DE69232551T2

DE69232551T2 - Transformatoren und Verfahren, mit denen die Streuinduktivität in Transformatoren kontrolliert wird

Info

Publication number: DE69232551T2
Application number: DE69232551T
Authority: DE
Inventors: Jay M. Prager; Patrizio Vinciarelli
Original assignee: VLT Corp
Current assignee: Vicor Corp
Priority date: 1991-09-13
Filing date: 1992-09-14
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2012-09-15
Also published as: EP0532360A1; US5546065A; DE69226741T2; JPH06151210A; DE69226741D1; JP3311391B2; US20020097130A1; EP0881647B1; JP2002237423A; DE69232551D1; EP0881647A1; US6653924B2; US5719544A; EP0532360B1

Description

Diese Erfindung betrifft Transformatoren und ein Verfahren zum Steuern von Streuinduktivität in Transformatoren.
Mit Bezug auf Fig. 1, die eine schematische Darstellung eines elektronischen Transformators mit zwei Wicklungen 12, 14 zeigt, wobei die Flusslinien mit Stromfluss in den Wicklungen assoziiert sind und längs einer Vielfalt von Bahnen selbst schließen. Ein Teil des Flusses verkettet beide Wicklungen (z. B. Flusslinie 16) und einige tun es nicht (z. B. Flusslinien 20, 22, 23, 24, 26). Fluss, welcher beide Wicklungen verkettet, wird als gegenseitiger Fluss bezeichnet; Fluss, der nur eine Wicklung verkettet, wird als Streufluss bezeichnet. Das Ausmaß, mit dem Fluss in einer Wicklung erzeugt wird, verkettet auch die andere Wicklung und wird als Wicklungs-Kopplungs-Koeffizient ausgedrückt. Ein Einheits-Kopplungskoeffizient impliziert perfektes Koppeln (d. h., dass der gesamte Fluss, der die Wicklung verkettet, auch die andere Wicklung verkettet) und ein Fehlen des Streuflusses (d. h. kein Fluss, der die Wicklung verkettet, verkettet die Wicklung allein). Von einem Schaltungsstandpunkt aus betrachtet, sind die Wirkungen von Streufluss berücksichtigt, indem ein äquivalenter Pauschalwert der Streuinduktivität mit jeder Wicklung assoziiert ist. Eine Zunahme im Kopplungs-Koeffizienten führt zu einer Reduktion in der Streuinduktivität: Wenn sich der Kopplungs-Koeffizient dem Einheitswert nähert, ist die Streuinduktivität der Wicklung nahezu Null.
Steuerung von Streuinduktivität ist von Wichtigkeit beim Schalten von Umformern, was einen Übergang der Leistung von einer Quelle bis zu einer Belastung über das Medium eines Transformators bewirkt, und zwar durch das Öffnen und Schließen eines oder mehrerer Schaltungselemente, die mit den Wicklungen des Transformators verbunden sind. Beispiele von Schaltungs-Umformern umfassen DC-DC-Umformer, Schaltungsverstärker und Steuerungsumformer, zum Beispiel in herkömmlichen impulsbreite-modulierten Umformern (PWM), in welchen Strom in einer Transformatorwicklung durch das Öffnen und Schließen eines oder mehrerer Schaltungselemente unterbrochen und in welchen ein Teil oder die gesamte gespeicherte Energie in den Streuinduktivitäten als Schaltungsverluste in den Schaltungselementen verbraucht wird, ist ein Transformator mit niedriger Streuinduktivität erwünscht (d. h. einer, in welchem Aufwand gemacht ist, um die Streuinduktivitäten auf Werte zu reduzieren, die gegen Null gehen). Für Nullstrom-Schaltungskonverter, in welchen ein gesteuerter Anteil von Transformator-Streuinduktivität einen Teil des Leistungszuges bildet und verschiedene Konverter- Betriebsparameter regelt (d. h. den Wert einer charakteristischen Zeitkonstante, die maximale Ausgangs- Nennleistung des Konverters; siehe, beispielsweise, Vinciarelli, US-Patent 4.415.959; ein gesteuerter Streuinduktivitäts-Transformator (d. h. ein solcher, der endliche, gesteuerte Werte der Streuinduktivität zeigt) ist erforderlich. Ein Trend beim Schalten von Umwandlern geht in Richtung höherer Schaltungsfrequenzen (d. h. das Verhältnis, bei dem die Schaltungselemente, die in einem Schaltungs- Umformer enthalten sind, werden geöffnet oder geschlossen). Wenn die Schaltungsfrequenz erhöht wird (d. h. von 50 kHz bis über 100 kHz), werden normalerweise niedrigere Werte der Transformator-Streuinduktivität benötigt, um die Konverterleistung zu erhalten oder zu verbessern. Wenn z. B. die Transformator-Streuinduktivitäten in einem herkömmlichen PWM-Konverter fixiert sind, dann führt eine Erhöhung der Schaltungsfrequenz zu erhöhten Schaltungsverlusten und zu einer unerwünschten Reduktion der Umwandlungseffizienz (d. h. der Anteil der Leistung, die von der Eingabequelle abgenommen ist, wird mit der Last geliefert).
Ein Transformator mit weit voneinander getrennten Wicklungen hat eine niedrige Zwischenwicklungs-Kapazität (parasitär), eine hohe statische Isolation, und ist relativ einfach zu bauen. In einem herkömmlichen Transformator nehmen die Kopplungskoeffizienten der Wicklungen jedoch ab und die Streuinduktivität nimmt zu, wenn die Wicklungen weiter beabstandet sind. Wenn beispielsweise ein Transformator gemäss Fig. 1 gebaut ist, dann wird die Flusslinie 23, die durch die Wicklung 12 erzeugt wird, die Wicklung 14 nicht verketten und bildet daher einen Teil des Streufeldes der Wicklung 12. Wenn jedoch die Wicklung 14 enger gemacht oder überlappt wird, dann würde die Flusslinie 23 Teil des gegenseitigen Flusses der Verkettungswicklung 14 sein, und dies würde zur Erhöhung des Kopplungskoeffizienten und zur Abnahme der Streuinduktivität führen. Somit hängen in einem Transformator der in Fig. 1 gezeigten Art die Kopplungskoeffizienten und die Streuinduktivitäten von der räumlichen Beziehung zwischen den Wicklungen ab.
Bekannte Techniken zum Steuern der Streuinduktivität sind auf die Anordnung der räumlichen Beziehung zwischen Wicklungen gerichtet. Maximieren der Kopplung zwischen Wicklungen ist erreicht worden durch physikalisches Überlappen der Wicklungen und eine Vielfalt von Bauweisen (z. B. Segmentation und Überlappung der Wicklungen) sind beschrieben worden zum Optimieren der Kopplung und Reduzieren unerwünschter Seiteneffekte (z. B. Näherungseffekte), verbunden mit verkürzten Wicklungen. In anderen bekannten Ausführungsformen sind multifilare oder koaxiale Wicklungen benutzt worden, die dazu anregen, Streufluss-Streichungen als eine Folge der räumlichen Beziehungen, die zwischen stromführenden Gliedern bestehen und die die Wicklungen bilden oder beide, das magnetische Medium und die Wicklungen, sind aus einer Mehrzahl kleiner, dazwischen geschalteter Anordnungen, wie in "Matrix"transformatoren gebildet. Transformatoren, bei denen multifilare oder koaxiale Wicklungen oder Matrixkonstruktionen benutzt wurden, zeigen im wesentlichen die gleichen Nachteile, wie jene, bei denen Überlappungswicklungen verwendet werden, sind aber selbst schwieriger und komplexer zu bauen, besonders dort, wo Windungsverhältnisse anders als Einheit gewünscht sind. Daher sind bekannte Verfahren zum Steuern der Kopplung darauf gerichtet, von der Nähe und Konstruktion von Wicklungen Gebrauch zu machen und dabei auf die Vorteile der Wicklungstrennung zu verzichten.
Es ist allgemein bekannt, dass leitende Schilde die räumliche Verteilung eines magnetischen Feldes verringern oder ändern können. Beim Erscheinen als eine "Kurzschlusswindung" für die Komponente des zeitlich variierenden Induktionsflusses, der andernfalls orthogonal auf seine seitliche Oberfläche auftreffen könnte; unterstützt ein leitender Schild Induktionsströme, die gegen das auftreffende Feld handeln könnten. Leitende Schilde rund um die Außenseite von Induktoren und Transformatoren werden routinemäßig benutzt, um Streufelder zu verringern, welche andernfalls mit in der Nähe liegenden elektrischen Anordnungen koppeln könnten. Siehe, beispielsweise, Crepaz, Cerrino und Sommaruga, "Die Reduktion des elektromagnetischen Außenfeldes" erzeugt durch Reaktoren und Induktoren für Leistungselektronik" ICEM, 1986. Gebrauch von elektrischen Leitern und eines zylindrischen Leitungsrings als ein Mittel zum Reduzieren von Streufeldern in Induktionsheizgeräten werden jeweils beschrieben in Takeda, US-Patent 4.145.591 und Miyoshi & Omori "Reduktion von Induktionsfluss als Streufluss aus einem Induktionsheizbereich", IEEE Berichte über Industrieanwendungen, Bd. 1A-19, Nr. 4 Juli/August 1983. Britische Patentbeschreibung 990,418, veröffentlicht im April 28, 1965, zeigt, wie Leitschilde, welche eine Teilwindung rund um den Kern und die Wicklungen eines Transformators mit Schnittbandwicklungen bilden, können benutzt werden, um die Verteilung des Streufeldes in der Nähe von Kanten der Schnittbandwicklungen zu modifizieren und dabei Verluste zu reduzieren, die durch gegenseitige Beeinflussung des Streufeldes mit dem Strom in den Wicklungen verursacht sind. Persson, US-Patent 4.259.654 erreicht ein ähnliches Ergebnis durch Erweitern der Breite der Windung einer Schnittbandwicklung, die dem Magnetkern am nächsten ist.
Die Wirkungen von Leitschilden auf die Verteilung von elektrischen Feldern sind ebenfalls gut bekannt. In Transformatoren sind Leitbleche als "Faraday-Schilde" benutzt worden, um elektrostatisches Koppeln (d. h. kapazitatives Koppeln) zwischen primären und sekundären Wicklungen zu reduzieren.
US-A-4.156.862 offenbart ein elektrisches Induktionsgerät, wie z. B. einen Transformator mit einem nichtmagnetischen Flussschild, der aus Streifen von elektrisch hochleitendem Material besteht, das so angeordnet ist, um kontinuierliche Schleifen rund um Kernöffnungen eines magnetischen Dreiphasenkerns zu bilden, der aus Stapeln magnetischer Lamellen besteht. Für jede Phase ist eine elektrische Wicklungsanordnung mit mehreren Konduktorwindungen vorgesehen, die sich durch die Kernöffnungen von jeweils zwei Kernabschnitten jeder Phase erstrecken. Das Streuschild ist parallel zu den Lamellen des Magnetkerns angeordnet.
In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt dieser Erfindung ist ein Transformator mit einem gesteuerten Wert von Streuinduktivität vorgesehen, und zwar ein Magnetkern mit einem magnetischen Material, das so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife zu bilden, die mindestens zwei Beinabschnitte hat, welche an jedem Ende mit einem von zwei Beinabschnitten verbunden sind, um Induktionsfluss longitudinal in der Schleife zu führen, wobei der Magnetkern eine Oberfläche hat, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet wird und mindestens zwei Wicklungen aufweist, die die Abschnitte von mindestens einem der Beine des Magnetkerns umgeben, um Strom zu führen, der mit dem Induktionsfluss assoziiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Magnetkerns auf mindestens einem Teil der Basisabschnitte plattiert ist.
Diese Merkmale können sich auf Merkmale bevorzugter Ausführungsformen beziehen, wie sie in den begleitenden Zeichnungen erläutert und durch Bezugszeichen wie folgt identifizierbar sind:
Transformator mit einem gesteuerten Wert von Streuinduktivität mit einem Magnetkern (142; 530; 32, 34; 112, 114; 304; 710), der ein magnetisches Material aufweist, das so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife zu bilden, die mindestens zwei Beinabschnitte (712, 714, 716) hat, die an jedem Ende durch einen von zwei Basisabschnitten (718, 720) verbunden sind und Induktionsfluss longitudinal in der Schleife führt, wobei der Magnetkern eine Oberfläche hat, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet ist und mindestens zwei Wicklungen (532, 534; 40, 42; 122, 124; 722, 724, 726) hat, welche Abschnitte von mindestens einem der Beine des Magnetkerns umgeben, um Strom zu führen, der mit dem Induktionsfluss assoziiert ist; ein Metall, das auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Magnetkerns auf mindestens einem der Basisabschnitte plattiert ist.
In einem zweiten und alternativen Aspekt dieser Erfindung schlagen wir einen Transformator mit einem gesteuerten Wert von Streuinduktivität vor, umfassend einen Magnetkern mit einem magnetischen Material, das so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife zu bilden und einen Induktionsfluss longitudinal in der Schleife zu führen; einen Magnetkern mit einer Oberfläche, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet ist; und mindestens zwei Wicklungen hat, die die Abschnitte des Magnetkerns umgeben, um Strom zu führen, der mit dem Induktionsfluss assoziiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leitmedium vorgesehen ist, welches im wesentlichen alle Stellen entlang der Schleife, mit Ausnahme an Abschnitten, die von den Wicklungen umgeben sind, mindestens einen Teil des Magnetkerns umgibt.
Diese Merkmale können sich auf Merkmale bevorzugter Ausführungsformen beziehen, wie sie in den begleitenden Zeichnungen erläutert und durch Bezugszeichen wie folgt identifizierbar sind:
Transformator mit einem gesteuerten Wert von Streuinduktivität mit einem Magnetkern, der magnetisches Material (142; 530; 32, 34; 112, 114; 304; 710) enthält und so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife zu bilden und Induktionsfluss longitudinal in der Schleife zu führen; einen Magnetkern mit einer Oberfläche, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet wird und mindestens zwei Wicklungen (532, 534; 40, 42; 122, 124; 722, 724, 726) hat, die die Abschnitte des Magnetkerns umgeben, um Strom zu führen, der mit dem Induktionsfluss assoziiert ist; und ferner ein Leitmedium (32; 536, 538; 52, 54; 126; 302; 306, 308; 202a, 202b; 214; 222; 728, 730; 632) aufweist, das im wesentlichen alle Stellen entlang der Schleife, mit Ausnahme, von Abschnitten, die von den Wicklungen umgeben sind, mindestens einen Teil der Oberfläche des Magnetkerns umgibt.
Gemäss einem dritten alternativen Aspekt davon, schlägt die Erfindung einen Transformator mit einem gesteuerten Wert von Streuinduktivität vor, und hat einen Magnetkern mit einem magnetischen Material, das so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife zu bilden und einen Induktionsfluss longitudinal in der Schleife zu führen, wobei der Magnetkern eine Oberfläche hat, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet wird, und mindestens zwei Wicklungen hat, die die Abschnitte des Magnetkerns umgeben, um Strom zu führen, der mit dem Induktionsfluss assoziiert ist, gekennzeichnet durch eine Leitpfanne, die mindestens einen Teil der Oberfläche des Magnetkerns an einem Ende der Schleife abdeckt.
Diese Merkmale können sich auf Merkmale bevorzugter Ausführungsformen beziehen, wie sie in den begleitenden Zeichnungen erläutert und durch Bezugszeichen wie folgt identifizierbar sind:
Transformator mit einem gesteuerten Wert von Streuinduktivität mit einem Magnetkern, der ein magnetisches Material (32, 34) aufweist, das so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife zu bilden und Induktionsfluss longitudinal in der Schleife zu führen, wobei der Magnetkern eine Oberfläche hat, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet wird und mindestens zwei Wicklungen (40, 42) hat, die die Abschnitte des magnetischen Kerns umgeben, um Strom zu führen, der mit dem Induktionsfluss assoziiert ist und ferner einen Leitbecher (52, 54) aufweist, der mindestens einen Teil der Oberfläche des magnetischen Kerns an einem Ende der Schleife abdeckt.
Es wird vermerkt, dass die zuvor genannten Bezugszeichen repräsentativ für die Bezugszeichen sind, die in den Zeichnungen verwendet wurden, aber keine einschränkende Wirkung haben.
In einem vierten und weiteren Alternativaspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern der Streuinduktivität in einem Transformator vorgeschlagen, der einen Magnetkern hat, welcher von einem magnetischen Medium aufgebaut ist, um mindestens eine Schleife zu bilden und Abschnitte hat, die von mindestens zwei Wicklungen umgeben sind, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Induzieren eines Magnetflusses, um longitudinal in der Schleife zu fließen; dafür zu sorgen, dass ein Teil des Induktionsflusses von einer Oberfläche des Magnetkerns abgeleitet wird; Vorsehen eines Leitmediums, das im wesentlichen alle Stellen entlang der Schleife mit Ausnahme an Abschnitten, die von den Wicklungen umgeben sind, mindestens einen Teil der Oberfläche des Magnetkerns umgibt und Beschränken des Induktionsflusses von der Oberfläche des Magnetkerns mit dem Leitmedium.
Wie aus der detaillierten Beschreibung, insbesondere aus den bevorzugten Ausführungsformen der Transformatoren in Übereinstimmung mit den verschiedenen Aspekten dieser Erfindung ersichtlich ist, können erhöhte Kopplungskoeffizienten und reduzierte Streuinduktivitäten der Wicklungen des Transformators erreicht werden, während zur gleichen Zeit die Wicklungen längs des Kerns (d. h. längs eines magnetischen Mediums, das die Flussbahnen definiert), auf Abstand gehalten sind, um die sichere Isolierung der Wicklungen zu gewährleisten und um die Kosten und die Komplexität der Herstellung zu reduzieren.
Solche Transformatoren sind besonders in Hochfrequenz- Schaltungsumformern nützlich, wo Kosten der Herstellung verringert und die Streuinduktivitäten entweder sehr niedrig gehalten oder auf gesteuerte niedrige Werte eingestellt werden müssen, um so eine hohe Pegel-Umwandlungseffizienz aufrecht zu erhalten oder um bestimmte Konverter- Betriebsparameter zu regeln.
An Stellen entlang der Schleife, die nicht von den Wicklungen umgeben sind, umgibt ein elektrisch leitendes Medium mindestens einen Teil der Oberfläche des magnetischen Mediums. In einigen Ausführungsformen ist zusätzlich elektrisches Leitmaterial in der Nähe des Transformators in der Umgebung außerhalb des magnetischen Mediums und der Wicklungen vorgesehen.
Das Leitmedium ist so gestaltet, um eine vorgewählte Flussraumverteilung außerhalb des magnetischen Mediums zu bilden und ist so angeordnet, um die Bildung einer Kurzschlusswindung auszuschließen in Bezug auf Fluss, welcher die Wicklungen koppelt. In Übereinstimmung mit verschiedenen Aspekten der Erfindung kann ein Teil oder das gesamte Leitmedium aus Blech bestehen, das geformt ist, um auf einer Oberfläche des Magnetmediums zu liegen oder kann auf der Oberfläche des Magnetmediums plattiert sein oder kann eine Metallfolie sein, die über der Oberfläche des Magnetmediums gewickelt ist. Ein Teil oder das gesamte Leitmedium kann aus zwei oder mehreren Schichten des Leitmaterials bestehen. Ein Teil oder das gesamte Leitmedium kann aus Kupfer oder Silber oder aus einem Supraleiter oder aus einer Silberschicht bestehen, die über einer Schicht aus Kupfer plattiert ist.
Das Leitmedium kann Öffnungen aufweisen, die die Raumverteilung des Streuflusses steuern, der zwischen den Öffnungen durchfließt. Die Reluktanz der Bahn oder Bahnen kann zwischen den Öffnungen durch Einschieben eines magnetischen Mediums längs eines Teils der Bahn oder Bahnen reduziert werden. Ein zweites elektrisches Leitmedium kann einen Teil oder den gesamten Bereich zwischen den Öffnungen umschließen, wobei das zweite elektrische Leitmedium dazu dient, dass der Fluss für den Bereich, der vom zweiten Leitmedium umschlossen ist, begrenzt wird. Das zweite Leitmedium kann ein Hohlrohr bilden, das ein Paar Öffnungen verbindet, wobei das Hohlrohr so angeordnet ist, um die Bildung einer Kurzschlusswindung in Bezug auf den zwischen den Öffnungen fließenden Fluss auszuschließen.
Das Leitmedium kann ein leitendes Metallmuster oder mehrere aufweisen, die über der Oberfläche des magnetischen Mediums an im wesentlichen allen Stellen entlang der Flussbahnen, mit Ausnahme an den Wicklungen, angeordnet sind. Das Leitmedium kann die gesamte Fläche des magnetischen Mediums an Stellen umhüllen, die abseits von den Wicklungen liegen und so eine Kurzschlusswindung vermeiden.
Zusätzliche elektrische Leitbleche können in der Nähe des Transformators in der Umgebung außerhalb des magnetischen Mediums und der Wicklungen angeordnet sein. In einer solchen Anordnung liegen die Wicklungen und das magnetische Medium in einer ersten Fläche, und die Metallbleche liegen in Ebenen parallel zu der ersten Fläche. Die Metallbleche können eine oder mehrere Oberflächen eines Schaltungsumformers bilden, die die Hochfrequenzschaltung einschließt. In einigen Ausführungsformen kann anstelle von Blechen ein hohles, oben offenes Metallrohr vorgesehen sein.
Die Stärke des Leitmediums kann eine oder mehrere Eindringtiefen (oder drei oder mehrere Eindringtiefen) bei der Betriebsfrequenz sein. Der Bereich des magnetischen Mediums kann entweder einfach, doppelt oder mehrfach verbunden sein. Eine oder mehrere Flussbahnen können eine oder mehrere Spalten aufweisen. Das magnetische Medium kann durch Kombinieren von zwei oder mehreren (d. h. U-förmigen) magnetischen Kernstücken gebildet sein. Die Kernstücke können unterschiedliche Werte der magnetischen Permeabilität haben. Eine oder mehrere Wicklungen können einen oder mehrere Drähte (oder Leitband) aufweisen, die rund um die Flussbahnen (d. h. über der Oberfläche einer Hohlspule gewickelt sind, wobei jede Spule ein Segment des magnetischen Mediums längs der Flussbahnen umschließt).
In einigen Ausführungsformen umfasst in Übereinstimmung mit den besonderen Aspekten der Erfindung mindestens eine der Wicklungen Leitstrecken, die auf einem Substrat gebildet sind, um als einen Teil der Wicklung und Leiter zu dienen, die mit den Leitstrecken verbunden sind, um als einen weiteren Teil der Wicklung zu dienen, wobei die Leiter und die Leitstrecken verbunden sind, um als einen weiteren Teil der Wicklung zu dienen, wobei die Leiter elektrisch verbunden sind, um die Wicklung zu bilden. Mindestens einer der Leiter ist mit mindestens zwei der Leitstrecken verbunden. Das Substrat umfasst eine gedruckte Schaltungsplatte, und die Strecken der Oberfläche sind auf der Platte gebildet. Das magnetische Medium umfasst eine magnetische Kernstruktur, die von den Wicklungen eingeschlossen ist. Die magnetische Kernstruktur bildet Induktionsflussbahnen, die in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Substrats liegen.
In einigen Ausführungsformen umfasst gemäss einem Aspekt der Erfindung das Leitmedium elektrisch leitende Metallkappen, wobei jede Kappe über die geschlossenen Enden der Kernstücke eng einpassbar ist. Elektrisch leitende Bänder können so gestaltet sein, um im wesentlichen die gesamte Oberfläche des magnetischen Bereichs an Stellen abzudecken, die nicht durch das erste Leitmedium abgedeckt sind, wobei die Bänder so ausgebildet sind, um die Bildung einer Kurzschlusswindung mit Bezug auf Fluss auszuschließen, die die Wicklungen verkoppelt, wobei die Bänder auch so gestaltet sind, um das Ausfließen von Fluss aus den Oberflächen zu beschränken, die durch die Bänder bei der Betriebsfrequenz abgedeckt sind.
Andere Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden Beschreibung deutlich.
Wir beschreiben zuerst kurz die Zeichnungen.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht eines herkömmlichen Zweiwicklungs-Transformators.
Fig. 2 ist ein lineares Schaltmodell eines Zweiwicklungs- Transformators.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht von Flusslinien in der Nähe eines Kernstückes.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht von induzierten Stromschleifen in der Nähe eines Kernstückes, das mit einem Leitmedium bedeckt ist.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht von Leitblechen, die in der Umgebung außerhalb des magnetischen Mediums und der Wicklungen angeordnet sind.
Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm einer Schaltungsumformer-Schaltung mit einem Transformator gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7A und 7B zeigen jeweils eine teilweise perspektivische Explosionsansicht eines Transformators und eine teilweise weggebrochene Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Transformators von Fig. 7A, die ein Leitband enthält.
Fig. 8 zeigt die gemessene Variation der primärbezogenen Streuinduktivität mit der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung als eine Funktion von Frequenz für den in Fig. 7 gezeigten Transformator, beide mit und ohne die Leitkappen.
Fig. 9 ist eine Draufsicht auf einen Transformator, teilweise weggebrochen.
Fig. 10 ist eine Seitenansicht des Transformators von Fig. 9, teilweise weggebrochen.
Fig. 11 zeigt ein einstückiges Leitmedium, das über einem Teil eines Magnetkerns angebracht ist und eine kontinuierliche Bahn zeigt, durch welche induzierte Ströme innerhalb des Leitmediums fließen können.
Fig. 12 zeigt ein Leitmedium, gebildet von zwei symmetrischen Leitstücken, die durch einen Spalt getrennt und über einen Teil eines Magnetkerns angebracht sind.
Fig. 13 zeigt ein Beispiel eines Induktionsstroms, der längs einer Bahn im Leitmedium von Fig. 11 fließt.
Fig. 14 zeigt zwei Induktionsströme, die längs Bahnen in den beiden Teilen fließen, die das Leitmedium von Fig. 12 bilden, das im wesentlichen den gleichen Flussbegrenzungseffekt erzeugt, als dasjenige, das durch den in Fig. 13 dargestellten Induktionsstrom verursacht wird.
Fig. 15A bis 15C zeigen die Wirkungen von Spalten in einem Leitmedium über die Verluste, die mit dem Fluss von Induktionsströmen im Leitmedium assoziiert sind.
Fig. 16 bis 18 zeigen Verfahren zum Verhüllen eines Teils eines magnetischen Kerns.
Fig. 19 ist eine Seitenschnittansicht eines DC-DC- Konvertermoduls, das die räumlichen Beziehungen zwischen dem Kern und den Wicklungen eines Transformators und einer leitenden Metallabdeckung zeigt.
Fig. 20 zeigt einen Transformator mit einem Kern und Wicklungen, die zwischen einem Leitmedium mit parallelen Leitplatten und den Wirkungen verschiedener Anordnungen des Leitmediums auf der primärbezogenen Streuinduktivität geschaltet sind.
Fig. 21 zeigt einen Transformator mit einem Kern und Wicklungen, die innerhalb eines Leitmediums eingeschlossen sind, wobei das Leitmedium ein leitendes Metallrohr aufweist und die Wirkungen verschiedener Anordnungen des Leitmediums auf die primärbezogene Streuinduktivität zeigen.
Fig. 22 zeigt einen Transformator mit mehrfach verbundenem Kern, der Flussbahnen mit zwei Schleifen bildet.
Fig. 23 zeigt ein Leitmedium, das zwei Schichten aus verschiedenen Leitmaterialien aufweist.
Fig. 24 ist eine perspektivische Ansicht eines Metallstückes.
Fig. 25 ist eine Draufsicht auf einen weiteren Transformator.
Fig. 26 zeigt einen Weg zur Benutzung eines Hohlrohrs, das zwischen einem Paar von Öffnungen an beiden Enden des Leitmediums verbunden ist, das einen Schleifenkern als ein Mittel zur Begrenzung von Streufluss für das Innere des Rohrs abdeckt.
Fig. 27 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten Transformators, der mit Wicklungen gebaut ist, die aus Konduktoren und Leitstrecken gebildet sind.
Fig. 28A und 28B zeigen ein Beispiel eines Transformators gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, die von der Wicklungsstruktur in Fig. 27 Gebrauch macht.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Transformators mit zwei Wicklungen. Der Transformator umfasst ein magnetisches Medium 18 mit einer Permeabilität ur (die größer als die Permeabilität ue der Umgebung außerhalb des magnetischen Mediums ist) und zwei Wicklungen hat, nämlich eine Primärwicklung 12 mit N1 Windungen und eine Sekundärwicklung 14 mit N2 Windungen. Beide Wicklungen umschließen das magnetische Medium. Einige Linien des Induktionsflusses sind mit Streufluss in den Wicklungen assoziiert und als gestrichelte Linien in der Zeichnung dargestellt. Etwas Fluss verkettet beide Wicklungen (z. B. Flusslinien 16) und einige tun es nicht (z. B. Flusslinien 20, 22, 23, 24 und 26). Fluss, welcher beide Wicklungen verkettet, wird als gegenseitiger Fluss bezeichnet. Fluss, welcher eine Wicklung verkettet, nicht aber die andere verkettet, wird als Streufluss bezeichnet Daher können die Flusslinien in Fig. 1. in drei Kategorien getrennt werden: Linien von gegenseitigem Fluss, fm, die beide Wicklungen verketten (z. B. Linie 16); Linien von Streufluss, die mit der Primärwicklung assoziiert sind, f11 (z. B. Linien 20, 22 und 23); und Linien von Streufluss, der mit der Sekundärwicklung assoziiert ist, f12 (z. B. Linien 24 und 26). Der gesamte Fluss, der die Primärwicklung verkettet, ist daher f1 = f11 + fm, und der gesamte Fluss, der die Sekundärwicklung verkettet, ist f2 = f12 + fm. Das Ausmaß, mit dem Fluss in einer Wicklung erzeugt wird, verkettet die andere und ist normalerweise charakterisiert durch Definieren eines Kopplungskoeffizienten für jede Wicklung:
wo die Änderungen im Fluss, df1 und dfm1, allein auf Änderungen im Strom 11 beruhen, der in der Primärwicklung fließt und
k2 = df/df&sub2; m2 = d(f&sub2; - f&sub1;&sub2;) = 1 - df&sub1;&sub2;/df&sub2; (2)
wo die Änderungen im Fluss, df2 und dfm2, allein auf Änderungen im Strom 12 beruhen, der in der Sekundärwicklung fließt.
Streufluss ist nur eine Funktion des Stroms in einer Wicklung, während gegenseitiger Fluss eine Funktion der Ströme in beiden Wicklungen ist. Wicklungsspannung, in Übereinstimmung mit dem Faraday-Gesetz ist proportional dem Zeitänderungsverhältnis des Gesamtflusses, der die Wicklung verkettet. Die Spannung quer über die eine oder andere Wicklung ist daher sowohl auf das Zeitänderungsverhältnis des Stromes in der Wicklung selbst als auch auf das Zeitänderungsverhältnis des Stromes in der anderen Wicklung bezogen. Von einem Schaltungsstandpunkt aus betrachtet, sind die wechselseitigen Abhängigkeiten zwischen den Wicklungsspannungen und Strömen konventionell moduliert durch Benutzung von getrennt vorkommenden Induktivitäten, welche, unter Bezug auf Bruttoänderungen im Fluss zu Änderungen im Wicklungsstrom führt und ein Mittel zu direktem Assoziieren der Wicklungsspannungen liefert. Fig. 2 zeigt ein solches lineares Schaltungsmodell 70 für die beiden Wicklungs- Transformatoren von Fig. 1 (siehe zum Beispiel, Hunt & Stein, "Statische Elektromagnetische Einrichtungen", Allyn & Bacon, Boston, 1963, Seiten 114-137). Das Schaltungsmodell, (welches Wicklungs- und Intrawicklungskapazitäten) vernachlässigt, umfasst eine primäre Streuinduktivität 72 mit dem Wert
L11 = N1 df&sub1;&sub1;/di&sub1; (3)
welche die Änderungen im Gesamtprimär-Streufluss als Antwort auf Änderungen im Primärwicklungsstrom 11 berücksichtigt sowie eine Sekundär-Streuinduktivität 74, mit dem Wert
L12 = N2 df&sub1;&sub2;/di&sub2; (4)
welche die Änderungen im Gesamt-Sekundär-Streufluss als Antwort auf Änderungen im Sekundär-Wicklungsstrom 12 berücksichtigt; ein "idealer Transformator" 78 mit einem Windungsverhältnis von a = N1/N2 ist, das die Wirkungen des Windungsverhältnisses auf die primären und sekundären Spannungen und Ströme und für die elektrische Isolation zwischen Wicklungen berücksichtigt; eine primär bezogene Magnetisierungs-Induktivität 76, mit Wert aM, wo M die gegenseitige Induktivität des Transformators ist; berücksichtigt die Gesamtänderung im gegenseitigen Fluss, der eine Wicklung als ein Ergebnis einer Stromänderung in der anderen berücksichtigt; und Widerstände Rp 77 und Rs 79, die den Ohmschen Widerstand der Wicklungen berücksichtigt, weil der gegenseitige Fluss beide Wicklungen verkettet, muss eine gleiche Änderung in den Ampere-Windungen in jeder der Wicklung eine gleiche Änderung im gegenseitigen Fluss erzeugen. Daher ist
dfm/d(N1i1) = dfm/d(N2i2) (5)
und
M = N1 dfm/di2 = dfm/di1 (6)
Daher sind die Beziehungen zwischen den Wicklungsströmen und Spannungen, wie durch das Schaltungsmodell von Fig. 2 vorausgesagt:
v1 - i1R1 = L1 di&sub1;/dt + M = di&sub2;/dt (7)
v2 - i2R2 = L2 di&sub2;/dt + M = di&sub1;/dt (8)
wo L1 bzw. L2 die gesamten Primär- und Sekundärselbstinduktivitäten sind:
L1 = L11 + a.M (9)
L2 = L12 + M/a (10)
und es kann gezeigt werden, dass diese Beziehungen beständig in dem Bestreben sind, wie durch die Prinzipien der elektromagnetischen Induktion vorausgesagt ist. Mit Bezug auf Gleichungen 1 bis 6 können die Kopplungskoeffizienten als Transformatorinduktivitäten ausgedrückt werden:
K1 = 1 - L11/L1 (11)
und
K2 = 1 - L12/L2 (12)
In den meisten Transformator-Anwendungen, und insbesondere im Fall von Transformatoren, die beim Schalten von Umformern benutzt werden, sind sowohl die relativen als auch die absoluten Werte von Transformator-Induktivitäten von Wichtigkeit. In herkömmlichen PWM-Umformern ist es erwünscht, die Streuinduktivitäten sehr niedrig und die Magnetisierungs- Induktivitäten hoch zu halten. In Nullstrom- Schaltungsumformern sind eine hohe Magnetisierungs- Induktivität zusammen mit gesteuerten und vorhersagbaren Werten von Streuinduktivitäten erwünscht. Für einen herkömmlichen Transformator von der in Fig. 1 gezeigten Art sind gegenseitige Induktivität (und daher Magnetisierungsinduktivität), Streuinduktivitäten und Kopplungskoeffizienten sowohl von der physikalischen Anwendung als auch von der elektromagnetischen Charakteristik der Bestandteile abhängig. Zum Beispiel nimmt durch Erhöhen der Permeabilität des magnetischen Mediums 18 die gegenseitige und Magnetisierungsinduktivität zu, hat aber viel weniger Wirkung auf die Streuinduktivität (weil einige oder alle Bahnlängen der gesamten Streuflusslinien in der unteren Permeabilitätsumgebung außerhalb der magnetischen Medien liegen). Daher wird durch Erhöhen der Permeabilität des magnetischen Mediums die Kopplung verbessert und die Magnetisierungs-Induktivität erhöht, hat aber eine viel zu geringe Wirkung auf die Werte der Streuinduktivitäten. Wenn jedoch die Wicklungen 12, 14 enger aneinander bewegt werden oder sich überlappen, dann können Flusslinien, die sonst einen Teil des Streufeldes jeder Wicklung bilden, in gegenseitigen Fluss, der beide Wicklungen koppelt, "umgewandelt" werden. Auf diese Weise wird das Verhältnis von Streufluss zu gegenseitigem Fluss herabgesetzt, was zu einer Reduktion in den Werten der Streuinduktivitäten und zu einer Verbesserung in Kopplungskoeffizienten führt. Umgekehrt führt eine weitere Trennung der Wicklungen durch beispielsweises Erhöhen der Länge der magnetischen Medien, die die Wicklungen koppelt, was zu einem erhöhten Streufluss und einer Erhöhung der Streuinduktivität, aber zu geringerem Koppeln und herabgesetzter Magnetisierungsinduktivität (wegen einer längeren gegenseitigen Flussbahnlänge) führt. Im allgemeinen sind dann in herkömmlichen Transformatoren die Streuinduktivitätswerte abhängig von der Nähe der Wicklungen, und erhöhte Wicklungstrennung ist unbeständig mit niedrigen Werten der Streuinduktivität und höheren Werten des Kopplungskoeffizienten.
Es gibt jedoch Nachteile, die eng mit beabstandeten Wicklungen assoziiert sind. Beim Schalten von Umformern übersetzen zum Beispiel engere Abstände zwischen Wicklungen in reduzierte Wicklungs-Zusammenbruch-Nennspannungen und erhöhte Wicklungskapazitäten. Diese Nachteile werden problematischer, wenn die Schaltungsfrequenz erhöht ist, da für einen gegebenen Leistungspegel (z. B. bei Durchlaufleistung in PWM-DC-DC-Umformern oder Schaltungsverstärkern, Leistungsdurchlauf in Nullstrom- Schaltungsumformern) der Betrieb bei höheren Frequenzen normalerweise selbst niedrigere Werte von Streuinduktivitäten verlangt. Daher wird es bei höheren Schaltungsfrequenzen (z. B. über 100 kHz) bei Benutzung bekannter Konstruktionen schwieriger, ausreichend niedrigere Werte von Streuinduktivität vorzusehen, um passende Pegel von Wicklungs-Spannungsisolation und niedrigere Werte von Wicklungskapazität aufrecht zu erhalten.
Die vorliegende Erfindung hat sich aus unserer Arbeit ergeben, mit der wir gleichzeitig Vorschlagen, (a) getrennte Wicklungen als ein Mittel für eine höhere Durchschlagsspannung und eine niedrige Wicklungskapazität vorzusehen; (b) Erreichen sehr niedriger oder gesteuerter Werte von Streuinduktivitäten und
(c) Aufrechterhalten hoher Werte von Kopplungskoeffizienten. Diese Attribute sind von besonderem Wert in
Schaltungsumformern, die bei relativ hohen Frequenzen (z. B., über 100 kHz) arbeiten.
Anstelle die räumliche Beziehung zwischen Wicklungen zur Erreichung einer maximalen Flussverkettung, wie im folgenden erklärt, zu justieren, benutzen unsere Transformatoren ein Leitmedium, um Flussverkettung durch selektives Steuern der räumlichen Flussverteilung in Bereichen außerhalb des magnetischen Mediums zu erhöhen. Wenn das Leitmedium eine geeignete Stärke (wie im folgenden diskutiert) hat, dann wird es bei einer gewünschten Transformator-Betriebsfrequenz oder darüber eine Grenze definieren, die Streufluss effizient enthält und unterdrückt und den Kopplungskoeffizienten des Transformators erhöht. So zeigt zum Beispiel Fig. 3 einen Teil von geschlossener Magnetkernstruktur 142, die nicht mit einem Leitmedium abgedeckt ist. Linien von zeitvariierendem Fluss 144, 150, 152, 154, 156, 158 (erzeugen, zum Beispiel, durch Stromfluss in Wicklungen auf zwei Beinen des Kerns, welche wegen Deutlichkeit nicht gezeigt sind), sind außerhalb des Kerns grob verteilt. Flusslinien 152 und 154 sind Linien von gegenseitigem Fluss (d. h. sie würden beide Wicklungen verketten), welche Bahnen folgen, die teilweise innerhalb des Kerns und teilweise außerhalb des Kerns sind. Flusslinien 144, 150, 156 und 158 sind Linien von Streufluss (d. h. sie würden nur eine der Wicklungen verketten) Fig. 4 zeigt den Kern 142, der in einem Leitmedium untergebracht ist und ein Leitblech aufweist, das über der Oberfläche des Kerns, gebildet ist. Ein Spalt 140 hindert das Blech daran, als eine "Kurzschlusswindung" bei zeitvariierendem Fluss zu erscheinen, welche innerhalb des magnetischen Mediums geführt ist. In diesen Bereichen des Kerns, welche durch das Leitblech bedeckt sind, wird Emanation von Fluss aus dem Kern in eine Richtung orthogonal zur Oberfläche des Leitbleches durch Induktionsströme entgegenwirken (z. B. 170, 172), die im Leitmedium fließen.
In der Ausführungsform von Fig. 4, wo das Leitmedium auf der Oberfläche des Magnetmediums liegt, kann das Leitmedium Fluss enthalten und Fluss unterdrücken; der sonst den Bahnen folgt, die teilweise innerhalb und teilweise außerhalb des magnetischen Mediums liegen. Mit Bezug auf Fig. 1 liegen bestimmte Flussverkettungsbahnen jedoch ganz außerhalb des magnetischen Mediums (z. B. in Fig. 1 die Flusslinien 22 und 26).
In einem weiteren Transformator, der schematisch in Fig. 5 gezeigt ist, ist das Leitmedium so angeordnet, dass es Fluss enthält und unterdrückt, der aus den Oberflächen des magnetischen Mediums ausströmt, wie auch Fluss hat, der den Bahnen außerhalb des magnetischen Mediums folgt. In der Figur ist ein Transformator 662 mit getrennten Wicklungen vorgesehen, der zusätzliche Bleche 664, 666 von elektrisch leitendem Material enthält. Ausströmen von Fluss aus dem Kern oder den Wicklungen in einer Richtung orthogonal zur Oberfläche der Leitbleche wird durch Induktionsströme (z. B. 670, 672) entgegengewirkt, die in den Leitblechen fließen. Im allgemeinen können die Ausführungsformen von Fig. 4 und 5 kombiniert werden: Flussunterdrückung und Beschränkung können erreicht werden durch Kombinieren leitender Medien, welche auf der Oberfläche des magnetischen Mediums mit zusätzlichen Leitmedien liegen, die in der Nähe von oder in der Umgebung außerhalb des magnetischen Mediums und den Wicklungen lokalisiert sind. Beim Handeln zum Begrenzen und Unterdrücken von Streufluss innerhalb von Bereichen, die durch die Leitmedien begrenzt sind, besteht die Wirkung von Leitmedien darin, bei geeigneter Leitfähigkeit und Stärke, die Streuinduktivität herabzusetzen und die Kopplungskoeffizienten zu erhöhen. Daher, eher die Wicklungsnähe als ein Mittel zum Verketten von Fluss einzustellen, der aus den magnetischen Medien ausströmt (und welcher sonstwie zum Streufeld beitragen würde), macht sich ein solcher Transformator leitende Medien zu Nutze, um Grenzen außerhalb des magnetischen Mediums und den Wicklungen zu definieren, innerhalb denen Streufluss begrenzt und unterdrückt ist. Die räumliche Verteilung von Streufeldern in Transformatoren mit begrenzten Wicklungen kann technisch dadurch begrenzt werden, indem Streuinduktivität gesteuert oder verringert wird, und zwar im wesentlichen unabhängig von der Wicklungsnähe.
Fig. 6 zeigt schematisch ein Beispiel einer Schaltungs- Umformerschaltung, die eine Ausführungsform eines Transformators gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält. Die Schaltungs-Umformerschaltung, die in der Figur gezeigt ist, ist eine Vorwärts-Umformerschaltung bei Nullstrom, die, wie in Vinciarelli US-Patent 4.415.959 beschrieben ist, arbeitet. In der Figur umfasst der Umformer einen Schalter 502, einen Transformator 504 (zur Klarheit sind beide Teile schematische Konstruktionsansichten 504A, teilweise aus dem gezeigten Transformator weggeschnitten als ein schematisches Schaltungsdiagramm 504B, welches die Polarität der Wicklungen besser zeigt); ferner eine erste, einseitig gerichtete Leiteinrichtung 506; einen ersten Kondensator 508 mit Wert C1; eine zweite, einseitig gerichtete Leiteinrichtung 510; einen Ausgabeinduktor 512; einen zweiten Kondensator 514 und einen Schaltungskontroller 516. Die Konvertereingabe ist mit einer Eingabespannungsquelle 518 mit Wert Vin; und einer Spannungsausgabe Vo des Konverters verbunden und einer Last 520 zugeführt. Der Transformator 504A umfasst ein magnetisches Medium 530, getrennte Primär-532 und Sekundärwicklungen 534 und ein Leitmedium. Teile des Leitmediums 536, 538 liegen auf der Oberfläche des magnetischen Mediums, mit Ausnahme an Abschnitten des magnetischen Mediums, wo sich die Wicklungen 532, 534 befinden. (Ein Teil des Leitmediums 536 ist teilweise weggeschnitten, um das darunter liegende magnetische Medium zu zeigen). Andere zusätzliche Teile des Leitmediums 539, 540 befinden sich in der Nähe von, aber in der Umgebung außerhalb des magnetischen Mediums und der Wicklungen (wobei das Leitmedium 540 aus Gründen der Deutlichkeit weggeschnitten ist). Der Transformator ist durch ein Verhältnis von Primär- zu Sekundärwindungen, N1/N2 = a, Primär- zu Sekundär- Kopplungskoeffizienten k1 bzw. k2, wobei beide nahe dem Einheitswert liegen; eine Primär-Streuinduktivität mit Wert L11 und eine Sekundär-Streuinduktivität mit Wert L12 gekennzeichnet. Die sekundärbezogene äquivalente Streuinduktivität des Transformators ist etwa gleich Le = L12 + (L11/a²). Bei Betrieb verursacht Schließen des Schalters durch den Schaltungskontroller 516 (zu Zeiten von Nullstromfluss im Schalter 502), dass der Schaltungsstrom Ip(t) (und als ein Ergebnis, dass der Strom 15(t) in der Sekundärwicklung und der ersten Diode) fließt, um während einer Energieübertragungsphase mit einer charakteristischen Zeitskala pi.sgrt(Le.C1) zu steigen oder zu fallen. Wenn der Schaltungsstrom auf Null zurückgeht, öffnet der Schaltungskontroller den Schalter. Die pulsierende Spannung quer über den ersten Kondensator wird durch den Ausgabeinduktor und den zweiten Induktor gefiltert, welcher im wesentlichen DC-Spannung, Vo, quer zur Last erzeugt. Der Schaltungskontroller vergleicht die Lastspannung Vo, mit einer Bezugsspannung, die indikativ zu einem gewünschten Wert der Umformer-Ausgangsspannung und welcher im Schaltungskontroller enthalten ist, aber nicht in der Figur gezeigt ist und justiert die Schaltungsfrequent (d. h. das Verhältnis, bei dem der Schalter geschlossen und geöffnet ist). Wie in Vinciarelli, US-Patent 4.44.959) angegebene ist, wird (a) die Konvertereffizienz verbessert, wenn sich die Kopplungskoeffizienten des Transformators der Einheit nähern; und (b) ein gesteuerter Wert von Le ist eine Determinante sowohl zum Einstellen der maximalen Konverter-Ausgangs- Nennleistung als auch die Konverter Ausgabe-Frequenz und (c) verringern des Wertes von Le entspricht den erhöhten Werten sowohl der maximalen zulässigen Konverter-Ausgangsleistung und der Konverter-Betriebsfrequenz. Sowohl die Hochkopplungs- Koeffizienten (d. h., die sich der Einheit nähern) wie auch gesteuerte niedrige Werte von Steuerinduktivitäten sind daher wünschenswert in solch einem Umformer. Traditionell sind bekannte Transformator-Konstruktionen (d. h. überlagerte Wicklungen) benutzt worden, um diese Kombination von Transformatorparametern zu erreichen. Jedoch sind, verglichen mit Transformator-Konstruktionen, die getrennte Wicklungen von bekannten Konstruktionen benutzen, komplexer, haben höhere Wicklungskapazitäten und erfordern viel mehr komplexe Zwischenwicklungs-Isoliersysteme, um angemessene und sichere Werte von Primär- zu Sekundär-Zündspannungsleistungen zu gewährleisten.
Die Wirksamkeit des Leitmediums in irgendeiner gegebenen Anordnung hängt von seiner Leitfähigkeit und Stärke ab. Die Stärke des Leitmediums ist gewählt, um sicherzustellen, dass das Leitmedium als eine effektive Schranke für Fluss bei oder über der Betriebsfrequenz des Transformators handeln kann, und in dieser Hinsicht ist das Verdienstmaß die Eindringtiefe des leitenden Materials bei Frequenzen von Interesse:
wo d die Eindringtiefe in Metern ist, o der spezifische Widerstand des Materials in Ohmmetern, ur die relative Permeabilität des Materials und f die Frequenz in Hertz ist. Die Eindringtiefe ist ein Hinweis für die Tiefe der induzierten Stromverteilung (und für die Eindringtiefe des Flussfeldes) in der Nähe der Oberfläche des Materials (siehe, zum Beispiel, Jackson, "Klassische Elektrodynamik", 2. Ausgabe, John Wiley und Söhne, Kopierrecht 1975 pp. 298, 335 - 339). Für ein perfekt leitendes Medium (d. h. ein Material, für das gilt p = 0, beispielsweise ein "Supraleiter"), Eindringtiefe ist Null, und induzierte Ströme können in Leitmedien in einem Bereich von Nulltiefe ohne Verlust fliessen. Unter diesen Umständen kann es weder einen Fluss innerhalb noch ausserhalb des Leitmediums geben, der orthogonal zur Oberfläche steht. Für begrenzten elektrischen Widerstand nimmt die Tiefe der induzierten Stromverteilung in der Nähe der Oberfläche des Materials zu und mit der Frequenz ab. Im allgemeinen wird der Gebrauch von hochleitendem Material (d. h. Silber, Kupfer) bevorzugt, um sowohl die Eindringtiefe zu verringern als auch Verluste mit induziertem Stromfluss zu verkleinern. Die Stärke des leitenden Mediums und das Ausmaß, mit dem es das magnetische Medium verhüllt, wird jedoch von der Anmeldung abhängen. Ein Leitmedium mit einer Stärke von größer als oder gleich drei Hauttiefen bei der Betriebsfrequenz des Transformators (z. B. bei niedrigster Frequenz, die mit dem Frequenzspektrum der Stromwellenformen in den Wicklungen assoziiert ist), wird im wesentlichen für Fluss imprägnierbar sein, und solch ein Leitmedium, das im wesentlichen die gesamte Oberfläche des magnetischen Mediums verhüllt, würde angemessen sein, wo eine Minimum- Streuinduktivität erwünscht ist (z. B. in einem Transformator mit niedriger Streulnduktivität zum Gebrauch in PWM- Umformern). Für Kupfer mit einem spezifischen Widerstand von 3.10&supmin;&sup8; Ohmmeter entsprechen drei Hauttiefen 0.26 mm (10.3 10&supmin;³ Zoll) bei 1 MHz; 0.52 mm (0.021 Zoll) bei 250 kHz; 0.83 mm (0.033 Zoll) bei 100 kHz; 1.9 mm (0.073 Zoll) bei 20 kHz; und 33.8 mm (1.33 Zoll) bei 60 Hz. Leitende Medien, welche dünner als drei Hauttiefen bei der Transformator- Betriebsfrequenz sind, und welche nur einen Teil der Oberfläche des magnetischen Mediums abdecken, können auch eine bedeutende Flussbegrenzung und Reduktion von Streuinduktivität vorsehen und, im allgemeinen, kann ein gesteuerter Anteil von Streuinduktivität oft durch Benutzung entweder eines relativ dünnen Leitmediums (d. h. eine Hauttiefe bei der Transformator-Betriebsfrequenz), die einen angemessenen Prozentanteil der Oberfläche des Magnetmediums abdeckt oder durch Gebrauch eines dickeren Leitmediums (z. B. drei oder mehr Hauttiefen), das einen kleineren Prozentanteil abdeckt, erreicht werden. Im allgemeinen werden dickere Überzüge, die kleinere Bereiche abdecken, bevorzugt, weil Verluste, die mit Fluss von induzierten Strömen im Leitmedium assoziiert sind, niedriger im dickeren Medium sind.
Unter Bezug auf Fig. 7 ist in einem Beispiel in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Transformator mit einer gesteuerten Streuinduktivität beispielsweise zum Gebrauch in einem Nullstrom- Schaltungsumformer gezeigt, der eine Magnetkernstruktur mit zwei identischen Kernstücken 32, 34 aufweist. Zwei plastische Spulen 36, 38 halten primäre und sekundäre Wicklungen 40, 42. Die Enden der Wicklungen sind an Klemmen 44, 46, 48, 50 angeschlossen. Zwei Kupferleitkappen 52, 54 (gebildet durch Schneiden, Biegen und Löten mit hochleitendem Kupferblech) sind gleitend auf die Kerne in den Bereichen der Kerne aufsetzbar, die nicht von Wicklungen umgeben sind, um das Leitmedium zu bilden. Für den gezeigten Transformator beträgt die Entfernung zwischen den Enden der passenden Kernhälften 1.1 Zoll (2.794 cm). Die Außenbreite der Kernstücke ist 0.88 Zoll (2.2352 cm).
Die Höhe der Kernstücke ist 0.26 Zoll (0.6604 cm), und der Kernquerschnittsbereich ist im wesentlichen gleichbleibend mit 0.078 in m² (0.503 cm²). Der Kern besteht aus Typ-R- Material, hergestellt von Magnetics, Inc., Butler, Pennsylvania. Die beiden Kupferkappen sind 0.005 Zoll (0.0127 cm) stark und passen gut sitzend über die Enden der Kernstücke. Die Länge jeder Kappe ist 0.31 Zoll (0.7874 cm). Die primäre Wicklung hat 20 Windungen von 1 · 18 · 40 Litzendraht, und die sekundäre umfasst 6 Windungen von 3 · 18 x 40 Litzendraht. Primäre und sekundäre Wicklung DC- Widerstände sind Rpri = 0.17 Ohm bzw. Rsec = 0.010 Ohm. Ohne die Kappen am Ort ist die gemessene gesamte Primär- Induktivität des Transformators, mit dem sekundären offenen Stromkreis (d. h. die Summe der primären Streuinduktivität und die Magnetisierungs-Induktivität), war im wesentlichen konstant und gleich 450 microHenries zwischen 1 kHz und 500 kHz, ansteigend bis 500 microHenries bei 1 MHz, entsprechend dem Spitzenwert des Permeabilitätswertes des Materials in der Nähe der Frequenz. Mit den Kappen war die gesamte primäre Induktivität des Transformators, mit dem sekundären offenen Stromkreis wieder im wesentlichen konstant und gleich 440 microHenries zwischen 1 kHz und 500 kHz, steigend bis 490 microHenries bei 1 MHz, wieder gemäss dem Spitzenwert des Permeabilitätswertes des Materials in der Nähe der Frequenz. Messungen von Transformator-Primärinduktivität mit der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung, Lps, wurden zwischen 1 kHz und 1 MHz genommen, beide mit und ohne die Rappen am Ort, wobei die Ergebnisse in der Fig. 8 gezeigt sind. In der Figur ist Lps1 die Induktivität für den Transformator ohne die Kappen; Lps 2 ist die Induktivität für den Transformator mit den Kappen. Bei Frequenzen über wenige Kilohertz dominieren induktive Effekte (d. h. die induktiven Impedanzen sind relativ gross in Vergleich mit den Wicklungswiderständen), und aufgrund der relativ grossen Werte der Magnetisierungsinduktivität sind die gemessenen Werte von Lps 1 und Lps 2 mit Bezug auf Fig. 2 im wesentlichen gleich der Summe der primärbezogenen Werte der beiden Streuinduktivitäten, Lps = L11 + a²L12. Lps kann daher als primärbezogene Streuinduktivität bezeichnet werden. Für den Transformator ohne die Kappen ist die primärbezogene Streuinduktivität im wesentlichen konstant über dem Frequenzbereich, während für den Transformator mit den Kappen, nimmt die primärbezogene Streuinduktivität schnell ab und ist im wesentlichen konstant über etwa 250 kHz (bei der die Frequenz der Stärke der Kappen mit etwa einer Hauttiefe entspricht und auf einen Wert von etwa 14 microHenries konvergiert (eine 55%ige Reduktion verglichen mit dem Transformator ohne die Kappen). Die Wicklungskapazität des Transformators (d. h. die gemessene Kapazität zwischen den primären und sekundären Wicklungen) wurde gemessen und mit 0.56 picoFarads festgestellt.
Unter Bezug auf Fig. 9 und 10 ist in einem weiteren Beispiel ein Transformator 110 mit niedriger Streuinduktivität gemäss einem Aspekt dieser Erfindung, z. B. in einem PWM-Umformer vorgeschlagen, der eine magnetische Kernstruktur mit zwei U- förmig geformten Kernstücken 112, 114 enthält, die sich an Grenzflächen 116 treffen. Zwei Kupfergehäuse 12E, 128 sind über den U-förmig geformten Kernen gebildet. Wie in Fig. 9 gezeigt ist, sind diese gerade an der Grenzfläche 116, wo die Kernstücke zusammenkommen, voneinander getrennt. Jedes Kupfergehäuse enthält einen schmalen Spalt 140 (der Ort ist durch einen Pfeil angezeigt, aber in den Figuren nicht sichtbar), die die Kupfergehäuse daran hindern, als Kurzschlusswindungen relativ zum Fluss zwischen den beiden Wicklungen zu erscheinen. (Im Sowjet-Patent 620805 bilden Perepechki & Federow eine "geöffnete Windung, die mit einem magnetischen Schaltkreis bündig ist" und als ein Mittel zur Durchführung von Konduktivitätsmessungen dient, die auf der magnetischen Schildwirkung eines Leitmaterials beruhen. In der Britischen Patentbeschreibung 990.418 sind offene Windungen benutzt, um die Verteilung des Streufeldes in der Nähe der Kanten der bandgewickelten Wicklungen zu modifizieren und dabei Verluste durch Wechselwirkung des Streufeldes mit dem Strom in den Wicklungen zu reduzieren. Beide Hohlspulen 118,120 sind mit Draht bewickelt, um primäre und sekundäre Wicklungen 122, 124 zu bilden, die Seite an Seite angeordnet sind, und die U-förmigen Kerne liegen entlang mit Leithäusern innerhalb der Löcher der Spulen, um einen geschlossenen Kreis zu bilden, der die Wicklung verdoppelt. Somit bedeckt Transformator von Fig. 9 und 10 im wesentlichen die gesamte Fläche des magnetischen Kerns an Stellen entlang der Schleife, mit Ausnahme an den Wicklungen und das meiste von der Kernfläche innerhalb der Wicklungen.
Als weiteres Beispiel innerhalb des Bereiches dieser Erfindung ist die Wirkung von im wesentlichen komplett verhüllten Bereichen des magnetischen Kerns gezeigt, wo sich die Wicklungen befinden, wie auch Bereiche abseits von den Wicklungen mit einem leitenden Metallgehäuse, einem Transformator von der in Fig. 7 gezeigten Art, mit den Abmessungen, Kernmaterialien und der zuvor beschriebenen Wicklungskonfiguration, wurde modifiziert durch (a) Ersetzen der Kupferkappen mit einem 0.0075 Zoll (0.1905 cm) dicken Kupferüberzug, der direkt auf die Kernstücke plattiert wurde, indem ein elektrodenfreies Plattierverfahren benutzt wurde, wobei die gleiche Form und Abmessungen, wie sie die zuvor zitierten Kupferkappen hatten, beschrieben wurden, und (b) Hinzufügen von 0.005 Zoll (0.0127 cm) starken Kupferbändern unterhalb der Wicklungsspulen. Wie in Fig. 7B gezeigt ist, die eine weggebrochene Ansicht des Transformators mit einem sichtbaren Band 53 darstellt, wobei die Bänder, die sich unter den Wicklungen erstrecken (nicht gezeigt in Fig. 7B), von der Kante einer Kupferkappe 52 bis zur Kante der anderen 54, wo sie rund um die Beine jedes Kernstückes 32, 34 gewickelt sind und dabei einen schmalen Spalt 55 hinterlassen (etwa 0.030 Zoll - 0.0762 cm - breit) längs der Innenfläche des Kerns, um die Bildung einer Kurzschlusswindung zu vermeiden. Ohne die Kupferkappen oder Bänder sind die Werte der gesamten Primärinduktivität und der primärbezogenen Streuinduktivität zitiert. Jedoch wurde mit den Kappen und Bändern am Ort der gemessene Wert der primärbezogenen Induktivität auf 5.6 microHenries bei 1 MHz (einer Reduktion von 82%) reduziert.
Die Wicklungskapazität für diesen Transformator wurde gemessen und mit 0.64 picoFarad festgestellt.
Für Vergleichszwecke wurde ein bekannter Transformator konstruiert, um im wesentlichen den gleichen Wert der primärbezogenen Streuinduktivität, wie beim beschriebenen Transformator im vorhergehenden Paragraphen zu zeigen. Der bekannte Transformator wurde konstruiert, indem die gleichen Kernstücke und die gleiche Primärwicklung, wie in den vorhergehenden Beispielen angegeben, benutzt wurde, aber anstelle der separaten Wicklungen wurde die Sekundärwicklung auf den Kopf der Primärwicklung gelegt, und der radiale Abstand zwischen den Wicklungen wurde justiert; auf etwa 0.030 Zoll - 0.0762 cm -), um den gewünschten Wert der primärbezogenen Induktivität zu erreichen. Die primärbezogene Streuinduktivität des bekannten Transformators wurde mit darübergelegten Wicklungen konstruiert und betrug 5.31 microHenries bei 1 MHz, und die Wicklungskapazität war 4.7 picoFarad. Daher hatte für einen vergleichbaren Wert der Streuinduktivität die Ausführungsform des Transformators gemäss der vorliegenden Erfindung einen mehr als siebenfachen Wert der Reduktion in der Wicklungskapazität und eine signifikant größere Kapazität in der Zusammenbruchspannung wegen seiner getrennten Wicklungen.
In Transformator-Ausführungsformen in Übereinstimmung mit Aspekten dieser Erfindung ist das Leitmedium über die Oberfläche des magnetischen Mediums gelegt, und es ist wünschenswert, dass das Leitmedium so angeordnet ist, dass es (a) die Oberflächen der magnetischen Medien verhüllt, aus denen andernfalls die Masse des Streuflusses ausströmen würde, (b) keine Kurzschlusswindung mit Bezug auf gegenseitigen Fluss bildet und (c) Verluste, die mit dem Fluss von induzierten Strömen im Leitmedium assoziiert sind, verringert werden. Oberflächen des magnetischen Mediums, durch welche die Majorität des Streuflusses erwartet werden kann, hängt von der speziellen Konfiguration des Transformators ab. Zum Beispiel wird für einen Transformator, wie in der Fig. 7, aber ohne die Leitkappen 52, 54, die Masse des Streuflusses aus den nach außen zeigenden Oberflächen des Magnetkerns und ein viel kleinerer Anteil von Fluss zwischen den einander gegenüberstehenden Innenflächen 56 der Kernstücke ausströmen. Daher führt für eine der in Fig. 7 gezeigten Transformatorart, bei der die nach außen zeigenden Flächen mit einem Leitmedium bedeckt sind, zur Abriegelung der Mehrheit des Streuflusses. Jedoch kann die physikalische Anordnung des Leitmediums nicht willkürlich gewählt werden, da der Fluss von Induktionsströmen im Leitmedium zu Leistungsverlust im Medium führt und sich der relative Anteil dieses Verlustes für verschiedene Anordnungen des Mediums unterscheidet. Zum Beispiel zeigen Fig. 11 und 12 zwei mögliche Wege zum Anordnen eines Leitmediums, um die nach außen zeigenden Flächen eines Kernstückes 304 abzudecken. In Fig. 11 liegt das Leitmedium 302 über der gesamten Außenfläche am Ende des Kernstückes, ähnlich der im Transformator von Fig. 7 benutzten Kappe. In Fig. 12 bedeckt das Leitmedium im wesentlichen auch die gesamte Außenfläche am Ende des Kernstückes, aber anstelle als kontinuierliches Einzelstück ausgebildet zu sein, ist es aus zwei symmetrischen Teilen 306, 308 gebildet, welche durch einen sehr schmalen Spalt 310 getrennt sind. Weder das Leitmedium in Fig. 11 noch dasjenige in Fig. 12 bildet eine Kurzschlusswindung mit Bezug auf gegenseitigen Fluss. Da die Leitmedien in beiden Figuren im wesentlichen alle nach außen zeigenden Flächen am Ende des Kernstückes abdecken, kann erwartet werden, eine ähnliche Wirkung in Bezug auf den enthaltenden Streufluss zu haben (d. h. jedes Leitmedium würde eine im wesentlichen ähnliche Wirkung zum Reduzieren von Streuinduktivität haben). Jedoch, eine gleiche Flussabschirmung beinhaltet im wesentlichen äquivalente Verteilungen von Induktionsstrom in jedem Leitmedium, und damit dies so ist, werden Ströme entlang Bahnen im Leitmedium von Fig. 12 fließen, das nicht im Leitmedium von Fig. 11 fließt. Zum Beispiel betrachte man einen Induktionsstrom, der längs der Bahn A im Leitmedium von Fig. 11 fließt. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, (die einen Strom zeigt, der in der Bahn A fließt, wenn man das Leitmedium von oben betrachtet), kann dieser Strom kontinuierlich entlang der Front von 312, den Seiten 314, 318 und der Rückseite 316 des Mediums fließen. Wegen der Anwesenheit des Spaltes im Zeitmedium von Fig. 12 kann jedoch eine ununterbrochene Schleife von Strom nicht entlang einer ähnlichen Bahn fließen. Anstelle fließt ein Schleifenstrom in jedem Teil des Leitmediums, wie in Fig. 14 gezeigt ist (welche Ströme darstellt, die in den beiden Teilen des Leitmediums von Fig. 12 fließen, wie von oben dargestellt ist). Da der Spalt schmal ist, tendieren die magnetischen Wirkungen der Ströme, die in entgegengesetzten Richtungen entlang der Kanten des Spaltes 320, 322 fließen, dazu, sich zu annullieren, und der Nettoflussabschirmungseffekt der beiden Stromschleifen in Fig. 14 hat im wesentlichen den gleichen Effekt, wie die Einzelschleife von Fig. 13. Jedoch erzeugen die Ströme, die entlang der Kante des Spaltes (320, 322 von Fig. 14) fließen, Verluste im Leitmedium von Fig. 12, die nicht im Leitmedium von Fig. 11 vorhanden sind. Dann wird im allgemeinen die Anordnung des Leitmediums von Fig. 11 effizienter sein (d. h. geringere Verluste zeigen) als diejenige von Fig. 12, weil für äquivalente Stromverteilungen die Anwesenheit des Spaltes im Leitmedium von Fig. 12 Anlass für einen Stromfluss und Verluste entlang der Kanten des Spaltes gibt, die nicht im Leitmedium von Fig. 11 existieren.
Um die Wirkung von unterbrechenden Strombahnen im Leitmedium eines Transformators gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zu zeigen, wurde ein Transformator von der in Fig. 7 dargestellten Art mit den Dimensionen, dem Kernmaterial und der Wicklungskonfiguration, wie vorher zitiert, durch Ersetzen der Kupferkappen mit einer 0.009 Zoll (0.02286 cm) starken Schicht aus Kupferband modifiziert, das aber sonst gleiche Form und Abmessungen der Kupferkappen, wie vorher zitiert, hatte. Die primärbezogene Streuimpedanz (d. h. die äquivalente Serieninduktivität und der Serienwiderstand, gemessen an der Primärwicklung mit der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung), wurde bei einer Frequenz von 1 MHz unter drei verschiedenen Bedingungen (siehe Fig. 15) gemessen: mit keinem Leitmedium am Ort; mit einem voll intakten Leitmedium am Ort; mit einem kontinuierlichen schmalen Spalt (etwa .010 Zoll - 0.0254 cm - breit, geschnitten entlang der Seiten und oben auf den Leitmedien an beiden Enden des Transformators (Fig. 15A); und mit beiden Enden des letzteren Spalts und mit Spalten, die in beiden Leitmedien entlang dem Zentrum jeder Fläche des Kerns (Fig. 15B) senkrecht geschnitten sind. Der äquivalente Serienwiderstand ohne die Leitmedien am Ort kann als eine Basislinie betrachtet werden, die indikativ für Verluste in den Wicklungen (wegen des Wicklungswiderstandes, einschließlich Eindringtiefe-Effekt in den Wicklungen selbst) und im Kern steht. Die Zunahme im Widerstand für Einheiten mit Leitmedien am Ort, beruht auf der Anwesenheit der Medien selbst. Wie in Fig. 15C gezeigt ist, hat eine Zunahme in dem Ausmaß, bei dem die Spalten Leitbahnen innerhalb der Medien unterbrechen, eine relativ kleine Wirkung auf die Streuinduktivität, jedoch ist die Wirkung auf den äquivalenten Serienwiderstand sehr bedeutend. Im allgemeinen kann dann für einen gewünschten Anteil von Flussbegrenzung die Wirksamkeit des Transformators durch Anordnung des Leitmediums optimiert werden, so dass es (a) diese Flächen des magnetischen Mediums bedeckt, von denen die Mehrheit des Streuflusses andernfalls ausströmen würde (ohne Bildung einer Kurzschlusswindung mit Bezug auf den gegenseitigen Fluss), und (b) ein ununterbrochenes Leitblech quer über diese Oberflächen bildet.
In Fällen, in denen minimale Streuinduktivitäten angestrebt sind (z. B. in einem Transformator mit einer niedrigen Streuinduktivität zur Verwendung in einem PMW-Umformer) ist es wünschenswert, das magnetische Medium mit leitendem Material ganz zu umhüllen, in der Längsrichtung der Schleife und dabei die Bildung einer Kurzschlusswindung mit Bezug auf den Fluss, der die Wicklungen koppelt, zu vermeiden. Zum Beispiel sind in Fig. 16, die eine Schnittansicht eines leitend überzogenen Kernstückes zeigt, zwei Kupfergehäuse 202a, 202b vorgesehen, die über dem magnetischen Kernmedium 200 überlagert (oder plattiert) sind. Spalten 208 trennen die beiden Kupfergehäuse. Zwei Kupferstreifen 206a, 206b bedecken die Spalten, wobei einer der Streifen 206b elektrisch mit den Kupfergehäusen verbunden ist und einer der Streuen 206a von den Gehäusen durch einen eingelagerten Streifen aus Isoliermaterial 204 elektrisch isoliert ist. Ein Kupferband mit einem isolierenden Selbstkleber könnte anstelle von trennenden Kupfer- und Isolierstreifen als eine Isolierverstärkung benutzt werden. Ein weiteres Verfahren, gezeigt in Fig. 17, benutzt eine Schicht aus Kupfer 214 und eine Schicht aus Isoliermaterial 216, um den magnetischen Kern 210 um seine Longitudinalrichtung komplett zu verhüllen. Das Isoliermaterial hindert Kupfer daran, dass es eine Kurzschlusswindung in dem Bereich bildet, in welchem sich die Schichten überlappen. In Fig. 18 ist ein Band 222 gezeigt, das aus einer Schicht von mit Klebstoff überzogenem Kupfer 226 besteht und eine Schicht aus Isoliermaterial 224 enthält, die rund um einen magnetischen Kern 220 gewickelt ist. Mit Bezug auf die Diskussion im vorhergehenden Paragraphen verringert die Verwendung eines relativ breiten Bandes Verluste, die mit der Unterbrechung einer optimalen Stromverteilung in einem Leitmedium assoziiert sind, das auf diese Weise gebildet ist. Diese und andere Verfahren, die ein oder mehrere Muster aus leitendem Material verwenden, können benutzt werden, um leitende Überzüge zu bilden, die eine Flussbegrenzung innerhalb des magnetischen Kerns maximieren (oder einen Teil davon), ohne dabei Kurzschlusswindungen zu schaffen.
Die zuvor beschriebenen Transformator-Ausführungsformen haben ein Leitmedium, das direkt auf die Oberfläche des magnetischen Mediums gelegt ist. In anderen Ausführungsformen kann ein zusätzliches Leitmedium in Form von Leitblechen vorgesehen sein, die in der Umgebung angeordnet sind, welche das magnetische Medium und die Wicklungen umgeben (wie z. B schematisch in Fig. 5 gezeigt ist). In einer wichtigen Anwendungskategorie, z. B. im modularen DC-DC- Schaltungsumformern, kann der Transformator schon in der Nähe einer relativ stark leitenden Grundplatte isolisiert sein, die eine der Oberflächen des abgedichteten Umformers bildet.
Fig. 19 zeigt eine geschnittene Seitenansicht eines Konvertermoduls, in dem der Kern 902 und die Wicklungen 904, 906 eines Transformators in einer Ebene liegen, die parallel zu einer Metallgrundplatte 908 liegt und die Oberseite der Einheit bildet. Der Transformator ist auf einer gedruckten Schaltungsplatte 910 angebracht, die andere elektronische Komponenten enthält und ein nichtleitendes Gehäuse 912 den Rest der Einheit umgibt. Die Wirkungen, auf eine primärbezogene Streuimpedanz von parallel leitenden Blechen in der Umgebung eines Transformators von der in Fig. 7A gezeigten Art (hat die gleichen Dimensionen, Materialien und Wicklungen) und die Wirkungen von parallelen Blechen in Kombination mit leitenden Medien, die auf den magnetischen Medien liegen, sind in Fig. 20 gezeigt. Wie in der Figur gezeigt ist, wurden Messungen an der primärbezogenen Streuinduktivität bei einer Frequenz von 1 MHz unter vier verschiedenen Bedingungen durchgeführt, nämlich mit einem nichtleitenden Medium in der Nähe des Transformators (welcher in Fig. 20 als eine Stirnansicht der Wicklungen 904, 906 und als Magnetkern 902 und ohne irgendwelche Kupferkappen (d. h. 52, 54, Fig. 7A) über den Enden des Magnetkerns erscheint, wobei der Transformator auf der Oberfläche einer flachen Platte 914 zentriert ist, die aus einer 6063 Aluminiumlegierung hergestellt ist (mit r = 3.8 · 10&supmin;&sup8; Ohmmeter, gemessen 2.4" · 4.6" · 0.125" (6.096 cm · 11.684 cm · 0.3175 cm) und ohne die Kupferkappen über den Enden des Magnetkerns; mit dem Transformator ohne die Kupferkappen über den Enden des Magnetkerns, zentriert auf der zitierten Aluminiumplatte und mit einem Stück von 0.005" (0.0127 cm) starkem Weichkupferblech 916, auf Größe gebracht, zum Überhängen der Peripherie des Transformators bei etwa 0.25" (0.635 cm) entlang jeder Seite, plaziert über der entgegengesetzten Seite des Transformators, im wesentlichen parallel mit der Aluminiumplatte; und in der letzteren Konfiguration, aber mit den Kupferkappen (nicht in der Figur gezeigt) von der zuvor beschriebenen Art und daher in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, addiert zu beiden Enden des magnetischen Kerns des- Transformators (d. h. wie in Fig. 7A gezeigt). Wie in der Tabelle in Fig. 20 gezeigt ist, reduziert die Aluminiumplatte die primärbezogene Streuinduktivität um etwa 30% mit geringer Wirkung auf den äquivalenten Serienwiderstand; und die Kombination der beiden parallelen Bleche aus Aluminium und Kupfer erzeugt eine größere Reduktion als 50% in der primärbezogenen Streuinduktivität (vergleichbar mit den Wirkungen der Kupferkappen allein, wie in Fig. 8 gezeigt) mit einer relativ kleineren Zunahme im äquivalenten Serienwiderstand; aber die Kombination von parallelen Blechen und Kupferkappen reduziert die primärbezogene Streuinduktivität um mehr als 72%, wieder mit einer relativ kleineren Zunahme im äquivalenten Serienwiderstand in der Ausführungsform in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Vergleich der äquivalenten Serienimpedanz von drei Fällen - der Transformator von Fig. 7A mit nur den Kupferkappen über den Enden des Kerns, und daher in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; der in Fig. 15C beschriebene Transformator mit dem ungespaltenen Leitband über den Enden des Kerns, und daher auch in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung; und der Transformator von Fig. 20 mit gerade zwei parallelen Blechen - zeigt, dass alle drei Konfigurationen ähnliche Werte der Streuinduktivität bei 1 MHz haben, nämlich 14.0 microHenry, 15.3 microHenry bzw. 14.5 microHenry. Jedoch sind die gemessenen Werte des äquivalenten Serienwiderstandes für die drei Transformatoren bei 1 MHz 2.38 Ohm, 2.98 Ohm und 1.44 Ohm. Für weiteren Vergleich wird die primärbezogene Streuinduktivität eines Transformators mit gesteuerter Streuinduktivität in einem Produktionsmodell eines Umformermoduls der in Fig. 19 gezeigten Art benutzt, der mit bedeckten Wicklungen gebaut ist, und innerhalb eines Paares passende Topfkerne hat und im wesentlichen das gleiche Volumen des in Fig. 7A gezeigten Transformators hat, was auch bei 1 MHz gemessen wurde. Die primärbezogene Streuinduktivität betrug 10 microHenry und der äquivalente Serienwiderstand hatte 2.2 Ohm. Ein Vergleich der relativen Werte der äquivalenten Serienwiderstände zeigte an, dass während (a) ein Transformator ein magnetisches Medium aufweist, das getrennte Wicklungen koppelt und ein Leitmedium hat, welches in der Umgebung außerhalb der getrennten Wicklungen und des magnetischen Mediums angeordnet ist, kann eine bedeutende Reduktion in der primärbezogenen Streuinduktivität mit relativ kleinem Qualitätsverlust in der Transformatorleistung erzeugt werden (d. h. dass der Prozentanteil der Leistung, die von einer Quelle bis zu einer Last über den Transformator übertragen wurde, wobei der Unterschied als Wärme im Transformator zerstreut ist) und dass (b) solch ein Transformator mit Leitmedien über der Oberfläche des magnetischen Mediums gebildet ist (und daher in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist) und zusätzliche Leitmedien außerhalb, aber in der Nähe des Transformators eine bessere Effizienz zeigen, und daher gibt es niedrigere Verluste als bei einem vergleichsweise bekannten Transformator, der bedeckte Wicklungen oder einen Transformator hat, der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung steht, die nur Leitmedien benutzt, welche über der Oberfläche der magnetischen Medien gebildet ist.
Ein weiteres Beispiel eines Leitmediums, das in der Umgebung außerhalb des magnetischen Mediums und der Wicklungen angeordnet ist, ist in Fig. 21 gezeigt. In der Figur hat ein in der Fig. 7A gezeigter Transformator (d. h. mit den gleichen Abmessungen, Materialien und Wicklungen und welcher in Fig. 21 als eine Stirnansicht der Wicklungen 904, 906 und des magnetischen Kerns) erscheint, ist von einem Ovalrohr 920 umgeben, das aus 0.010" (0.254 cm) starkem Kupfer hergestellt ist. Die Innendimensionen des ovalen Kupferrohrs sind 1.25" · 0.5" (3.175 cm · 1.27 cm), und die Länge des Rohres ist 1.25" (3.175 cm). Die Enden des Rohres sind offen. In der Figur sind die Werte der primärbezogenen Streuinduktivität und des äquivalenten Serienwiderstandes für drei verschiedene Bedingungen gezeigt: mit keinem Leitmedium in der Nähe des Transformators und mit keinen Kupferkappen über den Enden des Magnetkerns; mit dem Kupferrohr, das den Transformator umgibt, aber ohne die Kupferkappen; und mit dem Kupferrohr, das den Transformator umgibt und mit den Kupferkappen über beiden Enden des Magnetkerns. Wie die Figur zeigt, ist (a) die primärbezogene Streuinduktivität um mehr als 78% reduziert; (b) in keinem Fall ist dort eine signifikante Zunahme im äquivalenten Serienwiderstand und (c) ist der äquivalente Serienwiderstand relativ niedrig.
Das aktuelle magnetische Medium und Leitmedium können irgendeinen weiten Bereich von Konfigurationen haben, um nützliche Betriebsparameter zu erreichen. Das magnetische Medium kann in einer Vielfalt von Konfigurationen gebildet sein (d. h. im mathematischen Sinn könnte die Domäne des magnetischen Mediums entweder einfach, doppelt oder mehrfach verbunden sein), wobei die beiden Wicklungen durch eine gewählte Distanz getrennt sind, um die gewünschten Pegel der Wicklungskapazität und Isolierung zu erreichen. Zum Beispiel bilden die in dem Transformator von Fig. 7 und 9 benutzten Magnetkerne eine Einzelschleife (d. h. die Domäne des magnetischen Mediums ist in diesem Transformatoren doppelt verbunden). Als Beispiel hat ein Transformator in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein magnetisches Medium, das zwei Schleifen aufweist, (d. h. in welchem der Bereich des magnetischen Mediums mehrfach verbunden ist) und in Fig. 22 gezeigt ist. In der Figur umfasst der Magnetkern 710 ein Kopfglied 718 und ein Bodenglied 720, die durch drei Beine 712, 714, 716 verbunden sind. Die drei Beine sind von Wicklungen 722, 724, 726 umschlossen. Leitmedien 728, 730 sind über dem Kopf bzw. Bodengliedern des Kerns gebildet und ein Teil vor jedem der Beine. Spalten in den Leitmedien (nicht in der Figur gezeigt) verhindern die Bildung von kurzgeschlossenen Windungen mit Bezug auf gegenseitigen Fluss, der die Wicklungen koppelt.
Eine Schleife im magnetischen Medium 710 ist durch das linke Bein 712, das Zentralbein 714 und die äussersten Teile des Kopfes und die Bodenglieder 718, 720 gebildet. Eine zweite Schleife im magnetischen Medium 710 ist durch das Zentralbein 714, das rechte Bein 716 und die äußersten Rechtsteile des Kopfes und die Bodenglieder 718, 720 gebildet.
Das Leitmedium kann in irgendeinem weiten Musterbereich angeordnet sein, um den Ort, die Raumkonfiguration und den Anteil des Transformatorstreuflusses zu steuern. An einem Extrem kann das gesamte magnetische Medium von einem relativ starken (z. B. drei oder mehrere Hauttiefen bei der Transformator-Betriebsfrequenz) Leitmedium umhüllt sein, das über der Oberfläche des magnetischen Mediums gebildet ist, und die Streuinduktivität kann um 75% oder mehr reduziert sein. Da eine angemessene starke Leitumhüllung, die über einem Magnetkern mit relativ hoher Permeabilität gebildet ist, wird in erster Linie im wesentlichen den zeitvariierenden Fluss von der Oberfläche des Magnetkerns eliminieren, wobei die Reduktion in der Streuinduktivität im wesentlichen unabhängig von der Länge der gegenseitigen Flussbahn ist (d. h. die Länge des Kerns), welcher die Wicklungen verkettet. Beim Betätigen als eine "Flussleitung" über der magnetischen Bahn, welche die Wicklungen verkettet, wird im wesentlichen ein vollständiger Überzug des Leitmaterials ermöglicht, so dass sehr weit beabstandete Wicklungen beständig sind, indem niedrige Werte der Streuinduktivität aufrechterhalten werden. Sehr niedrige Werte der Streuinduktivität können auch erreicht werden, durch angemessene Anordnung der Leitmedien in der Umgebung außerhalb des magnetischen Mediums und der Wicklungen in Wicklungen in Kombination mit Leitmedien, die auf der Oberfläche des magnetischen Mediums gebildet sind. In anderen Bauweisen kann eine selektive Anwendung von Mustern des Leitmediums, das über der Oberfläche des magnetischen Mediums gebildet ist, benutzt werden, um bevorzugte Raumverteilungen von Streufluss und gesteuerten Anteilen von Streuinduktivität realisiert werden. Durch diese Einrichtung können Reduktionen in der Streuinduktivität um 25% oder mehr erreicht werden. Daher ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Konstruktion sowohl mit niedriger Streuinduktivität als auch mit gesteuerter Streuinduktivität.
Das Leitmedium kann irgendeine Abart von Materialien sein, z. B. Kupfer oder Silber. Gebrauch von "Supraleitern" (d. h. Materialien mit Nullwiderstand) für das Leitmedium könnte eine bedeutende Reduktion in Streuinduktivitäten ohne Zunahme an Verlusten aufgrund von fließenden Induktionsströmen sein. Das Leitmedium kann auch aus Materialschichten mit verschiedenen Konduktivitäten gebildet sein. Zum Beispiel, unter Bezug auf Fig. 23, die einen Querschnitt von einem Teil eines Leitmediums 802 zeigt, und magnetisches Medium 804 bedeckt, wobei das Leitmedium aus zwei Materialschichten 806, 808 besteht. Zum Beispiel kann das Material 808, das dem Kern am nächsten liegt, eine Schicht aus Silber sein. Die andere Schicht kann Kupfer sein. Da die Leitfähigkeit von Silber höher als die von Kupfer ist, kann ein auf diese Weise gebildetes Leitmedium reduzierte Verluste bei höheren Frequenzen haben (wo Hauttiefen flacher sind) als ein Leitmedium, das ganz aus Kupfer gefertigt ist.
Da ein Transformator mit getrennten Wicklungen (z. B. auf getrennten Spulen gewickelt ist) normalerweise gebaut werden kann, indem größere Drähte als bei einem äquivalenten Transformator mit der gleichen Größe verwendet werden, indem verschachtelte oder koaxiale Wicklungen benutzt werden; und da geeignete Anordnungen von Leitmedien Streuinduktivitäten reduzieren können, während niedrige Werte von äquivalentem Serienwiderstand aufrechterhalten werden, können Ausführungsformen eines Transformators in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruiert werden, um höhere Effizienz (d. h. geringere Verluste bei einem gegebenen Betriebsleistungspegel) als bei äquivalenten bekannten Transformatoren. Da eine verbesserte Effizienz zu niedrigeren Betriebstemperaturen bei einem gegebenen Betriebsleistungspegel führt, und da getrennte Wicklungen ein besseres thermisches Koppeln mit der Umgebung zeigt, können Ausführungsformen eines Transformators, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung gebaut sind, für eine gegebene maximale Betriebstemperatur benutzt werden, um mehr Leistung als bei einem bekannten Transformator zu erhalten.
Unter Bezug auf Fig. 24 kann jedes der Metallstücke 126, 128 in einem Transformator der Fig. 9 und 10 benutzt werden und auch eine Öffnung 134 enthalten. Die Anordnung der Öffnungen wurde gewählt, um zu ermöglichen, dass Streufluss von der Innenfläche des Kerns auf einer Seite des Transformators zur Innenfläche des Kerns auf die andere Seite des Transformators in einer Richtung parallel zu den Wicklungsspulen fließen kann. Um geschlossene Leitbahnen in den Metallstücken (z. B. Bahn B in der Figur, die sich rund um die gesamte Peripherie des Stückes erstreckt), am Erscheinen als eine Kurzschlusswindung für den Streufluss zu hindern, der aus der Öffnung 134 ausströmt und, Spalten (z. B. Spalten 136) können in Bereichen des Leitmediums in der Nähe der Öffnung benötigt werden. Die Öffnungsgrößen und der Ort der Spalten sind so gewählt, um den relativen Anteil des Streuflusses zu steuern, der die Öffnungen durchquert und daher beide, die Streuinduktivität und den Kopplungskoeffizienten des Transformators betrifft. Beide, die Form und die Abmessungen der Metallstücke und die Größe der Öffnung und die Spalten können variiert werden, um mehr oder weniger vom Kern abzudecken.
Unter Bezug auf Fig. 25 könnte das magnetische Kernmaterial im Bereich der Öffnungen gegeneinander verlängert: angebracht werden, und jeder halbe Kern würde wie eine "E"-Form erscheinen. Da die Länge der Kernerstreckungen 160, 162 vergrößert ist und die Spalte zwischen den Enden der Erstreckungen, verringert ist, erhöht sich die Strominduktivität. In der Wirkung ist der magnetische Widerstand der Bahn zwischen den Öffnungen durch Erhöhen der Permeabilität der Bahn reduziert, durch welche der Streufluss fließt und dabei die äquivalente Serieninduktivität erhöht, die durch die Bahn präsentiert ist. Das Leitmedium zwingt im wesentlichen den Streufluss in die Bahn zwischen den Kernverlängerungen, wobei die Kerninduktivität im wesentlichen durch die Geometrie der Streubahn bestimmt ist. Um den Fluss zu zwingen, dass er zwischen den Öffnungen zu einem fixierten Bereich fließt und im wesentlichen das "Flussstreuen" zwischen den Öffnungen eliminiert, können Paare von Öffnungen durch ein hohles Leitrohr verbunden sein, wie in Fig. 26 gezeigt ist. In der Figur ist der Magnetkern 142 mit einem Leitgehäuse 132 bedeckt. Anstelle jedoch einfache Öffnungen vorzusehen, damit Linien von Streufluss 144, 156 zwischen den Wicklungen (nicht in der Figur gezeigt) hindurchfließen können, wird ein hohles Leitrohr 250 benutzt, um die Öffnungen an jedem Ende des Schleifenkerns zu verbinden. Ein Spalt 260 in dem Rohr hindert das Rohr daran, als Kurzschlusswindung für den Streufluss zu erscheinen. Das Rohr kann auch konstruiert werden, um seinen Innenbereich vollkommen zu verhüllen, ohne als eine Kurzschlusswindung in Bezug auf den Streufluss im Rohr zu erscheinen und dabei eine breite Vielfalt von Techniken zu benutzen, von denen einige bereits beschrieben wurden. Auch kann die Reluktanz der Bahn, gefolgt durch den Fluss im Innern des Rohrs durch Verlängerung eines Teils des magnetischen Kernbereichs in dem Bereich verringert werden, wo das Rohr die Gehäuse verbindet (d. h. durch Benutzung der Kernverlängerungen 160, 162 der in Fig. 25 gezeigten Art). Im allgemeinen gibt es eine große Vielfalt von Anordnungen der magnetischen Medien und Leitrohre, die zwischen Paaren von Öffnungen benutzt werden können, um beide, die Reduktanz der Streuflussbahn und die Verteilung von Fluss zu ändern. Zum Beispiel gibt es, anstelle das magnetische Medium durch die Öffnungen (d. h. wie in Fig. 25) zu verlängern, einen anderen Weg, um die Reluktanz der Streuflussbahn zu verringern und ein separates Stück von Magnetkernmaterial zwischen einem Paar oder Paaren von Öffnungen einzustellen. Wo ein Leitrohr benutzt wird, könnte ein Abschnitt des magnetischen Materials innerhalb eines Rohrteiles zwischen den Öffnungen plaziert werden.
In den vorhergehenden Beispielen wurden die Transformatorwicklungen aus Draht gebildet, die über den Spulen gewickelt wurden. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können jedoch in Transformatoren verwirklicht werden, welche andere Arten von Wicklungsstrukturen haben. Zum Beispiel könnten die Wicklungen bandgewickelt oder aus Konduktoren, und Leitbahnen gebildet sein, wie sie in Vinciarelli "Elektromagnetische Wicklungen, gebildet aus Konduktoren und Gleitbahnen", beschrieben sind, US- Patentanmeldung 07/598/896, eingereicht am 16. Oktober 1990 und entsprechend der europäischen Patentanmeldung 0481755. Fig. 27 zeigt einen Transformator 410 mit Wicklungen, in denen die Sekundärwicklung 416 des Transformators aus gedruckten Verdrahtungsbahnen 430, 432, 434... besteht, die oben auf ein Substrat 412 gelegt ist (d. h. auf eine gedruckte Schaltungsplatte) und auf Konduktoren 424, 426, 428 vorgesehen sind, die elektrisch mit den gedruckten Bedrahtungsbahnen an Kissen (d. h. Kissen 435, 437) und den Bahnenden verbunden sind. Die primäre Wicklung 414 ist ähnlich den Konduktoren 436, 438, 440... und gedruckten Bedrahtungsbahnen gebildet, wobei die Bahnen auf der anderen Seite des Substrats abgelagert sind und die Kissen oben auf dem Substrat (zum Beispiel Kissen 442, 444, 446) über leitende Löcher (zum Beispiel Löcher 448, 450, 452...) verbunden sind. Die primären und sekundären Konduktoren sind bedeckt und durch ein Isolierblech 470 getrennt und von einem Magnetkern umgeben, wobei der Kern aus zwei Kernstücken 420, 422 gebildet ist.
Ein Grund zum Bedecken der Wicklungen in dem Transformator gemäss Fig. 27 besteht darin, die Streuinduktivität zu verringern. Bei Gebrauch der vorliegenden Erfindung können jedoch Transformatoren konstruiert werden, welche (a) die Vorteile der in Fig. 27 gezeigten Wicklungsstruktur verkörpern und (b) auch die Vorteile von getrennten Wicklungen vorsehen und eine niedrige Streuinduktivität zeigen. Ein solcher Transformator ist in Fig. 28A und 28B gezeigt. In Fig. 28A ist ein gedrucktes Verdrahtungsmuster gezeigt, welches einen Satz aus fünf gedruckten Primärbahnen 604 aufweist, die in Kissen 607 enden; ferner einen Satz aus sieben gedruckten Sekundärbahnen 610 aufweist, die in Kissen 611 enden und Primär- und Sekundär-Eingabe-Anschlusskissen 602, 608 haben. In Fig. 28B ist ein Transformator gezeigt, der durch Bedecken des gedruckten Verdrahtungsmusters aus einem Magnetkern 630 konstruiert ist und dann den Magnetkern mit elektrisch leitenden Gliedern 620 bedeckt, die elektrisch mit Kissensätzen 607, 611 auf jeder Seite des Kerns verbunden sind. Die primäre Windung ist für zwei solche Glieder gezeigt, welche in Kombination mit den gedruckten Leitbahnen zwei primäre Windungen bilden; die sekundäre Windung benutzt drei Leitbahnglieder, um drei sekundäre Windungen zu bilden. Leitende Stecker 622 verbinden die Enden der Wicklungen mit ihren jeweiligen Eingabe-Anschlusskissen 602, 608. Teile des Kerns 630 sind an Stellen längs der Schleife des Kerns, mit Ausnahme jener, die von Wicklungen bedeckt sind, mit einem leitenden Medium (z. B. leitende Überzüge 632 auf beiden Enden des Kerns in Fig. 28B bedeckt, indem irgendeines von den zuvor beschriebenen Verfahren benutzt wird. Das Leitmedium ermöglicht das Trennen der Wicklungen, während niedrige oder gesteuerte Werte der Streuinduktivität zur Führung auf rechterhalten werden. Auch durch Vorsehen getrennter Wicklungen können alle gedruckten Bahnen für die Wicklungen auf einer Seite des Substrats vorgesehen sein (und, obwohl der Transformator von Fig. 28B zwei Wicklungen hat, sollte es naheliegend sein, dass sich dies auf Fälle bezieht, wo mehr als zwei Wicklungen erforderlich sind). Daher ist der Einsatz von zweiseitigen oder Mehrfachsubstraten unnötig.
Alternativ könnten die Bahnen auf beiden Seiten des Substrats als ein Mittel zur Verbesserung des Stroms dienen, der die Kapazität leitet oder den Widerstand der Bahnen reduziert. Es sollte offensichtlich sein, dass zusätzliche Muster von Leitbahnen auf dem Substrat benutzt werden können, um Teile des Leitmediums zu bilden (z. B. die Leitbahn 613 in Fig. 28A).
Weil wir Hochleistungstransformatoren konstruieren können, die die Aspekte der vorliegenden Erfindung mit getrennten Wicklungen verkörpern und solche Transformatoren gebaut werden können, um einfache Teile mit einem hohen Grad an Symmetrie zu benutzen (wie es z. B. die Fig. 7 zeigt),und die Herstellung solcher Transformatoren zum Automatisieren relativ leicht ist. Weiterhin kann eine große Vielfalt von Transformatoren, die in Bezug auf ein Wicklungsverhältnis differieren, in kurzer Zeit auf einer Menge-zu-eins-Basis gebaut werden, indem eine relativ kleine Anzahl von Standardteilen benutzt wird. Zum Beispiel unterscheiden sich Familien von DC-DC-Schaltungsumformern gewöhnlich von Modell zu Modell in Bezug auf Nenn- und Ausgabespannung, und die relative Anzahl von Primär- und Sekundärwindungen, die in Transformatoren in jedem Umformermodell variiert und entsprechend benutzt werden. Im allgemeinen kann die Zahl der in irgendeinem Modell benutzten Primärwindungen für eine gegebene Eingabe-Nennspannung (z. B. ein 300 Volt- Eingabemodell könnte mit 20 Primärwindungen) festgelegt werden, und die Anzahl der Sekundärwindungen könnte für eine gegebene Ausgabe-Nennspannung (z. B. für ein 5 Volt- Ausgabemodell mit einer sekundären Einzelwindung), festgelegt werden.
Daher würde eine Konverterfamilie mit Modellen für Eingabe- Nennspannungen von 12, 24, 28, 48 und 300 Volt und Ausgabe- Nennspannungen von 5, 12, 15, 24 und 48 Volt 25 verschiedene Transformatormodelle erfordern. Verschiedene bekannte Transformatormodelle müssen in Stapelmengen hergestellt und individuell inventarisiert werden, da belegte oder verschachtelte Wicklungen im allgemeinen auf einer Modell-zu-Modell-Basis konstruiert werden. Jede Aufeinanderfolge von verschiedenen Transformatoren der in Fig. 7 gezeigten Art, kann jedoch in kurzer Zeit gebaut werden, indem automatisch eine Spule 40 gewählt wird, die vorgewickelt (oder in kurzer Zeit mit der geeigneten Anzahl von Sekundärwindungen und einer weiteren Spule 42 gewickelt ist), die eine angemessene Anzahl von Sekundärwindungen hat und diese Spulen über die leitend überzogenen Kernstücke 32, 34 zusammengebaut sind. Daher würde während der Benutzung bekannter Transformatoren eine Lagerhaltung und Handhabung von 25 verschiedenen Transformatormodellen zur Herstellung der zitierten Konverterfamilien aus einem on-line-Inventar von 10 vorgefertigten Wicklungen und einem einzigen Satz von Kernstücken erforderlich sein.
Variationen der beschriebenen Ausführungsformen sind im Rahmen der verschiedenen Aspekte der Erfindung möglich. So gegebene Eingabe-Nennspannung (z. B. ein 300 Volt- Eingabemodell könnte mit 20 Primärwindungen) festgelegt werden, und die Anzahl der Sekundärwindungen könnte für eine gegebene Ausgabe-Nennspannung (z. B. für ein 5 Volt- Ausgabemodell mit einer sekundären Einzelwindung), festgelegt werden.
Daher würde eine Konverterfamilie mit Modellen für Eingabe- Nennspannungen von 12, 24, 28, 48 und 300 Volt und Ausgabe- Nennspannungen von 5, 12, 15, 24 und 48 Volt 25 verschiedene Transformatormodelle erfordern. Verschiedene bekannte Transformatormodelle müssen in Stapelmengen hergestellt und individuell inventarisiert werden, da belegte oder verschachtelte Wicklungen im allgemeinen auf einer Modell-zu- Modell-Basis konstruiert werden. Jede Aufeinanderfolge von verschiedenen Transformatoren der in Fig. 7 gezeigten Art, kann jedoch in kurzer Zeit gebaut werden, indem automatisch eine Spule 40 gewählt wird, die vorgewickelt (oder in kurzer Zeit mit der geeigneten Anzahl von Sekundärwindungen und einer weiteren Spule 42 gewickelt ist), die eine angemessene Anzahl von Sekundärwindungen hat und diese Spulen über die leitend überzogenen Kernstücke 32, 34 zusammengebaut sind. Daher würde während der Benutzung bekannter Transformatoren eine Lagerhaltung und Handhabung von 25 verschiedenen Transformatormodellen zur Herstellung der zitierten Konverterfamilien aus einem on-line-Inventar von 10 vorgefertigten Wicklungen und einem einzigen Satz von Kernstücken erforderlich sein.
Variationen der beschriebenen Ausführungsformen sind im Rahmen der verschiedenen Aspekte der Erfindung möglich. So kann das Leitmedium in einer großen Vielzahl von Wegen angewendet und mit Primär- oder Sekundärwicklungen verbunden sein, um Faraday-Abschirmung mit verschiedenen Materialien und Permeabilitäten zu erreichen. Das magnetische Medium kann eine oder Mehrfachschleifen und Spalten bilden, um die verschiedenen Wicklungen auf verschiedene Art und Weise zu koppeln und um die Speicherkapazität des Kerns zu erhöhen.

Claims

1. Transformator mit einem gesteuerten Streuinduktitivitätswert, umfassend einen Magnetkern mit einem magnetischen Material, das so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife mit mindestens zwei Beinabschnitten zu bilden, die an jedem Ende mit einem der Basisabschnitte verbunden sind, um einen Induktionsfluss longitudinal in der Schleife zu führen, wobei der Magnetkern eine Oberfläche hat, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet wird und mindestens zwei Wicklungen hat, die die Abschnitte von mindestens einem der Beine des Magnetkerns umgeben, um Strom zu führen, mit dem der Magnetfluss assoziiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Metall auf mindestens einem Teil der Oberfläche des Magnetkerns auf mindestens einem der Basisabschnitte plattiert ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall auf mindestens einem Teil der beiden Basisabschnitte plattiert ist.

3. Transformator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall auf mindestens einem Teil von mindestens einem Beinabschnitt der Basisabschnitte plattiert ist.

4. Transformator mit einem gesteuerten Streuinduktivitätswert, umfassend einen Magnetkern mit einem magnetischen Material, das so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife zu bilden und einen Induktionsfluss longitudinal in der Schleife zu führen, wobei der Magnetkern eine Oberfläche hat, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet ist und mindestens zwei Wicklungen hat, die die Abschnitte des Magnetkerns umgeben, um Strom zu führen, der mit dem Induktionsfluss assoziiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Leitmedium vorgesehen ist, das im wesentlichen alle Stellen entlang der Schleife mit Ausnahme an Abschnitten umgibt, die von den Wicklungen umgeben sind und mindestens einen Teil der Oberfläche des Magnetkerns umgeben.

5. Transformator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium auch einen Teil der Oberfläche des Magnetkerns an Stellen innerhalb der Abschnitte umgibt, die von den Wicklungen umgeben sind.

6. Transformator nach den Ansprüchen 4 oder 5, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium einen Spalt aufweist, der längs der Schleife longitudinal verläuft, um das Leitmedium daran zu hindern, eine Kurzschlusswicklung um den Magnetkern zu bilden.

7. Transformator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spalte längs eines Innenumfangs der Schleife verläuft.

8. Transformator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isolierstreifen mindestens über einen Teil der Spalte im Leitmedium und ein Leitstreifen über den Isolierstreifen gelegt ist.

9. Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium mindestens eine Leitpfanne aufweist, die über einen Teil der Schleife gepasst ist.

10. Transformator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleife mindestens zwei im wesentlichen parallele Beinabschnitte aufweist, die an jedem Ende mit einem von mindestens zwei Basisabschnitten verbunden sind, und dass die Leitpfanne so geformt ist, dass sie über einen der Basisabschnitte gut einpassbar ist.

11. Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium ein Leitband aufweist.

12. Transformator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitband auch eine Schicht aus Isoliermaterial aufweist.

13. Transformator nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitband die gesamte Oberfläche des Magnetkerns umgibt, ohne dabei eine Kurzschlusswicklung zu bilden.

14. Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium ein Metall aufweist, das auf dem Magnetkern plattiert ist.

15. Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern zwei im wesentlichen U- förmige Segmente aufweist, die endweise verbunden sind, um eine Schleife zu bilden.

16. Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern eine Einzelschleife aufweist.

17. Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern Mehrfachschleifen aufweist.

18. Transformator nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium eine Öffnung hat, durch die ein Flussmittel aus dem Magnetkern austreten kann.

19. Transformator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern ein Bein aufweist, das durch die Öffnung vorspringt.

20. Transformator nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil des Beins durch ein Leitmedium bedeckt ist.

21. Transformator nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium auch eine zweite Öffnung aufweist, die in Verbindung mit der ersten Öffnung eine Strecke für einen Streufluss außerhalb des Magnetkerns schafft.

22. Transformator nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern ein Bein hat, das durch jede Öffnung vorspringt.

23. Transformator nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil jedes Beins durch ein Leitmedium abgedeckt ist.

24. Transformator mit einem gesteuerten Streuinduktivitätswert, umfassend einen Magnetkern mit einem magnetischen Material, das so angeordnet ist, um mindestens eine Schleife zu bilden und um einen Induktionsfluss longitudinal in der Schleife zu führen, wobei der Magnetkern eine Oberfläche hat, durch welche ein Teil des Induktionsflusses als Streufluss abgeleitet ist, und mindestens zwei Wicklungen hat, die die Abschnitte des Magnetkerns umgeben, um Strom zu führen, der mit dem Magnetfluss assoziiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leitpfanne vorgesehen ist, die mindestens einen Teil der Oberfläche des Magnetkerns an einem Ende der Schleife abdeckt.

25. Transformator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern zwei im wesentlichen U-förmig ausgebildete Segmente aufweist, die endweise verbunden sind, um eine Schleife zu bilden.

26. Transformator nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitpfanne eines der U-förmigen Segmente an einem Bereich gegenüber dem Ende abdeckt, der mit dem anderen U- förmigen Segment verbunden ist.

27. Transformator nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleife mindestens zwei im wesentlichen parallele Beinabschnitte aufweist, die an jedem Ende mit einem der Basisabschnitte verbunden sind, und dass die Leitpfanne geformt ist, dass sie über einen der Basisabschnitte gut passbar ist.

28. Transformator nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitpfanne mindestens einen Teil von mindestens einem der Beinabschnitte abdeckt.

29. Transformator nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Leitpfanne so geformt ist, um über dem anderen Basisabschnitt gut zu passen.

30. Transformator nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass beide Leitpfannen jeweils mindestens einen Teil von mindestens einem der Beinabschnitte abdecken.

31. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material so angeordnet ist, dass es Mehrfachschleifen bildet und einen Induktionsfluss in jeder der Schleifen longitudinal führt.

32. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium so strukturiert und angeordnet ist, dass es die Bildung von Kurzschlüssen in Bezug auf ein longitudinal in den Schleifen geführtes Flussmittel ausschließt.

33. Verfahren zum Steuern von Streuinduktivität in einem Transformator mit einem magnetischen Kern, der in einem magnetischen Medium gebildet ist, um mindestens eine Schleife und Abschnitte zu bilden, die mindestens von zwei Wicklungen umgeben sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Induzieren eines Induktionsflusses, um longitudinal in der Schleife zu fließen; es ermöglichen, dass ein Teil des Induktionsflusses aus der Oberfläche des Magnetkerns streut; Versehen mit einem Leitmedium, das im wesentlichen alle Stellen entlang der Schleife mit Ausnahme von Abschnitten umgibt, die von den Wicklungen umgeben sind, wobei mindestens ein Teil der Oberfläche des Magnetkerns erfasst ist und Beschränken des Streuflusses von der Oberfläche des Magnetkerns mit dem Leitmedium.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt zum Beschränken des Streuflusses von mindestens einem Teil des Magnetkerns an Stellen innerhalb der Abschnitte erfolgt, die von den Wicklungen umgeben sind.

35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium über Teile des Kerns geformt ist, die jede der Schleifen bilden.

36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium einen Schlitz aufweist.

37. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern drei gekoppelte Beine aufweist, wobei mindestens zwei Beine von einer oder mindestens zwei Wicklungen umgeben sind.

38. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Kriechstrecke zwischen Bereichen auf der Oberfläche des Magnetkerns erstreckt und ein Stück vom magnetisch durchlässigem Material aufweist.

39. Transformator nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass sich das magnetisch durchlässige Material längs einer Gesamtlänge der Kriechstrecke erstreckt.

40. Transformator nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Kriechstrecke auch einen Spalt aufweist.

41. Transformator nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern mindestens zwei Kernstücke aufweist.

42. Transformator nach einem der Ansprüche 38 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium mindestens einen Teil der Kriechstrecke ohne Bildung einer Kurzschlusswicklung abdeckt.

43. Transformator nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium im wesentlichen alle Kriechstrecken abdeckt.

44. Transformator nach einem der Ansprüche 42 oder 43, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeabilität des Magnetkerns gegenüber der Permeabilität des magnetisch durchlässigen Materialstückes unterschiedlich ist.

45. Transformator nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kernstücke unterschiedliche Permeabilitäten aufweisen.

46. Transformator nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstücke auch Verlängerungen des durchlässigen Materials aufweisen und einen Teil der Kriechstrecke definieren.

47. Transformator nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern auch Verlängerungen des durchlässigen Materials aufweist, das einen Teil der Kriechstrecke bildet.

48. Transformator nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kernstück ein im wesentlichen U-förmiges Segment aufweist und das Leitmedium im wesentlichen alle Kernstücke auf der Oberfläche entlang der Schleife abdeckt, mit Ausnahme der Bereiche, die durch die Wicklungen ohne Bildung einer Kurzschlusswicklung abgedeckt sind und das Leitmedium Öffnungen aufweist, durch welche die Kriechstrecke hindurchgeht.

49. Verfahren nach Anspruch 33, gekennzeichnet durch das Vorsehen einer Kriechstrecke, die sich zwischen Bereichen auf der Oberfläche des Magnetkerns erstreckt und das Vorsehen eines Stückes aus magnetisch durchlässigem Material in der Kriechstrecke und Vorsehen eines Leitmediums über der Fläche von mindestens einem Teil der Magnetschaltung.

50. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Stück des magnetisch durchlässigen Materials entlang der Gesamtlänge der Kriechstrecke erstreckt.

51. Verfahren nach Anspruch 49, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spalte in der Kriechstrecke vorgesehen ist.

52. Verfahren nach einem der Ansprüche 49, 50 oder 51, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern mindestens zwei Kernstücke aufweist.

53. Verfahren nach einem der Ansprüche 49 bis 52, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium mindestens einen Teil der Kriechstrecke ohne Bildung einer Kurzschlusswicklung abdeckt.

54. Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitmedium im wesentlichen alle Kriechstrecken abdeckt.

55. Verfahren nach einem der Ansprüche 53 oder 54, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeabilität des Magnetkerns gegenüber der Permeabilität von einem Stück des magnetisch durchlässigen Materials unterschiedlich ist.

56. Verfahren nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kernstücke unterschiedliche Permeabilitäten aufweisen.

57. Verfahren nach den Ansprüchen 52 oder 56, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstücke auch Verlängerungen des durchlässigen Materials aufweisen, die einen Teil der Kriechstrecke definieren.

58. Verfahren nach den Ansprüchen 49, 51 bis 55 oder 57, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern auch Verlängerungen des durchlässigen Materials aufweist, das einen Teil der Kriechstrecke definiert.

59. Verfahren nach den Ansprüchen 52, 56 oder 57, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Kernstück ein im wesentlichen U- förmiges Segment aufweist und das Leitmedium im wesentlichen alle Oberflächen der Kernstücke entlang der Schleife abdeckt mit Ausnahme von Bereichen, die durch Wicklungen abgedeckt sind, ohne dabei eine Kurzschlusswicklung zu bilden, und dass das Leitmedium Öffnungen aufweist, durch welche die Kriechstrecke führt.