EP0253298B1

EP0253298B1 - Hochleistungsübertrager

Info

Publication number: EP0253298B1
Application number: EP87109879A
Authority: EP
Inventors: Horst Dipl.-Ing. Morgott; Edmund Dipl.-Ing. Pötsch; Erich Dipl.-Ing. Schmidtner; Hans-Hasso Dipl.-Ing. Görcke
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-07-10
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1991-04-10
Anticipated expiration: 2007-07-08
Also published as: US4829417A; GR3001865T3; ATE62561T1; EP0253298A1; ES2021306B3; DE3769223D1

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochleistungsübertrager nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Wicklungsleiter für derartige Übertrager sind aus der europäischen Patentanmeldung EP-A 0133220 und der französischen Patentschrift FR-PS 1198126 bekannt.
Entwurf und Realisierungen von gängigen Transformatoren oder Übertragern bereiten einem Fachmann an sich weder in der Theorie noch in der Praxis Schwierigkeiten. In einigen Anwendungsfällen allerdings, wie beim Einsatz in getaketen Stromversorgungen mit hoher Ausgangsleistung und hoher Taktfrequenz werden an einen Übertrager eine Anzahl von extremen Forderungen gestellt, die dessen Realisierung bedeutend erschweren.
Der Forderung des hohen Ausgangsstromes begegnete man zunächst mit einer Sekundärwicklung aus dicken Kupferbändern. Neben den Schwierigkeiten der Herstellung waren diese Übertrager aber zu groß und zu schwer. Als man dann, um Eisen im Übertragerkern sparen zu wollen, die Frequenz erhöhte, machte sich der Skin-Effekt bemerkbar, durch den die Ladungsträger in die Randzone eines Leiters gedrängt werden. Trotz massiver Kupferbänder mußte man nunmehr eine Erhöhung des Innenwiderstands der Wicklungen und damit einen erhöhten Übertragungsverlust hinnehmen. Zur Beseitigung dieses Nachteils ist es aus der DE-PS 32 05 650 bekannt, das dicke und massive Kupferband einer Sekundärwicklung durch eine Anzahl von dünneren und voneinander isolierten Bändern zu ersetzen, die an zur Stromverteilung parallel geschaltete Dioden angeschlossen sind.
Mit zunehmender Stromstärke und Frequenz wird der Wirkungsgrad eines nach diesem Prinzip aufgebauten Übertragers geringer.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Wirkungsgrad bezüglich Frequenz- und Stromverhalten bei einem Hochleistungsübertrager der eingange genannten Art zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale.
Bei einem derartigen Hochleistungsübertrager wird eine Widerstandserhöhung durch den Skin-Effekt vermieden, indem der Querschnitt der Einzelleiter nur so groß ist, daß bei gegebener Frequenz im Inneren jedes einzelnen drahtförmigen Einzelleiters möglichst kein von Ladungsträgern freier Raum entsteht.
Für eine derartige Ausgestaltung muß man für die relevanten Frequenzen in Erwägung ziehen, daß ein Hochleistungsübertrager z.B. in getakteten Stromversorgungen meistens mit rechteckförmigen Primärsignalen angesteuert wird und zur annähernd korrekten Übertragung des Rechtecksignals auch Oberwellenströme bis mindestens zu einem Faktor 10 oberhalb der Taktfrequenz nötig sind.
Auch die Wirbelstromverluste im Übertrager werden durch diese Maßnahme auf ein Minimum reduziert, da die Unterschiede der Stromdichten innerhalb eines Einzelleiters relativ gering sind.
Der Verluste erzeugende Effekt der Spulenstromverdrängung, durch den die Stromdichten der Einzelleiter untereinander zur Achse der Wicklung hin erhöht sind, wird durch Verdrillen oder Verflechten der Einzelleiter in der Litze ausgeglichen. Damit nimmt nach dem Prinzip des Roebelstabes jeder Einzelleiter ebenso oft und ebenso lange jede Lage im Gesamtquerschnitt der Litze ein wie jeder andere Einzelleiter.
Die parallel geführten Stränge der Sekundärwicklung ermöglichen eine exakte Stromsymmetrierung, die für eine Verteilung des Stromes, z.B. auf eine Anzahl parallelgeschalteter Dioden Voraussetzung ist.
Aus der US-A-4431860 ist en an sich bekannt, in Hochleistungsubertragern verwendete Kabel aus mehreren zueinander parallel liegenden Litzen zusammenzusetzen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit derartigen Ausführungsformen der Litzen und der Stränge wird ein hoher Füllfaktor in der Sekundär- und in der Primärwicklung und damit eine optimale Raumausnützung erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen die

FIG 1 einen Stromlaufplan für den Sekundärstromkreis eines erfindungsgemäßen Hochleistungsübertragers mit parallel geschalteten Gleichrichterdioden und Freilaufdioden,
FIG 2 einen Schnitt durch einen Hochleistungsübertrager mit einer Primärwicklung und mit einer aus einer Windung bestehenden Sekundärwicklung,
FIG 3, 3A und 3B eine Ausgestaltung der Sekundärwicklung nach FIG 2.

In FIG 1 ist schematisch ein Hochleistungsübertrager Ü dargestellt, dessen Sekundärwicklung SW aus einer Windung mit sechs parallelgeschalteten Strängen ST1 bis ST6 besteht. An einem Ende der Sekundärwicklung SW sind alle Stränge ST1 bis ST6 an einen Sammelpunkt SA angeschlossen. Am anderen Ende der Sekundärwicklung SW ist jeder Strang mit jeweils einer Gleichrichterdiode GD1 bis GD6 verbunden. Die dargestellten, parallelgeschalteten sechs Freilaufdioden FD1 bis FD6 verbinden den Sammelpunkt SA mit den Ausgängen der Gleichrichterdioden GD1 bis GD6.
Mit der gezeigten Art der stromaufteilung auf die Gleichrichterdioden GD1 bis GD6 werden nich nur mechanische Probleme der Geometrie der Anschlüsse gelöst, sondern es wird auch eine exakte Stromsymmetrierung und eine weitestgehende thermische und elektrische Unabhängigkeit der Gleichrichterdioden GD1 bis GD6 untereinander erzielt. Die elektrischen und thermischen Bedingungen sind in jedem Strang ST1 bis ST6 die gleichen.
Die in dem Sekundärstromkreis zwischen den Freilaufdioden FD1 bis FD6 und den Gleichrichterdioden GD1 bis GD6 befindlichen hochfrequenten Ströme verursachen, bedingt durch die erfingungsgemäße Ausgestaltung der Sekundärwicklung SW nur äußerst geringe Verluste, die eine nieddrige Temperatur (z.B. unter 80°C) des Hochleistungsübertragers Ü und einen hohen Wirkungsgrad (z.B. über 96% bei 600 Ampere) mit sich bringen.
Aus FIG 2 ist der Aufbau eines beispielhaften Hochleistungsübertragers Ü ersichtlich. Zwischen dem aus Ferritmaterial bestehenden boden und Deckelteilen BD mit jeweils E-förmigen Profilen liegen die Primärwicklung PW und die aus einer einzigen Windung bestehende Sekundärwicklung SW. Die innenliegende Primärwicklung PW setzt sich aus einer Anzahl um den Mittelsteg M der jeweils E-förmigen Boden- und Deckelteile BD gewickelten Windungen mit der erfindungsgemäßen Litze zusammen. Die einzige Windung der Sekundärwicklung SW schmiegt sich U-förmig an den Aufbau der Primärwicklung PW an. Dadurch ist eine möglichst gute Kopplung auch bei sehr großem Übersetzungsverhältnis gegeben.
Aus FIG 3, 3A und 3B ist die Struktur einer erfindungsgemäßen Sekundärwicklung SW ersichtlich. Die Sekundärwicklung SW besteht aus sechs parallel in einer Ebene nebeneinander liegenden Strängen ST1 bis ST6, die ihrerseits jeweils aus vier parallel nebeneinander liegenden Litzen L1 bis L4 gebildet sind. Die Litzen L1 bis L4 wiederum sind als Kupfergewebeband B mit rechteckförmigem Querschnitt ausgeführt und beinhalten eine hohe Anzahl voneinander elektrisch isolierter Einzelleiter E, die untereinander verdrillt oder verflochten sind. Der Querschnitt der einzelnen Stränge ST1 bis ST6 ist somit ebenfalls rechteckförmig, wodurch sich eine bandförmige Sekundärwicklung SW ergibt.
An einem Ende der Sekundärwicklung SW sind die sechs Stränge ST1 bis ST6 stufenförmig mit zunehmender Länge angeordnet, um die Verbindungsleitungen zu in einer Reihe liegenden Gleichrichterdioden D1 bis D6 möglichst kurz zu halten. Für das andere Ende der Sekundärwicklung ist zum Anschluß an den Sammelpunkt SA eine Flansch F vorgesehen, der die sechs Stränge ST1 bis ST6 und damit auch alle Einzelleiter E aller Litzen L untereinander elektrisch und mechanisch verbindet.
Für den Anschluß an die Gleichrichterdioden GD1 bis GD6 sind die Einzelleiter E der jeweiligen Stränge ST1 bis ST6 mit Hilfe eines Kabelschuhes KS1 bis KS6 miteinander elektrisch und mechanisch verbunden. Zur Bündelung der Litzen L1 bis L4 eines Stranges ST können - hier nicht dargestellte-Schrumpfschläuche dienen, die jeweils über einen Strang gezogen werden.
Für eine kostengünstige Fertigung des Hochleistungsübertragers Ü empfiehlt es sich, für die Primärwicklung PW und die Sekundärwicklung SW eine Litze L mit gleichen Abmessungen zu verwenden, obwohl es auch nötig sein kann, daß durch die unterschiedlichen Längen der Stränge ST1 bis ST6 ein dadurch entstehender Widerstandsunterschied kompensiert werden muß. Dazu sind dann Litzen L mit einer unterschiedlichen Anzahl von Einzelleitern E zu verwenden.
Die Ausgestaltung der Primärwicklung als Litze mit voneinander isolierten Einzelleitern E macht es möglich, als Abmagnetisierungswicklung des Hochleistungsübertragers einen Einzelleiter der Litze zu verwenden. Dies hat den Vorteil einer guten Kopplung und schaltungstechnischer Vereinfachungen. Dafür wäre es allerdings ratsam, einen Einzelleiter der Litze mit einer Oberflächenfarbe zu versehen, die ihn von den anderen Einzelleitern unterscheidbar macht.

Bezugszeichenliste

Ü: Hochleistungsübertrager
PW: Primärwicklung
SW: Sekundärwicklung
GD1-GD6: Gleichrichterdioden
ST1-ST6: Stränge
SA: Sammelpunkt
FD1-FD6: Freilaufdioden
BD: Boden-Deckelteil
M: Mittelsteg
F: Flansch
L1-L4: Litzen
E: Einzelleiter
B: Band
KS1-KS6: Kabelschuhe

Claims

Hochleistungsübertrager (Ü) für getaktete Stromversorgungen mit wenigstens einer Primär- (PW) und wenigstens einer Sekundärwicklung (SW), deren jeweilige Windungen als Litze (L) ausgebildet sind, die ihrerseits aus drahtförmigen, jeweils mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche versehenen und untereinander verdrillten oder verflochtenen Einzelleitern (E) besteht, die an beiden Enden der Litze (L) jeweils elektrisch miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (SW) aus mehreren zueinander parallel liegenden Strängen (ST) besteht, die ihrerseits aus mehreren zueinander parallel liegenden Litzen (L) gebildet sind, daß die Litzen (L) eines jeweiligen Stranges (ST) an beiden Enden elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, daß an einem Ende der Sekundärwicklung (SW) die Stränge (ST) elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind und daß am anderen Ende der Sekundärwicklung (SW) die Stränge (ST) über je eine Gleichrichterelement (GD) elektrisch miteinander verbunden sind.
Hochleistungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Litzen (L) und die Stränge (ST) jeweils einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen und daß die Sekundärwicklung (SW) als U-förmig gewundenes Band (B) mit übereinander in parallel Ebenen liegenden Strängen (ST) ausgebildet ist.
Hochleistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen der Primärwicklung (PW) und der Sekundärwicklung (SW) aus Litzen (L) vorzugsweise gleicher Abmessungen bestehen.
Hochleistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß bei unterschiedlicher Länge der Stränge (ST) zur Kompensation der dadurch entstehenden Widerstandsunterschiede die Litzen (L) eine unterschiedliche Anzahl von Einzelleitern (E) enthalten.
Hochleistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Einzelleiter der als Primärwicklung (PW) dienenden Litze (L) mit einer Oberflächenfarbe versehen ist, die sich von der der anderen Einzelleiter unterscheidet.
Hochleistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Litze (L) als Kupfergeflecht ausgebildet ist.