EP0585650A1 - Übertrager sowie Verwendung - Google Patents
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Definitions
- the invention is based on a transformer according to the preamble of claim 1.
- a transformer for generating high voltages is known, the windings of which are embedded in an insulation mass.
- the secondary windings of the transformer are each arranged side by side in separate bobbins.
- Primary and secondary windings are separated from each other by shields, which are also embedded in the insulation mass.
- a high-voltage transformer in which the primary and secondary windings are separated from one another by insulation means (sealing compound) and between them - here concentric to the winding core - a longitudinally slotted, cylindrical metal shield is arranged on ground. The heat is dissipated from the windings via this metal screen.
- the object of the present invention is to design the transformer according to the preamble of patent claim 1 in such a way that adequate rollover security is ensured, in particular for operation in different pressure ranges. This object is achieved by the measures of claim 1.
- the further claims show advantageous further developments or possible uses.
- the measure of claim 2 ensures that, despite the one-sided attachment to only one core fluctuation, the insulation mass cannot shift even during accelerations (start phase of the satellite).
- the shielding according to claim 3 also inhibits the risk of flashovers and ensures that discharges in the intermediate pressure area take place in a controlled manner.
- the measures according to claim 4 ensure that crack growth due to different coefficients of thermal expansion is effectively suppressed. In particular, detachment of the shield from the insulation mass is prevented since the multilayer is flexible and no mechanical stresses occur due to the similar expansion coefficients of its outer layers to the adjacent insulation mass.
- the shielding can no longer trigger cracks, especially at low temperatures.
- Current transformers known to date cannot be operated easily at the Paschen minimum, since glow discharges can occur which, when using the current transformer in a control circuit, have a disruptive effect on the controlled variable transformed by the transformer. So when using a conventional transformer as part of a cathode current regulator for a traveling wave tube amplifier Anode voltage no longer constant. In addition, the efficiency of the entire power supply circuit drops.
- FIG. 1 shows a transformer according to the invention.
- This transformer has a three-legged core, which completely encloses the transformer windings w1 and w2 except for side windows.
- the transformer windings w1 and w2 are arranged side by side on a coil former SK, which is concentric with the winding core KE as a central leg.
- the coil former SK has in each case Area of the winding ends protrusions VS, so that winding chambers are formed which completely surround the transformer windings w1, w2 except for the surfaces facing away from the winding core KE.
- the two transformer windings w1 and w2 are separated from one another by a shield S, which is arranged in the exemplary embodiment according to FIG.
- This shield S consists of a disc-shaped ring (Fig. 2) in the form of a multilayer.
- This multilayer has an electrically conductive layer ES, for example a copper layer, which is arranged between two insulating outer layers AS. 2 shows, the conductive layer ES is interrupted by a short-circuit isolating slot KT.
- the coil body SK together with the transformer windings w1 and w2 and the shield connection S is embedded in an insulation compound VM in such a way that this insulation compound VM survives all external parts by approximately 10% and a cylindrical, annular composite body is formed.
- a suitable sealing compound is a potting compound made of epoxy resin, which can optionally be glass fiber reinforced or filled with other inorganic materials (cf. etz Volume 105 (1984) Issue 9, page 441 or US 4,176,334 "epoxy-glass laminate").
- the outer layers AS of the shield consist of the chemically the same or at least similar material as that of the insulation mass VM.
- the coefficient of thermal expansion of the insulation compound VM and the outer layers AS must be at least of the same order of magnitude so that no cracking can occur.
- the multilayer of the shield S as shown in FIG.
- the winding wires and the shield connection are advantageously carried out with shrinked jumper wires from the sealing compound.
- the shrink tubing material is selected so that the adhesive strength of the material can be increased several times by cleaning processes such as corona discharges and plasma etching. It is also possible to use high-voltage strands, but their adhesion in the casting compound must be ensured.
- the core is divided in the region of a middle of each leg (Fig. 1, dashed lines).
- a centering sleeve ZH for example made of PEEK plastic, is provided to center the two core halves.
- This centering sleeve also serves as a spacer between the composite body, consisting of the transformer windings w1, w2 shielding S and coil former SK embedded in the insulation mass VM.
- the last composite body is separated from the core parts by an air gap LS and is only glued to one of the leg yokes - the lower one in the example shown.
- the composite body is only attached to a core wall KW. By gluing, this attachment is sufficiently elastic so that there are no mechanical stresses that can lead to cracks.
- the core wall KW to which the gluing takes place, is selected so that when the core is accelerated, for example during the launch phase of a satellite, it is pressed against this core wall.
- the attachment should always be made to the yoke that ensures that the gravity of the composite body counteracts the acceleration of the core.
- the air gap LS to the centering sleeve ZH can be adjusted by at least one stop AG, which is preferably attached to each end of the centering sleeve ZH, which is located away from the adhesive surface of the composite body.
- the air gap LS offers sufficient high vacuum insulation when operating in space.
- the Centering sleeve ZH reduces the risk of a rollover during operation up to approx. 90 ° C under normal pressure.
- the core of the transformer with the central winding core WK and the outer legs DK and the associated yokes is separated from the ground potential on which the ground body MK lies by an insulating layer IS.
- This insulating layer for example made of PEEK plastic, is dimensioned such that no discharges can occur through this insulating layer IS in the pressure range below 10 ⁇ 2 mbar (vacuum operation).
- the transformer according to the invention can advantageously be used as a measuring transducer that also works in high-voltage potential in terms of DC, but only has to process small potential differences in terms of AC.
- the winding w2 represents the anode coil and the winding w1 represents the cathode coil.
- the anode coil is at a potential which varies in particular in the intermediate pressure range between 500 V and approximately 5 kV.
- the conductive layer ES of the shield S is also set to this “floating” potential so that arcing, in particular in the intermediate pressure range, can be derived directly.
- the anode coil leads to the pads LA3 and LA4. Accordingly, the pad LA5 is expediently connected to the pad LA4.
- the cathode coil is approximately 6 kV DC.
- the helix of the traveling wave tube is connected to the mass body MK.
- the typical voltage loads of the transformer according to the invention are thus as follows: When the power supply is switched on "the core runs up to the cathode voltage of 6 kV". In the intermediate pressure range during the launch phase of the satellite, the core passes through the Paschen minimum, ie theoretically there are an infinite number of discharges, so that the core assumes ground potential. Upon entering the vacuum of space, the core can charge to the maximum voltage U K (cathode voltage). This recharging of the core takes several hours due to the high insulation resistances of the insulating layers IS and the potting material VM. In the high vacuum of space, the nucleus remains at the voltage U K ; unless a local pressure increase occurs which causes the core to discharge.
- the core of the transmitter can be designed as a shell or RM core.
- the measures of the invention enable both safe operation in the intermediate pressure range and reliable long-term operation (lifespan of the satellite greater than 10 years) under space conditions.
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Abstract
Description
- Die Erfindung geht aus von einem Übertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Aus der US 4,176,334-A ist ein Transformator zur Erzeugung von Hochspannungen bekannt, dessen Wicklungen in eine Isolationsmasse eingebettet sind. Die Sekundärwicklungen des Transformators sind jeweils in separaten Spulenkörpern nebeneinander angeordnet. Primär- und Sekundärwicklungen sind durch Schirmungen voneinander getrennt, die in die Isolationsmasse ebenfalls eingebettet sind.
- Aus der DE 31 00 419 C2 ist ein Hochspannungstransformator bekannt, bei dem Primär- und Sekundärwicklung durch Isolationsmittel (Vergußmasse) voneinander getrennt sind und zwischen ihnen - hier konzentrisch zum Wickelkern - ein auf Masse gelegter längsgeschlitzter, zylinderförmiger Metallschirm angeordnet ist. Über diesen Metallschirm erfolgt die Wärmeableitung von den Wicklungen.
- Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, den Übertrager gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß eine ausreichende Überschlagssicherheit insbesondere für den Betrieb in unterschiedlichen Druckbereichen gewährleistet ist. Diese Aufgabe wird durch die Maßnahmen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen bzw. Verwendungsmöglichkeiten auf.
- Durch die Befestigung der Isolationsmasse mitsamt den darin eingebetteten Übertragerwicklungen an nur einer Kernwandung treten weniger mechanische Spannungen innerhalb der Isolationsmasse und an den Kontaktflächen zum Kern hin auf. Demzufolge wird auch ein Rißwachstum gehemmt und damit die Gefahr von Überschlägen reduziert. Durch den Luftspalt, den die Isoliermasse gegenüber dem Kern bis auf die Kontaktfläche aufweist, läßt sich die Überschlagsgefahr weiter reduzieren. Die Maßnahmen der Erfindung führen zu einem sicheren Betrieb des Übertragers im Paschenminimum während der Startphase des Satelliten (Zwischendruckbereich) als auch unter Weltraumbedingungen (Vakuum).
- Die Maßnahme des Anspruchs 2 gewährleistet, daß sich die Isolationsmasse trotz der einseitigen Befestigung an nur einer Kernwankung auch bei Beschleunigungen (Startphase des Satelliten) nicht verschieben kann. Die Schirmung gemäß Anspruch 3 hemmt ebenfalls die Überschlagsgefahr und sorgt dafür, daß Entladungen im Zwischendruckbereich auf kontrollierten Wegen erfolgen. Durch die Maßnahmen gemäß Anspruch 4 ist gewährleistet, daß Rißwachstum infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten wirksam unterdrückt wird. Insbesondere wird eine Ablösung der Schirmung von der Isolationsmasse unterbunden, da die Multilayer flexibel ist und infolge ähnlicher Ausdehnungskoeffizienten ihrer Außenschichten zur angrenzenden Isolationsmasse keine mechanischen Spannungen auftreten.
- Im Gegensatz zur Lösung gemäß DE 31 00 419 A2 kann die Schirmung insbesondere bei tiefen Temperaturen kein Auslöser von Rissen mehr sein.
Bisher bekannte Stromübertrager können nicht ohne weiteres im Paschenminimum betrieben werden, da Glimmentladungen auftreten können, die sich bei Einsatz des Stromübertragers in einer Regelschaltung auf die durch den Übertrager transformierte Regelgröße störend auswirken. So ist bei Verwendung eines herkömmlichen Übertragers als Bestandteil eines Kathodenstromreglers für einen Wanderfeldröhrenverstärker die Anodenspannung nicht mehr konstant. Außerdem sinkt der Wirkungsgrad der gesamten Stromversorgungsschaltung. - Wird der Kern auf Massepotential gelegt, können keine Entladungen im Paschenminimum vom Kern ausgehen. Aufgrund geringerer Koppelkapazitäten der Übertragerwicklungen zum Kern, ist es aber aus regelungstechnischen Gründen vorteilhaft, den Kern nicht an ein festes Potential anzubinden, sondern gemäß der Ausgestaltung nach Anspruch 7 auf floatendes Potential zu legen. Von der Kernoberfläche können jetzt zwar im Zwischendruckbereich Entladungen auftreten, jedoch sind diese durch die Isolierung des Kerns gegenüber Massepotential und der Wicklung, die auf Hochspannungspotential liegt, so gering, daß keinerlei Beeinflussung der Regelgröße erfolgt.
Zusätzlich wird durch diese Maßnahme die Oberfläche der Isolationsmasse (Vergußmasse) der Wicklung, die auf Hochspannungspotential liegt, durch Entladungen weniger stark beansprucht - läge der Kern auf Massepotential, so würden ständig Entladungen von der Vergußoberfläche zum entsprechenden Massepunkt erfolgen. - Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Übertrager gemäß der Erfindung.
- Fig. 2 einen Querschnitt durch den Schirmungsring.
- In Fig. 1 ist ein Übertrager gemäß der Erfindung dargestellt. Dieser Übertrager weist einen dreischenkligen Kern auf, der die Übertragerwicklungen w1 und w2 bis auf Seitenfenster vollständig umschließt. Die Übertragerwicklungen w1 und w2 sind nebeneinanderliegend auf einem Spulenkörper SK angeordnet, welcher zum Wickelkern KE als mittlerem Schenkel konzentrisch verläuft. Der Spulenkörper SK weist jeweils im Bereich der Wicklungsenden Vorsprünge VS auf, so daß Wicklungskammern entstehen, die die Übertragerwicklungen w1, w2 bis auf die dem Wickelkern KE abgewandten Oberflächen vollständig umgeben. Die beiden Übertragerwicklungen w1 und w2 sind gegeneinander durch eine Schirmung S getrennt, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 über der Kammeraußenwand des Spulenkörpers SK für die Übertragerwicklung w2 angeordnet ist. Diese Schirmung S besteht aus einem scheibenförmigen Ring (Fig. 2) in Form einer Multilayer. Diese Multilayer weist eine elektrisch leitende Schicht ES, z.B. eine Kupferschicht, auf, welche zwischen zwei isolierenden Außenschichten AS angeordnet ist. Wie Fig. 2 zeigt, ist die leitende Schicht ES durch einen Kurzschlußtrennschlitz KT unterbrochen. Der Spulenkörper SK mitsamt den Übertragerwicklungen w1 und w2 und den Schirmanschluß S ist in eine Isolationsmasse VM eingebettet und zwar so, daß diese Isolationsmasse VM alle außenliegenden Teile um ca. 10 % übersteht und ein zylindrischer ringförmiger Verbundkörper gebildet wird.
- Als Isolationsmasse eignet sich eine Vergußmasse aus Epoxidharz, welche gegebenenfalls glasfaserverstärkt oder mit sonstigen anorganischen Materialien gefüllt sein kann (vgl. etz Band 105 (1984) Heft 9, Seite 441 oder US 4,176,334 "epoxy-glass laminate"). Damit keine Haftungsprobleme oder mechanische Spannungen zwischen Schirmung S und Isolationsmasse VM auftreten, bestehen die Außenschichten AS der Schirmung aus dem chemisch gleichen oder zumindest ähnlichen Material wie das der Isolationsmasse VM. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Isolationsmasse VM und den Außenschichten AS muß zumindest in der gleichen Größenordnung liegen, damit keine Rißbildung entstehen kann. Die Multilayer der Schirmung S bildet, wie Fig. 2 zeigt, gleichzeitig Anschlußmöglichkeiten für die Drahtenden der Übertragerwicklungen w1 und w2 in Form der Lötaugen LA1 bis LA4 und den Schirmanschluß; in Fig. 2 über eine Leiterbahn LB zum Lötauge LA5 geführt. Die Wickeldrähte und der Schirmanschluß werden vorteilhafterweise mit überschrumpften Schaltdrähten aus der Vergußmasse geführt. Das Schrumpfschlauchmaterial wird so gewählt, daß die Haftfestigkeiten des Materials durch Reinigungsverfahren wie Coronaentladungen und Plasmaätzen um ein Mehrfaches gesteigert werden können. Es besteht auch die Möglichkeit Hochspannungslitzen zu verwenden, jedoch muß deren Haftung in der Vergußmasse sichergestellt sein.
- Der Kern ist im Bereich jeweils einer Schenkelmitte geteilt (Fig. 1, Trennungslinien gestrichelt). Um die beiden Kernhälften zu zentrieren, ist eine Zentrierhülse ZH, z.B. aus PEEK Kunststoff, vorgesehen. Diese Zentrierhülse dient gleichzeitig als Abstandshalter zwischen dem Verbundkörper, bestehend aus den in die Isolationsmasse VM eingebetteten Übertragerwicklungen w1, w2 Schirmung S und Spulenkörper SK. Letzter Verbundkörper ist nämlich von den Kernteilen jeweils durch einen Luftspalt LS getrennt und nur an eines der Schenkeljoche - im dargestellten Beispiel das untere - angeklebt. Somit ist der Verbundkörper nur an einer Kernwandung KW befestigt. Durch das Ankleben ist diese Befestigung genügend elastisch, so daß keine mechanischen Spannungen entstehen, die zu Rissen führen können. Die Kernwandung KW, an der das Ankleben erfolgt, ist so gewählt, daß bei Beschleunigung des Kerns, z.B. während der Startphase eines Satelliten, gegen diese Kernwandung gedrückt wird. Die Befestigung sollte immer an jenem Joch erfolgen, das gewährleistet, daß die Schwerkraft des Verbundkörpers der Beschleunigung des Kerns entgegenwirkt. Der Luftspalt LS zur Zentrierhülse ZH läßt sich durch mindestens einen Anschlag AG einstellen, der vorzugsweise an jedem Ende der Zentrierhülse ZH angebracht ist, das entfernt von der Anklebefläche des Verbundkörpers gelegen ist. Der Luftspalt LS bietet eine ausreichende Hochvakuumisolierung bei Betrieb im Weltall. Die Zentrierhülse ZH vermindert die Gefahr eines Überschlages bei Betrieb bis ca. 90°C unter Normaldruck.
- Der Kern des Übertragers mit dem zentralen Wickelkern WK und den Außenschenkeln DK sowie die dazu gehörigen Joche ist vom Massepotential, auf dem der Massekörper MK liegt, durch eine Isolierschicht IS getrennt. Diese Isolierschicht, z.B. aus PEEK Kunststoff, ist so bemessen, daß im Druckbereich unter 10⁻² mbar (Vakuumbetrieb) keine Entladungen über diese Isolierschicht IS auftreten können.
Der Übertrager nach der Erfindung läßt sich vorteilhaft als Meßwandler einsetzen, der DC-mäßig auch Hochspannungspotential arbeitet, AC-mäßig jedoch nur geringe Potentialdifferenzen verarbeiten muß.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Übertragers als Bestandteil eines Kathodenstromreglers für einen Wanderfeldröhrenverstärker (vgl. DE 38 43 260 C1) stellt die Wicklung w2 die Anodenspule dar und die Wicklung w1 die Kathodenspule. Gleichspannungsmäßig liegt die Anodenspule auf einem Potential, welches insbesondere im Zwischendruckbereich zwischen 500 V und ca. 5 kV variiert. Die leitende Schicht ES der Schirmung S ist ebenfalls auf dieses "floatende" Potential gelegt, damit Überschläge, insbesondere im Zwischendruckbereich direkt abgeleitet werden können. Die Anodenspule führt auf die Lötaugen LA3 und LA4.
Zweckmäßigerweise wird demnach das Lötauge LA5 mit dem Lötauge LA4 verbunden. Die Kathodenspule liegt gleichspannungsmäßig auf ca. 6 kV. An den Massekörper MK wird die Helix der Wanderfeldröhre angeschlossen. Durch das Ankleben des Verbundkörpers im Bereich der Anodenspule w2 ist eventuell eine unsymmetrische Kammerwandaufteilung notwendig, je nach Temperaturverhalten der Isoliermaterialien im Temperaturbereich von -40°C bis +90°C. - Die typischen Spannungsbelastungen des Übertragers nach der Erfindung stellen sich somit wie folgt dar:
Beim Einschalten der Stromversorgung "läuft der Kern auf die Kathodenspannung von 6 kV hoch". Im Zwischendruckbereich während der Startphase des Satelliten durchläuft der Kern das Paschenminimum, d.h. es ergeben sich theoretisch unendlich viele Entladungen, so daß der Kern Massepotential annimmt. Mit dem Eintritt in das Vakuum des Weltalls kann sich der Kern auf die maximale Spannung UK (Kathodenspannung) aufladen. Dieses Wiederaufladen des Kerns dauert mehrere Stunden bedingt durch die hohen Isolationswiderstände der Isolierschichten IS und des Vergußmaterials VM. Im Hochvakuum des Weltalls bleibt der Kern auf der Spannung UK; es sei denn, daß eine lokale Druckerhöhung auftritt, die eine Entladung des Kern bewirkt. - Der Kern des Übertragers kann als Schalen- oder RM-Kern ausgebildet sein.
Durch die Maßnahmen der Erfindung ist sowohl ein sicherer Betrieb im Zwischendruckbereich als auch ein zuverlässiger Langzeitbetrieb (Lebensdauer des Satelliten größer als 10 Jahre) unter Weltraumbedingungen möglich.
Claims (14)
- Übertrager, dessen Kern (KE, DK) die Übertragerwicklungen (w1, w2) im wesentlichen umschließt, wobei die Übertragerwicklungen (w1, w2) in eine Isolationsmasse (VM) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsmasse (VM) gegenüber dem Kern (KE, DK) durch einen Luftspalt (LS) getrennt ist und nur an einer Kernwandung (KW) befestigt ist.
- Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsmasse (VM) an jener Kernwandung (KW) elastisch befestigt ist, die es ermöglicht, daß die Isolationsmasse (VM) bei Beschleunigung des Kerns (KE, DK) gegen die Kernwandung gedrückt wird.
- Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragerwicklungen (w1, w2) nebeneinander bezüglich einem gemeinsamen Wickelkern (KE) angeordnet sind und daß mindestens zwei der Übertragerwicklungen (w1, w2) durch eine Schirmung (S) voneinander getrennt sind.
- Übertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmung (S) aus einer Multilayer besteht mit mindestens einer elektrisch leitenden Schicht (ES), die durch einen Kurzschlußtrennschlitz (KT) unterbrochen ist, und zwei isolierenden Außenschichten (AS).
- Übertrager nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schirmung (S) vollständig in die Isolationsmasse (VM) eingebettet ist und daß der thermische Ausdehnungskoeffizient von Isolationsmasse (VM) sowie den Außenschichten (AS) der Schirmung (S) in der gleichen Größenordnung liegt.
- Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (KE, DK) des Übertragers gegen Massepotential isoliert ist.
- Übertrager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (KE, DK) auf floatendes Potential gelegt ist.
- Übertrager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (KE, DK) auf das Potential jener Übertragerwicklung (w2) gelegt ist, deren Potential den stärksten Schwankungen unterworfen ist.
- Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager als Schalenkern- oder RM-Kern-Übertrager ausgebildet ist.
- Übertrager nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zentrierhülse (ZH) für die beiden Hälften des Schalen- oder RM Kernes vorgesehen ist, die einen Anschlag zur Einstellung des Luftspaltes (LS) zwischen Isolationsmasse (VM) und Zentralkern (KE) aufweist.
- Übertrager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsenden der Übertragerwicklungen (w1, w2) sowie gegebenenfalls der Anschluß der Schirmung (S) mit überschrumpften Schaltdrähten aus der Isolationsmasse (VM) geführt sind.
- Übertrager nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierung (IS) des Kerns (KE, DK) gegen Massepotential so bemessen ist, daß im Druckbereich unter 10⁻² mbar keine Entladungen über die Isolierung (IS) auftreten können.
- Verwendung des Übertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für einen auf Hochspannungspotential arbeitenden Meßwandler.
- Verwendung des Übertragers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 für einen Meßwandler, welcher Bestandteil eines Kathodenstromreglers für einen Wanderfeldröhrenverstärker ist.
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