EP1040491A1 - Leistungsübertrager für ein leistungsschaltnetzteil, insbesondere für bolzenschweissgeräte - Google Patents

Leistungsübertrager für ein leistungsschaltnetzteil, insbesondere für bolzenschweissgeräte

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EP1040491A1
EP1040491A1 EP98966206A EP98966206A EP1040491A1 EP 1040491 A1 EP1040491 A1 EP 1040491A1 EP 98966206 A EP98966206 A EP 98966206A EP 98966206 A EP98966206 A EP 98966206A EP 1040491 A1 EP1040491 A1 EP 1040491A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
primary
power
power transformer
power supply
packets
Prior art date
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Ceased
Application number
EP98966206A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Danilo Spremo
Martin Perschke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nelson Bolzenschweiss Technik GmbH and Co KG
Original Assignee
TRW Nelson Bolzenschweiss Technik GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by TRW Nelson Bolzenschweiss Technik GmbH and Co KG filed Critical TRW Nelson Bolzenschweiss Technik GmbH and Co KG
Publication of EP1040491A1 publication Critical patent/EP1040491A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2804—Printed windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2847—Sheets; Strips

Definitions

  • the invention relates to a power transformer for a power switching power supply, in particular for stud welding devices according to the preamble of claim 1, and a power switching power supply with a power transformer.
  • Known power transformers of this type for power switching power supplies such as are used, for example, in stud welding technology, must be able to deliver an output power of several kW, for example up to 50 kW. Because of this high power, known power transformers are heavy and of large dimensions. Since the power transformers usually have the dimensions and the weight of
  • Power transformers have relatively high power losses in the core (hysteresis losses) and in the windings (ohmic losses) due to their size during operation and are costly to manufacture due to their necessary size.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a power transformer which has lower losses during operation, whose construction is lighter and smaller and whose manufacture is simple and inexpensive is possible, as well as a power switching power supply with such a power transformer.
  • FIG. 1 shows a front view of a power transformer with primary packets connected in series
  • FIG. 2 shows a rear view of a power transformer according to FIG. 1 with pairs of secondary packets connected in parallel;
  • FIG. 3 shows a top view of a power transformer according to FIG. 1.
  • FIG. 5 is a perspective view of a secondary package
  • FIG. 6a-6e show a perspective view of the details and the construction of the secondary package according to FIG. 5;
  • FIG. 6f-6h show a perspective view of the details and the structure of the primary package according to FIG. 4;
  • Fig. 7 is a side view of one half of one in the
  • FIG. 8 shows a plan view of one half of the ferrite core according to FIG. 7;
  • FIG. 9 shows a schematic circuit diagram of a power switching power supply with a power transformer according to FIG. 1;
  • FIG. 10 shows a detailed circuit diagram of an inverter according to FIG. 5;
  • FIG. 11 shows a detailed circuit diagram of the power transformer according to FIG. 5 with an output rectifier
  • the power transformer 1 shown in FIGS. 1 to 3 has a ferrite core which is constructed from an upper half 3 and a lower half 5 which is mirror-symmetrically configured for this purpose and which is shown as an individual part in FIGS. 7 and 8.
  • This ferrite core surrounds in a ring in the interior alternately horizontally superposed primary and secondary packages 7, 9.
  • the packages lying in parallel horizontal planes are penetrated vertically in the center by a yoke 11 of the ferrite core shown only as a broken line in FIG. As can be seen from FIG. 7 and FIG.
  • a ferrite core half 3, 5 consists of a cuboid-shaped yoke 11 in the center, from which on both sides along the axis of the cuboid L-shaped legs 12a, 12b opposite each other on the base side.
  • these legs 12a, 12b of a section of an isosceles triangle widen to their outer sides 14a, 14b, which lie in a plane parallel to the axes A, B and extend at a right angle up to the cuboid height in a U-shape.
  • the inclined central region 10 shown in FIG. 1 is only intended to indicate schematically that, for example, two primary packets 7 lying one above the other can be electrically connected to one another. Of course, it is also conceivable to connect secondary packages to one another in the same way.
  • all the primary packets 7 are connected in series, so that there is advantageously an overall winding with a start 6a and an end 6b and a large number of turns.
  • the secondary packets 9 can be connected to one another in parallel in pairs one above the other so that, for example, three pairs connected in parallel result.
  • the high current required on the secondary side in the transformer 1 can be divided into three, so that the conductor cross section required for a high current in a secondary package 9 can also advantageously be reduced accordingly.
  • a secondary package 9 can be provided as the lower and upper layer. This also has the advantage of better insulation strength, because in this case no primary package lies directly flat with its top or bottom on the inner surface of the ferrite core.
  • the two ferrite core halves 3, 5 are held taut by a tensioning device 13, which usually consists of an upper and lower rectangular plate 15, 17, which are connected to one another in the corners by screws 16.
  • the plates 15, 17 project in the longitudinal direction on both sides beyond the dimensions of the ferrite core halves 3, 5, it being possible for at least one of the plates 15, 17 to also be designed as a heat sink or tension spring.
  • connection lugs 19, 21 being formed on one side in both packages 7, 9.
  • the connection lugs 19 of the primary package 7 lie in the two corners of one side, and the connection lugs 21 of the secondary package 9 also lie in the middle of a side in addition to the two corners.
  • this rectangular ring shape with the connecting lugs 19, 21 protruding from the rectangle results from a stacking of a plurality of rectangular, spiral-shaped lamellae according to FIGS. 6a to 6d and 6f, 6g.
  • the secondary lamella according to FIG. 6a begins with a widened starting area 21a serving as a connecting lug 21 at a corner and leads as a web of constant thickness of, for example, 0.2 to 0.4 mm and constant width of, for example, 6 to 15 mm, each at right angles turning inward in the form of a right-hand spiral.
  • the end 20a of the spiral is, for example, on the same side as the start region 21a and extends beyond the middle of the side.
  • the corner between the start and end regions 21a, 20a of the Spiral can be chamfered, so that this creates a deviation from an ideal rectangular spiral. In this way, the space between the start and end regions 21a, 20a can also be optimally used, so that an optimally small design is possible.
  • the secondary lamella according to FIG. 6b starts from above with an initial region 21b serving as a connecting lug 19 and protruding at right angles to one side in the middle of one side and, as a web of constant thickness and width, leads at right angles in the form of a left spiral with, for example, two turns Inside.
  • the end 20b of the spiral is, for example, on the same side as the start region 21b and extends to the middle of the side.
  • the corner between the start and end regions 21b, 20b of the spiral can be chamfered, so that this results in a deviation from an ideal rectangular spiral. In this way, the space between the start and end regions 21b, 20b can also be optimally used, so that an optimally small design is possible.
  • the slats according to FIGS. 6c and 6d correspond in principle to the slats according to FIGS. 6a and 6b, but are rotated about their longitudinal axis L1.
  • the end regions 20c and 20d which are electrically connected for example by soldering or welding, overlap (dashed line between FIGS. 6c and 6d).
  • the initial areas 21b and 21c of the slats according to FIGS. 6b and 6c and the end areas 20c and 20d of the slats according to FIG. 6c and Fig. 6d can each be electrically connected, for example by soldering, welding or stamping, so that there is a continuously connected winding of a secondary package 9 with a start 21a, a middle 21cd and an end tap 21d.
  • the primary-side lamella according to FIG. 6f is formed in a manner corresponding to the secondary-side lamella according to FIG. 6d, which leads from the top in a left-hand spiral to the inside.
  • the path is of a smaller thickness or width than the secondary lamellae, since the current flow in the exemplary embodiment is smaller on the primary side and, consequently, the conductor cross section can be made smaller.
  • On the primary side only two lamellae according to FIGS. 6f and 6g, which are of uniform design and are likewise rotated with respect to one another along their longitudinal axis L2, are placed one on top of the other, for example flush.
  • the overlapping end regions 20f and 20g can each be electrically connected, for example by soldering or welding (line shown in dashed lines between FIGS. 6f and 6g).
  • the primary lamellae have a smaller conductor cross section than the secondary lamellae, but have more turns.
  • the primary packet 7 is produced on the primary side, as shown in FIG. 6h, and the secondary packet 9, as shown in FIG. 6e, on the secondary side.
  • the number of stacked and interconnected slats and the conductor cross-section can vary on the primary and secondary side.
  • These fins can consist of a material with high conductivity, for example copper, and can be punched, lasered, etched, eroded, cut with a water jet, etc., at least on the secondary side, from an at least 200 ⁇ , preferably 250 ⁇ thick sheet.
  • a secondary packet pair can be connected in parallel by connecting the respective start areas 21a and by connecting the respective start areas 21d. Furthermore, all initial areas 21bc of the secondary packages can be connected to one another to form a single center tap.
  • the connection takes place, as shown in Fig. 2, for example by a conventional, consisting of a screw, a metal spacing or contact sleeve and a nut, the sleeve between two connecting lugs and the eyelets of the connecting lugs and the sleeve from one side penetrated by the screw and pressed together using the nut countered from the other side.
  • an overall conductor cross-section of 25-50 mm 2 , preferably 40-50 mm 2 , effective on the secondary side can be achieved.
  • both lamellas and packets 7, 9 are stacked on top of each other in layers, both lamellas and packets are surrounded with insulation in order to avoid short circuits.
  • This insulation can be adapted to the thread tensions that occur or to the heat that may occur due to the energy flow.
  • the lamella insulation can thin insulating layer, for example by means of lacquer, welding into thin plastic film, fabric fiber, etc., since there the thread tension is lower than on a package.
  • the insulation of the packets on the other hand, must be stronger, since higher voltages occur here.
  • the packets are therefore, for example, injected into plastic, welded or stored in thicker plastic films or fabric fibers, etc.
  • a particular advantage of constructing the turns from primary and secondary lamellae and packets is the good reproducibility in the manufacture (gripping, spraying) of such turns .
  • the primary and secondary packets 7, 9 are alternately stacked on top of one another in such a way that the primary-side connecting lugs 19 lie on one side and the secondary-side connecting lugs 21 lie on the opposite open side of the transmitter 1 and out of the annular one Project the housing from the side.
  • FIG. 9 schematically shows the circuit of a power switching power supply with such a power transformer 1.
  • An output rectifier 30 is connected on the output side to this power transformer 1, which can be structurally directly attached, for example to the connecting lugs 21 on the secondary side or the aforementioned parallel connection, or as close as possible to the power transformer 1. In this way, line losses can be kept as low as possible.
  • the power transformer 1 On the input side, the power transformer 1 is fed by an inverter 33 with a high-frequency alternating current or a high-frequency alternating voltage.
  • the frequency is up to 100 kHz or higher.
  • the Ferrite core of the power transformer 1 can be designed so that it can also transmit this high frequency. This is ensured, for example, by using special ferrite.
  • the three pairs of packets 9, for example, according to FIG. 11, are connected at the winding ends or corner tabs 21 ', 21 "each to an anode of a power rectifier diode 35, the cathodes of which are connected to one another (1st pole).
  • the pair of packets 9 (2nd pole) is realized in this way as a triple rectifier with center rectification, which at the same time ensures double rectification and a division of the current flow.
  • each input rectifier can additionally have a voltage stabilization circuit, for example in the form of a power factor correction 39 ', 39 ", 39'” (PFC) known in other switching power supplies, but not in such power switching power supplies.
  • PFC power factor correction
  • PFC power factor correction
  • such a PFC which, like the input rectifier, is advantageously only loaded with a third of the required input power, can also reduce or completely avoid network effects, harmonics, etc.
  • the voltage connected in parallel to one another after the input rectification is present as a DC voltage at the inverter 33 after smoothing by means of a capacitor 41 (electrolytic capacitor).
  • the inverter is advantageously designed as a transistor bridge circuit with four transistors T1-T4, the bridge voltage of which is present at the ends of the primary winding of the power transformer 1.
  • a phase shift in the connection of the diagonal branches T1-T3, T2-T4 enables the power transformer to be controlled in a voltage-dependent and current-dependent manner with a constant clock frequency, and thus at the output supply the desired voltage and current of the switching power supply.
  • phase shift of the connection of the diagonal branches T1-T3 and T2-T4 can be controlled by a control logic 43 as a function of an output-side current or voltage tap 47, 49 supplied to this control logic.
  • the current can be tapped off, as usual, on the welding electrode.
  • the load case " 0%" is shown in FIG. 12a.
  • the transistor bridge that is to say the tap between transistor T1 and T2 and the tap between transistor T3 and T4, has the same potential without the vertical lines T1-T2 and T3-T4 switching through and causing a short circuit.
  • the load case "100%" is shown in FIG. 12c. As can be seen, this results from a phase shift with respect to FIG. 12a of -180 ° (T3, T4 to T1, T2). As can be seen, the signals of the transistors T1-T3, T2-T4 of the diagonals are in 100% overlap and the signals of the transistors T1-T2, T3-T4 of the vertical are still in push-pull. In this way, the transistor bridge, i.e. the tap between transistor T1 and T2 and the tap between transistor T3 and T4, has a signal with a full amplitude width without the verticals T1-T2 and T3-T4 switching through and causing a short circuit.
  • a dead time t d can be set between the switching operations. Through this dead time t d , the response and switch-off time of a transistor T1-T4 can be taken into account, so that switching of the vertical branches as a result overlapping switching Tl to T2 or T3 to T4 can be prevented. This dead time also ensures that the same potential is present at a transistor T1-T4 at the time of switching. A potential difference present at transistor T1-T4 without dead time t d can be compensated for during dead time t d via the diode junction present in a transistor, for example a field effect transistor. In this way, the transistors are less stressed, which has a positive effect on their service life.
  • power transformers Due to the high-frequency power supply of power transformer 1 of 100 kHz or more not previously known in power switching power supplies in stud welding technology, power transformers can not only be made smaller and lighter due to lower core and coil losses, but the weight and size of the entire power switching power supply can be optimized with the same output power become.
  • switched-mode power supply With such a switched-mode power supply, it is possible to reduce the otherwise very high weight of stud welding switched-mode power supplies, for example to less than 20 kg, without reducing the required output power of up to 50 kW or more, preferably 60 kW, and an efficiency of 0.8 to 0 , 9 and above, for example to reach 0.95. It is also conceivable to use the details described above, namely power transformers, inverters, power chokes, each independently of one another in applications other than that described or to adapt them to other applications.
  • the power transformer can of course also be used in the opposite direction instead of, as in stud welding technology, to step up the current and step down the voltage, that is to say step up the voltage and step down the current.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Leistungsübertrager für ein Leistungsschaltnetzteil, insbesondere für ein Bolzenschweissgerät, mit einem ringförmig geschlossenen Kern und einer darauf angeordneten Primär- und Sekondärwicklung, wobei die Primärwicklung aus mindestens einem Primärpaket (7) und die Sekundärwicklung aus mindestens einem Sekundärpaket (9) bestehen, wobei die Primärpakete (7) mindestens eine Primärlamelle und die Sekundärpakete mindestens eine Sekundärlamelle aufweisen, welche als spiralförmig in einer Ebene ausgebildete elektrische Leiter ausgebildet sind, wobei die Primär- und Sekundärpakete (7, 9) abwechselnd aufeinander in zueinander parallelen Ebenen geschichtet sind.

Description

Leistungsübertrager für ein Leistungsschaltnetzteil, insbesondere für Bolzenschweißgeräte
Die Erfindung betrifft einen Leistungsübertrager für ein Lei- stungsschaltnetzteil, insbesondere für Bolzenschweißgeräte gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Leistungsschaltnetzteil mit einem Leistungsübertrager.
Bekannte derartige Leistungsübertrager für Leistungsschalt- netzteile, wie sie beispielsweise in der Bolzenschweißtechnik verwendet werden, müssen eine Ausgangsleistung von mehreren kW, beispielsweise bis zu 50 kW, abgeben können. Durch diese hohe Leistung bedingt sind bekannte Leistungsübertrager schwer und in ihren Abmessungen groß ausgebildet. Da die Leistungs- Übertrager üblicherweise die Abmessungen sowie das Gewicht von
Schaltnetzteilen zum Großteil bestimmen, sind derartige
Schaltnetzteile nachteiligerweise wegen ihrer baulichen Größe und ihres Gewichts unhandlich. Weiterhin weisen derartige
Leistungsübertrager wegen ihrer Baugröße im Betrieb relativ hohe Verlustleistungen im Kern (Hystereseverluste) sowie in den Wicklungen (ohmsche Verluste) auf und sind wegen ihrer notwendigen Baugröße kostenaufwendig in der Herstellung.
Weiterhin uss die gesamte Bauelemente-Peripherie eines Schaltnetzteils mit einem bekannten Leistungsübertrager wegen der relativ hohen Verluste des Leistungsübertragers für sehr hohe Leistungen ausgelegt werden. Die Konstruktion eines derartigen Schaltnetzteils ist deshalb kostenintensiv und bauaufwendig.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Leistungsübertrager zu schaffen, der im Betrieb geringere Verluste aufweist, dessen Bauform leichter und kleiner ist und dessen Herstellung auf einfache und kostengünstige Weise möglich ist, sowie ein Leistungsschaltnetzteil mit einem derartigen Leistungsübertrager.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der An- sprüche 1 und 10 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines Leistungsübertragers mit in reihegeschalteten Primärpaketen;
Fig. 2 eine Rückansicht eines Leistungsübertrager nach Fig. 1 mit parallegeschalteten Sekundärpaketpaaren;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Leistungsübertrager nach Fig. 1.
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Primärpa- kets;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Sekundärpakets;
Fig. 6a-6e eine perspektivische Ansicht der Einzelheiten und des Aufbaus des Sekundärpakets nach Fig. 5;
Fig. 6f-6h eine perspektivische Ansicht der Einzelheiten und des Aufbaus des Primärpakets nach Fig. 4; Fig. 7 eine Seitenansicht einer Hälfte eines in dem
Leistungsübertrager nach Fig. 1 verwendeten Ferritkerns;
Fig. 8 eine Draufsicht auf eine Hälfte des Ferritkerns nach Fig. 7;
Fig. 9 ein schematisches Schaltbild eines Leistungsschaltnetzteils mit einem Leistungsübertrager nach Fig. 1;
Fig. 10 eine Detailschaltbilddarstellung eines Wechselrichters nach Fig. 5;
Fig. 11 eine Detailschaltbilddarstellung des Leistungsübertragers nach Fig. 5 mit einem sich daran anschließenden Ausgangsgleichrichter und
Fig. 12a-12c eine Diagrammdarstellung unterschiedlicher Belastungsfälle des Wechselrichters nach Fig.
10.
Der in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellte Leistungsübertrager 1 weist einen aus einer oberen Hälfte 3 und einer hierzu spiegelsymmetrisch ausgebildeten unteren Hälfte 5 aufgebauten Ferritkern auf, die in Fig. 7 und 8 als Einzelteil dargestellt sind. Dieser Ferritkern umgibt ringförmig im Inneren abwechselnd horizontal aufeinander gelagerte Primär- und Sekundärpa- kete 7, 9. Die in parallelen horizontalen Ebenen liegenden Pakete werden senkrecht mittig von einem in Fig.l nur als gestrichelt dargestellten Joch 11 des Ferritkerns durchdrungen. Wie aus Fig. 7 und Fig. 8 ersichtlich, besteht eine Ferritkernhälfte 3, 5 aus einem quaderförmigen Joch 11 im Zen- trum, aus dem sich beidseitig entlang der Achse der Quader- grundseite einander gegenüberliegende L-förmige Schenkel 12a, 12b erstrecken. Im Grundriss verbreitern sich diese Schenkel 12a, 12b eines Abschnitts eines gleichschenkligen Dreiecks bis zu ihren Außenseiten 14a, 14b, die in einer Ebene parallel zu den Achsen A, B liegen und sich rechtwinklig nach oben bis zur Quaderhöhe U-förmig erstrecken. Bei einem bündigen Aufeinan- dersetzen der unteren und der oberen Hälfte 3, 5, so dass sich beide U-förmigen Hälften zu einem Ring schließen, umschließt der Ferritkern auf diese Weise die Pakete 7, 9 ringförmig, wobei das Joch 11 des Ferritkerns die Pakete 7, 9 senkrecht durchdringt.
Der in Fig. 1 dargestellte schräge Mittelbereich 10 soll nur schematisch andeuten, dass beispielsweise jeweils zwei über- einanderliegende Primärpakete 7 miteinander elektrisch verbunden sein können. Selbstverständlich ist es auch denkbar, in gleicher Weise Sekundärpakete miteinander zu verbinden.
In der bevorzugten Ausführungsform sind alle Primärpakete 7 in Reihe verbunden, so dass sich vorteilhafterweise eine Gesamtwicklung mit einem Anfang 6a und einem Ende 6b und einer großen Anzahl von Windungen ergibt.
Die Sekundärpakete 9 können dagegen in jeweils übereinander liegenden Paaren miteinander parallel verbunden sein, so dass sich beispielsweise drei parallelgeschaltete Paare ergeben. Hierdurch kann der sekundarseitig benötigte hohe Strom im Übertrager 1 gedrittelt werden, so dass sich auch vorteilhafterweise der für einen hohen Strom benötigte Leiterquerschnitt in einem Sekundärpaket 9 entsprechend verringern lässt.
Um eine möglichst große Anzahl von Sekundärpaketen 9 im Übertrager 1 unterzubringen, kann als untere und obere Lage ein Sekundärpaket 9 vorgesehen sein. Dies hat weiterhin den Vor- teil einer besseren Isolationsfestigkeit, da in diesem Fall kein Primärpaket direkt flächig mit seiner Ober- oder Unterseite an der Innenfläche des Ferritkerns anliegt.
Die beiden Ferritkernhälften 3 , 5 werden durch eine Spannvor- richtung 13, die üblicherweise aus einer oberen und unteren rechteckigen Platte 15, 17 besteht, welche in den Ecken über Schrauben 16 miteinander verbunden sind, gespannt gehalten. Die Platten 15, 17 ragen hierzu in Längsrichtung beidseitig über die Abmessungen der Ferritkernhäften 3 , 5 hinaus, wobei mindestens eine der Platten 15, 17 auch als Kühlkörper oder Spannfeder ausgebildet sein kann.
Die in Fig. 4 und Fig. 5 als Einzelheit dargestellten Primär- und Sekundärpakete 7, 9 weisen die gleiche Rechteckringform auf, wobei bei beiden Paketen 7, 9 an einer Seite hervorragende Anschlussfahnen 19, 21 ausgebildet sind. Die Anschlussfahnen 19 des Primärpakets 7 liegen in den beiden Ecken einer Seite, und die Anschlussfahnen 21 des Sekundärpakets 9 liegen zusätzlich zu den beiden Ecken auch in der Mitte einer Seite.
Wie aus Fig. 6a bis 6h ersichtlich, entsteht diese Rechteckringform mit den aus dem Reckteck herausragenden Anschlussfahnen 19, 21 aus einer Übereinanderschichtung mehrerer rechteckig spiralförmig ausgebildeter Lamellen nach Fig. 6a bis Fig. 6d und Fig. 6f, Fig. 6g.
Die Sekundärlamelle nach Fig. 6a beginnt von oben gesehen mit einem als Anschlussfahne 21 dienenden verbreiterten Anfangsbereich 21a an einer Ecke und führt als Bahn gleichbleibender Dicke von beispielsweise 0,2 bis 0,4 mm und gleichbleibender Breite von beispielsweise 6 bis 15 mm, jeweils rechtwinklig abbiegend in Form einer Rechtsspirale nach innen. Das Ende 20a der Spirale befindet sich beispielsweise auf derselben Seite wie der Anfangsbereich 21a und reicht bis über die Seitenmitte hinaus. Die Ecke zwischen Anfangs- und Endbereich 21a, 20a der Spirale kann abgeschrägt sein, so dass hierdurch eine Abweichung gegenüber einer idealen Rechteckspirale entsteht. Auf diese Weise kann auch der Raum zwischen Anfangs- und Endbereich 21a, 20a optimal ausgenützt werden, so dass eine optima- le kleine Bauform möglich ist.
Die Sekundärlamelle nach Fig. 6b beginnt dagegen von oben gesehen mit einem als Anschlussfahne 19 dienenden, rechtwinklig zu einer Seite herausragenden Anfangsbereich 21b in der Mitte einer Seite und führt als Bahn gleichbleibender Dicke und Breite jeweils rechtwinklig abbiegend in Form einer Linksspirale mit beispielsweise zwei Windungen nach innen. Das Ende 20b der Spirale befindet sich beispielsweise auf derselben Seite wie der Anfangsbereich 21b und reicht bis zur Seiten- mitte. Die Ecke zwischen Anfangs- und Endbereich 21b, 2Ob der Spirale kann abgeschrägt sein, so dass hierdurch eine Abweichung gegenüber einer idealen Rechteckspirale entsteht. Auf diese Weise kann auch der Raum zwischen Anfangs- und Endbereich 21b, 2Ob optimal ausgenützt werden, so dass eine optima- le kleine Bauform möglich ist.
Bei einem beispielsweise bündigen Aufeinanderlegen der beiden Lamellen nach Fig. 6a und Fig. 6b, so dass die Anfangs- und Endbereiche 21a, 21b, 20a, 20b auf der gleichen Seite liegen, überlappen sich die Endbereiche 20a und 20b, welche beispielsweise durch Löten oder Schweißen elektrisch verbunden werden (gestrichelt dargestellte Linie zwischen Fig. 6a und Fig. 6b) .
Die Lamellen nach Fig. 6c und Fig. 6d entsprechen im Prinzip den Lamellen nach Fig. 6a und Fig. 6b, sind allerdings um ihre Längsachse Ll gedreht. Bei einem bündigen Aufeinanderlegen der beiden Lamellen nach Fig. 6c und Fig. 6d überlappen sich die Endbereiche 20c und 20d, welche beispielsweise durch Löten oder Schweißen elektrisch verbunden werden, (gestrichelt dar- gestellte Linie zwischen Fig. 6c und Fig. 6d) . Bei einem Auf- einanderlegen aller vier Lamellen überlappen sich so die Endbereiche 20a und 20b der Lamellen nach Fig. 6a und Fig. 6b, die Anfangsbereiche 21b und 21c der Lamellen nach Fig. 6b und Fig. 6c sowie die Endbereiche 20c und 20d der Lamellen nach Fig. 6c und Fig. 6d. Die überlappenden Anfangs- bzw. Endbereiche können jeweils beispielsweise durch Löten, Schweißen oder Stanzen elektrisch verbunden werden, so dass sich eine durchgehend verbundene Wicklung eines Sekundärpaketes 9 mit einem Anfangs- 21a, einem Mittel- 21cd und einem Endabgriff 21d ergibt.
In entsprechender Weise wie die sekundärseiteige Lamelle nach Fig. 6d ist die primärseitige Lamelle nach Fig. 6f ausgebildet, die von oben gesehen in einer Linksspirale nach innen führt. Allerdings ist die Bahn gegenüber den Sekundärlamellen von geringerer Dicke bzw. Breite, da der Stromfluss im Ausführungsbeispiel auf der Primärseite kleiner ist und demzufolge der Leiterquerschnitt geringer ausgebildet werden kann. Pri- märseitig werden aber nur zwei gleichförmig ausgebildete, ebenfalls zueinander entlang ihrer Längsachse L2 verdrehte Lamellen nach Fig. 6f und Fig. 6g, beispielsweise bündig, aufeinandergelegt. Die sich überlappenden Endbereiche 20f und 20g können jeweils beispielsweise durch Löten oder Schweißen elektrisch verbunden werden (gestrichelt dargestellte Linie zwi- sehen Fig. 6f und Fig. 6g) .
Da im Ausführungsbeispiel die Spannung herunter- und der Strom hinauftransformiert werden sollen, weisen die Primärlamellen im Vergleich zu den Sekundärlamellen zwar einen geringeren Leiterquerschnitt, aber mehr Windungen auf.
Auf diese Weise entsteht primärseitig, wie in Fig. 6h dargestellt, das Primärpaket 7 und sekundarseitig, wie in Fig. 6e dargestellt, das Sekundärpaket 9. Selbstverständlich können je nach Anwendung und Bedarf die Anzahl der aufeiandergelagerten und durchverbundenen Lamellen und der Leiterquerschnitt primär- wie sekundarseitig variieren.
Diese Lamellen können aus einem Material mit hoher Leitfähigkeit, beispielsweise Kupfer, bestehen und wenigstens sekundarseitig aus einem mindestens 200μ, vorzugsweise 250μ dicken Blech beispielsweise gestanzt, gelasert, geätzt, erudiert, mit einem Wasserstrahl geschnitten, etc. werden.
Wie in Fig. 2 ersichtlich, kann die Parallelschaltung eines Sekundärpaketpaars durch eine Verbindung der jeweiligen Anfangsbereiche 21a und durch Verbinden der jeweiligen Anfangs- bereiche 21d erfolgen. Weiterhin können alle Anfangsbereiche 21bc der Sekundärpakete miteinander zu einem einzigen Mittelabgriff verbunden werden. Die Verbindung erfolgt, wie in Fig. 2 dargestellt, beispielsweise durch eine übliche, aus einer Schraube, einer Metallabstands- bzw. Kontakthülse und einer Mutter bestehende Klemme, wobei die Hülse zwischen zwei Anschlussfahnen liegt und die Ösen der Anschlussfahnen sowie die Hülse von einer Seite von der Schraube durchdrungen und mittels der von der anderen Seite konternden Mutter zusammenge- presst werden.
Durch eine derartige parallele Verschaltung der Sekundärpakete kann ein sekundarseitig wirksamer Gesamtleiterquerschnitt von 25-50 mm2, vorzugsweise 40-50 mm2, erreicht werden.
Da sowohl Lamellen als auch Pakete 7, 9 in Lagen aufeinander geschichtet werden, sind sowohl Lamellen als auch Pakete, um Kurzschlüsse zu vermeiden, mit einer Isolierung umgeben. Diese Isolierung kann an die auftretenden Gewindespannungen bzw. an die evtl. durch den Energiefluss auftretende Wärme angepasst werden. Vorteilhafterweise kann so die Lamellenisolierung als dünne Isolierschicht, beispielsweise mittels Lack, Einschweißen in dünne Kunststofffolie, Gewebefaser, etc. ausgebildet sein, da dort die Gewindespannung geringer ist als an einem Paket. Die Isolierung der Pakete muss dagegen stärker sein, da hier höhere Spannungen auftreten. Die Pakete sind deshalb beispielsweise in Kunststoff eingespritzt, in dickere Kunststofffolien oder Gewebefasern eingeschweißt oder gelagert, etc. Ein besonderer Vorteil an einem Aufbau der Windungen aus Primär- und Sekundärlamellen und Paketen liegt in der guten Reproduzierbarkeit bei der Herstellung (Fassen, Spritzen) derartiger Windungen.
Wie in Fig. 3 dargestellt, sind die Primär- und Sekundärpakete 7, 9 so abwechselnd aufeinandergeschichtet, dass die primär- seitigen Anschlussfahnen 19 auf einer Seite und die sekundär- seitigen Anschlussfahnen 21 auf der gegenüberliegenden offenen Seite des Übertragers 1 liegen und aus dem ringförmigen Gehäuse seitlich hervorragen.
In Fig. 9 ist schematisch die Schaltung eines Leistungsschaltnetzteils mit einem derartigen Leistungsübertrager 1 dargestellt.
An diesen Leistungsübertrager 1 schließt sich ausgangsseitig ein Ausgangsgleichrichter 30 an, der baulich direkt, beispielsweise an den sekündarseitigen Anschlussfahnen 21 bzw. deren vorgenannter Parallelschaltung, oder möglichst nah an dem Leistungsübertrager 1 angebracht sein kann. Auf diesem Wege können Leitungsverluste möglichst gering gehalten werden.
Eingangsseitig wird der Leistungsübertrager 1 von einem Wechselrichter 33 mit einem hochfrequenten Wechselstrom bzw. einer hochfrequenten Wechselspannung gespeist. Die Frequenz beträgt hierbei bis zu 100 kHz oder höher. Selbstverständlich muss der Ferritkern des Leistungsübertragers 1 so ausgelegt sein, dass er auch diese hohe Frequenz übertragen kann. Dies wird beispielsweise durch die Verwendung von Spezialferrit gewährleistet.
Sekundarseitig werden die beispielsweise drei Paketpaare 9 gemäß Fig. 11 an den Wicklungsenden bzw. Eckfahnen 21', 21" jeweils an einer Anode einer Leistungsgleichrichterdiode 35 angeschlossen, deren Kathoden miteinander verbunden sind (1. Pol) . Mit den ebenfalls miteinander verbundenen Mittelabgriffen 21'" der Paketpaare 9 (2. Pol) ist auf diese Weise ein dreifacher Gleichrichter mit Mittelpunktgleichrichtung realisiert der zugleich eine Doppelgleichrichtung und eine Teilung des Stromdurchflusses gewährleistet.
Eingangsseitig werden in dem Schaltnetzteil die drei Phasen Ll, L2, L3 eines Drehstroms in drei voneinander unabhängigen Eingangsgleichrichtern 37', 37", 37"' gleichgerichtet. Um eine stabile Spannung zu gewährleisten, kann jeder Eingangs- gleichrichter zusätzlich eine Spannungsstabilisierungsschal- tung aufweisen, beispielsweise in Form einer in anderen Schaltnetzteilen, aber nicht in derartigen Leistungsschaltnetzteilen bekannten Leistungsfaktorkorrektur 39', 39", 39'" (PFC) . Über diese PFC ist es möglich selbst bei unterschiedli- chen Stromnetzen (z.B. USA) nach der Eingangsgleichrichtung eine stabile einheitliche Spannung zu erhalten. Weiterhin können über eine derartige PFC, die vorteilhafterweise ebenso wie der Eingangsgleichrichter jeweils nur mit einem Drittel der benötigten Eingangsleistung belastet wird, auch Netzrück- Wirkungen, Oberwellen, etc. vermindert oder gänzlich vermieden werden und darüber hinaus auch die Eigenschaften hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) verbessert werden. Die nach der Eingangsgleichrichtung parallel zueinander geschaltete Spannung liegt nach der Glättung mittels eines Kondensators 41 (Elko) als Gleichspannung am Wechselrichter 33 an. Der Wechselrichter ist gemäß Fig. 10 vorteilhafterweise als Transisorbrückenschaltung mit vier Transistoren T1-T4 ausgebildet, deren Brückenspannung an den Enden der Primärwicklung des Leistungsübertragers 1 anliegt.
Durch diesen Aufbau und eventueller weiterer zu jedem einzel- nen Transistor parallel geschalteter Transistoren ist es mittels Stromteilung möglich, trotz benötigter hoher Leistung Standardtransistoren zu verwenden.
Wie in Fig. 12a bis Fig. 12c dargestellt, kann über eine Pha- senverschiebung der Durchschaltung der Diagonalzweige T1-T3 , T2-T4, infolge einer Amplitudenbreitenveränderung des Brückensignals, der Leistungsübertrager bei gleichbleibender Taktfrequenz spannungs- und stromabhängig gesteuert werden und so am Ausgang des Schaltnetzteils die gewünschte Spannung und den gewünschten Strom liefern.
Hierzu kann die Phasenverschiebung der Durchschaltung der Diagonalzweige T1-T3 und T2-T4 von einer Ansteuerlogik 43 abhängig von einem dieser Ansteuerlogik zugeführten ausgangsseiti- gen Strom- oder Spannungsabgriff 47, 49 gesteuert werden. Hierbei kann der Stromabgriff beispielsweise wie üblich an der Schweißelektrode erfolgen.
In Fig. 12a bis Fig. 12c sind schematisch die für unterschied- liehe Belastungsfälle notwendigen Schaltverhalten der Transistoren T1-T4 dargestellt.
In Fig. 12a ist beispielsweise der Belastungsfall ,,0%" dargestellt. Wie ersichtlich, befinden sich sowohl die Signale der Transistoren T1-T3, T2-T4 der Diagonalen und die Signale der Transistoren T1-T2, T3-T4 der Vertikale im Gegentakt. Auf diese Weise liegt an der Transistorbrücke, also an dem Abgriff zwischen Transistor Tl und T2 und dem Abgriff zwischen Transistor T3 und T4 gleiches Potential, ohne dass die Vertikalen T1-T2 und T3-T4 durchschalten und einen Kurzschluss verursachen.
In Fig. 12b ist dagegen der Belastungsfall "50%" dargestellt. Dies resultiert wie ersichtlich aus einer Phasenverschiebung gegenüber Fig. 12a von -90° (T3,T4 zu T1,T2) . Wie ersichtlich, befinden sich sowohl die Signale der Transistoren T1-T3 , T2-T4 der Diagonalen in 50% Überlappung und die Signale der Transistoren T1-T2, T3-T4 der Vertikale weiterhin im Gegentakt. Auf diese Weise liegt an der Transistorbrücke, also an dem Abgriff zwischen Transistor Tl und T2 und dem Abgriff zwischen Transistor T3 und T4, ein Signal mit halber Amplitudenbreite an, ohne dass die Vertikalen T1-T2 und T3-T4 durchschalten und einen Kurzschluss verursachen.
In Fig. 12c ist dagegen der Belastungsfall "100%" dargestellt. Dies resultiert wie ersichtlich aus einer Phasenverschiebung gegenüber Fig. 12a von -180° (T3,T4 zu T1,T2) . Wie ersichtlich, befinden sich die Signale der Transistoren T1-T3, T2-T4 der Diagonalen in 100% Üperlappung und die Signale der Transi- stören T1-T2, T3-T4 der Vertikale weiterhin im Gegentakt. Auf diese Weise liegt an der Transisorbrücke, also an dem Abgriff zwischen Transistor Tl und T2 und dem Abgriff zwischen Transistor T3 und T4, ein Signal mit voller Araplitudenbreite an, ohne dass die Vertikalen T1-T2 und T3-T4 durchschalten und einen Kurzschluss verursachen.
Weiterhin ist zwischen den Schaltvorgängen jeweils eine Totzeit td einstellbar. Durch diese Totzeit td kann die Ansprech- und Abschaltzeit eines Transistors T1-T4 berücksichtigt wer- den, so dass ein Durchschalten der Vertikalzweige infolge überlappenden Schaltens Tl zu T2 bzw. T3 zu T4 verhindert werden kann. Weiterhin wird duch diese Totzeit gewährleistet, dass an einem Transistor T1-T4 im Zeitpunkt des Schaltens gleiches Potential anliegt. Ein ohne Totzeit td vorhandener Potentialunterschied am Transistor T1-T4 kann sich während der Totzeit td über den in einem Transistor, beispielsweise Feldeffekttransistor, vorhandenen Diodenübergang ausgleichen. Auf diese Weise werden die Transistoren weniger beansprucht, was sich auf deren Lebensdauer positiv auswirkt.
Statt der dargestellten Wechselrichtung mittels Phase-Shift- Verfahren mit konstanter Frequenz, ist es selbstverständlich auch denkbar andere Wechselrichtungsverfahren mit beispielsweise variabler Hochfrequenz - um einen Arbeitspunkt von 100 kHz oder mehr - zu verwenden.
Durch die in Leistungsschaltnetzteilen in der Bolzenschweißtechnik bisher nicht bekannte hochfrequente Speisung des Leistungsübertragers 1 von 100 kHz oder mehr kann zudem nicht nur wegen geringerer Kern- und Spulenverluste der Leistungsübertrager kleiner und leichter ausgebildet werden, sondern das gesamte Leistungsschaltnetzteil bei gleichbleibender Ausgangsleistung in Gewicht und Größe optimiert werden.
Durch die verwendeten Lösungen bei der Eingangsgleichrichtung, der Wechselrichtung, der Transformierung und der Ausgangsgleichrichtung ist es zudem möglich, auf kostengünstige Standardbauelemente zurückzugreifen.
Mit einem derartigen Schaltnetzteil ist es so möglich, das sonst sehr hohe Gewicht von Bolzenschweißschaltnetzteilen beispielsweise auf unter 20kg zu reduzieren, ohne die benötigte Ausgangsleistung von bis zu 50 kW oder mehr, vorzugsweise 60 kW, zu verringern und einen Wirkungsgrad von 0,8 bis 0,9 und darüber, beispielsweise 0,95 zu erreichen. Es ist auch denkbar, die vorstehend beschriebenen Einzelheiten, nämlich Leistungsübertrager, Wechselrichter, Leistungsdrossel, jedes für sich unabhängig voneinander in anderen Anwendungen als der beschriebenen zu verwenden bzw. an andere Anwendungen anzupassen.
So kann der Leistungsübertrager statt wie in der Bolzenschweißtechnik zum Hochtransformieren des Stromes und zum Heruntertransformieren der Spannung selbstverständlich auch in umgekehrter Richtung, also zum Hochtransformieren der Spannung und Heruntertransformieren der Stromes eingesetzt werden.

Claims

Leistungsübertrager für ein Leistungsschaltnetzteil, insbesondere für BolzenschweißgerätePatentansprüche
1. Leistungsübertrager für ein Leistungsschaltnetzteil, insbesondere für ein Bolzenschweißgerät, mit einem ringförmig geschlossenen Kern und einer darauf angeordneten Primär- und Sekundärwicklung,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Primärwicklung aus mindestens einem Primärpaket (7) und die Sekundärwicklung aus mindestens einem Sekundärpaket (9) bestehen,
dass die Primärpakete (7) mindestens eine Primärlamelle und die Sekundärpakete mindestens eine Sekundärlamelle aufwei- sen,
dass die Lamellen als spiralförmig in einer Ebene ausgebildete elektrische Leiter ausgebildet sind und
dass die Primär- und Sekundärpakete (7, 9) abwechselnd aufeinander in zueinander parallelen Ebenen geschichtet sind.
2. Leistungsübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ringförmige Kern ein Joch (11) aufweist, welches die Pakete (7, 9) senkrecht zu deren Ebene durchdringt und einen Innenraum im Inneren der Pakete im Wesentlichen ausfüllt.
3. Leistungsübertrager nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (11) die Mittelachse des Rings bildet.
4. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärpakete (7) und die Sekundärpakete (9) ringförmig ausgebildet sind.
5. Leistungsübertrager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pakete (7, 9) rechteckförmig ausgebildet sind.
6. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass die Primär- und die Sekundärlamellen als Links- oder Rechtsspirale ausgebildet sind.
7. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärpaket (7) zwei
Anschlussfahnen (19f, 19g) aufweist, wobei mehrere Primärlamellen miteinander seriell verbunden sind.
8. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärpaket (9) drei Anschlussfahnen (21a, 21bc, 21d) aufweist, wobei mehrere Sekundärlamellen miteinander seriell verbunden sind.
9. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sekundärpakete
(9) über Anschlussfahnen (21a, 21d) miteinander parallel verbunden sind.
10. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei übereinan- derliegende Sekundärpakete zu einem Paar über Anschlussfahnen (21a, 21d) parallel miteinander verbunden sind.
11. Leistungsübertrager nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass die mittleren Anschlussfahnen (21bc) mehrerer Pakete miteinander verbunden sind.
12. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Primärpakete über Anschlussfahnen (19f, 19g) miteinander in Reihe verbunden sind.
13. Leistungsübertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pakete (7, 9) mit Kunststoff uraspritzt sind.
14. Leistungsschaltnetzteil mit einem Leistungsübertrager, einem Eingangsgleichrichter (37', 37", 37'"), einem Wechselrichter (33) und einem Ausgangsgleichrichter (30) , dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsübertrager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
15. Leistungsschaltnetzteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsgleichrichter (30) baulich am Leistungsübertrager (1) angeordnet ist.
16. Leistungsschaltnetzteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (33) den Leistungsübertrager (1) mit einer Frequenz von 100 kHz oder mehr taktet.
17. Leistungsschaltnetzteil nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (33) als Transistorbrücke mit vier Transistoren (Tl, T2, T3, T4) ausgebildet ist.
18. Leistungsschaltnetzteil nach einem der Ansprüche 14 bis
17, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem Transistor (Tl, T2, T3, T4) wenigstens ein weiterer Transistor parallel geschaltet ist.
19. Leistungsschaltnetzteil nach einem der Ansprüche 14 bis
18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (33) über eine Ansteuerlogik (43) mit einer Frequenz von 100 kHz oder mehr getaktet ist.
20. Leistungsschaltnetzteil nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schaltvorgängen der Diagonalzweige (T1-T3, T2-T4) des Wechselrichters (33) eine Totzeit td vorgesehen ist und an einem Tran- sistor (Tl, T2, T3, T4) während des Schaltens gleiches Potential anliegt.
21. Leistungsschaltnetzteil nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsgleichrichter (37', 37", 37"') eine PFC-Schaltung (39', 39", 39'") aufweist.
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