweiten Transformators T6) mit dem Kreis verbunden wird, wobei die Gleichrichtung erhalten wird durch:
– die Verbindung der primären Windung, die in der Art und Weise hergestellt wird, dass an T3 der Anschluss c1 mit L1 verbunden wird und der Anschluss c2 mit L2 verbunden wird, wobei die primäre Verbindung mit T4 entgegengesetzt ist; Anschluss c'1 wird mit L2 verbunden und Anschluss c'2 mit L1, L1 und L2 stellen die Anschlüsse einer Wechselstrom-Leistungsquelle dar,
– die Verbindung der sekundären Windung (T2 und T6) mit der Last wird derart hergestellt, dass die zwei sekundären parallel mit der Last verbunden sind,
– eine gepulste Steuerspannung Vk1 wird In-Phase und entgegengesetzt zu Vp an T3 angelegt (t0 in 50), Vs1 wird durch diese Aktion induziert und erscheint sowohl an der Last als auch an T6, T6 ist im Hochimpedanzmodus und der Strom wird an die Last angelegt,
– beim nächsten Nulldurchgang (t1) an der primären Spannung Vp wird Vk1 entfernt, T2 kehrt zur Hochimpedanz zurück,
– beim nächsten Nulldurchgang (2) wird Vk2 angelegt und eine Spannung Vs2 erscheint wieder an der Last und an T2.

Die 50 ist ein Zeit-gegen-Spannungs-Diagramm, das zeigt, wie das Verfahren durch Steuern der Spannungen in der Last mittels der Spannungen in den zwei Steuerwindungen implementiert wird.

Claims

Verfahren zum steuerbaren Umwandeln eines primären Wechselstroms/einer primären Wechselspannung in einen sekundären Wechselstrom/eine sekundäre Wechselspannung durch Verwenden eines steuerbaren Transformatorgerätes, mit einem Körper (1) aus magnetischen Material, einer primären Windung (4), die um den Körper um eine erste Achse (A4) gewickelt ist, einer sekundären Windung (2), die um den Körper um eine zweite Achse (A2) im rechten Winkel zu der ersten Achse gewickelt ist, und einer Steuerwindung (3), die um den Körper um eine dritte Achse (A3) gewickelt ist, die mit der zweiten Achse zusammenfällt, mit: a) Speisen der primären Windung mit einem primären Wechselstrom/einer primären Wechselspannung, b) Speisen der Steuerwindung mit einer Wechselspannung, die entweder in Phase oder 180° phasenverschoben in Bezug auf den primären Strom/die primäre Spannung ist, und c) Speisen der Steuerwindung mit einem veränderlichen Strom, und dadurch Steuern des Umwandlungsverhältnisses des Transformators mittels des veränderlichen Steuerstroms.
Verfahren nach Anspruch 1, weiter mit: – Erzwingen eine langsamen Änderung in der Amplitude der Steuerspannung, um so eine Veränderung in der Richtung der Domänen in dem magnetischen Material oder dem Magnetisierungswinkel zwischen der primären Windung und der sekundären Windung zu erreichen und um dadurch die Spannungsübertragung zu ändern, – Einführen einer Induktivität in den Steuerschaltkreis, um den Effekt der direkten transformierenden Verbindung zwischen der sekundären Windung und der Steuerwindung zu unterdrücken, – Erreichen einer zusätzlichen Steuerung durch Hinzufügen von elektromagnetischer Kraft von der sekundären Windung an die elektromagnetische Kraft der Steuerwindung und Beeinflussen des Magnetisierungswinkels zwischen der primären Windung und der sekundären Windung, – Kompensieren der Phasenwinkeldrehung, die zwischen der primären Windung und der sekundären Windung entsteht, die in Übereinstimmung mit der Lastbedingung variiert, – Erreichen eines gesteuerten Transformationseffektes durch Erhalten einer ersten primären Windungsantwort auf eine Laständerung in der sekundären Seite in Übereinstimmung mit dem Lenz'schen Gesetz.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Steuerwindung mit einer gepulsten Wechselspannung gespeist wird.
Verfahren, das die Verwendung von zwei steuerbaren Transformatorgeräten umfasst, von denen jedes nach Anspruch 1 betrieben wird, wobei das Verfahren weiter umfasst a1) Verbinden der primären Windung (T3) eines ersten Transformaors mit einer Leistungsversorgung, a2) Verbinden der primären Windung (T4) eines zweiten Transformators mit einer Leistungsversorgung, b1) Aktivieren der ersten Steuerwindung (T1) in dem ersten Transformator durch Zuführen einer Wechselspannung, während die zweite Steuerwindung (T5) in dem zweiten Transformator nicht aktiviert wird, Gleichrichten der Spannung von der sekundären Windung (T2) des ersten Transformators und Anlegen der resultierenden Spannung (Vdc) an eine Last (U1), b2) Aktivieren der zweiten Steuerwindung (T5) in dem zweiten Transformator durch Zuführen einer Wechselspannung, Gleichrichten der Spannung von der sekundären Windung (T6) des ersten Transformators und Anlegen der resultierenden Spannung (Vdc) an eine Last (U1), durch Steuern der Aktivierung der Steuerwindungen (T1 und T5), um die Länge der positiven und der negativen Gleichrichterperiode zu steuern, und Erhalten einer variablen Frequenzsteuerung von 0 bis 50 Hz.
Verfahren, das die Verwendung von zwei steuerbaren Transformatorgeräten umfasst, von denen jedes nach Anspruch 1 betrieben wird, wobei das Verfahren weiter umfasst a1) Verbinden der primären Windung (T3) eines ersten Transformators mit einer Leistungsversorgung, a2) Verbinden der primären Windung (T4) eines zweiten Transformators mit der Leistungsversorgung, b1) Zuführen einer Wechselspannung an die Steuerwindung (T1) in dem ersten Transformator, b2) Zuführen einer Wechselspannung an die Steuerwindung (T5) in dem zweiten Transformator, wobei die primäre Windung des ersten Transformators (T3) entgegengesetzt zu der primärem Windung des zweiten Transformators (T4) mit einer gemeinsamen Spannung verbunden ist, die sekundären Windungen des ersten und des zweiten Transformators (T2, T6) parallel zu einer Last (Motor) verbunden sind, und c1) eine gepulste Steuerspannung (Vk1) in Phase und entgegengesetzt zu der Spannung in der primären Windung des ersten Transformators (T3) angelegt wird, c2) beim nächsten Nulldurchgang der Spannung an der primären Windung des ersten Transformators (T3) die Steuerspannung (Vk1) in der Steuerwindung des ersten Transformators (T1) entfernt wird, und c3) beim nächsten Nulldurchgang der Spannung eine gepulste Steuerspannung (Vk2) an die Steuerwindung des zweiten Transformators angelegt wird.