EP3304570A1 - Geräuscharmer spezialtransformator - Google Patents

Geräuscharmer spezialtransformator

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EP3304570A1
EP3304570A1 EP16734034.8A EP16734034A EP3304570A1 EP 3304570 A1 EP3304570 A1 EP 3304570A1 EP 16734034 A EP16734034 A EP 16734034A EP 3304570 A1 EP3304570 A1 EP 3304570A1
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EP
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transformer
coils
housing
coil
transformer according
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EP16734034.8A
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English (en)
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EP3304570B1 (de
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Wladimir Weigandt
Hans-Dieter MÜLLER
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Manfred Schmelzer GmbH
Original Assignee
Manfred Schmelzer GmbH
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Publication date
Application filed by Manfred Schmelzer GmbH filed Critical Manfred Schmelzer GmbH
Publication of EP3304570A1 publication Critical patent/EP3304570A1/de
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Publication of EP3304570B1 publication Critical patent/EP3304570B1/de
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures
    • H01F27/325—Coil bobbins
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/022—Encapsulation
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/30—Fastening or clamping coils, windings, or parts thereof together; Fastening or mounting coils or windings on core, casing, or other support
    • H01F27/303—Clamping coils, windings or parts thereof together
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    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/245—Magnetic cores made from sheets, e.g. grain-oriented

Definitions

  • the invention relates to a working with low frequency electrical transformer.
  • the invention is in particular a special transformer with extremely good structure-borne sound and / or airborne sound in unusually elongated and extremely flat design because of an available or intended installation space.
  • the very low structure-borne noise and airborne sound behavior lies over an extended ambient temperature range according to so-called MIL or "automotive” specifications below the low limit values, as they are customary in industry, for example in the automotive sector.
  • a transformer constructed in accordance with the invention should have a substantially lower input current than the value of the primary input current at a minimum specified capacitive load.
  • the invention relates to methods for cost-optimal production of such a transformer.
  • Tesla Transformer As it is known with its preferred pyramidal shape, for example, from the patent US 1, 1 19,732.
  • transformers either of their shape and dimensions, performance class, cost or noise emissions, are not suitable for realizing the functions as is possible with a miniature transformer according to the invention.
  • this document cites E-shaped core parts and, in contrast to the present invention, is based on metallic separating plates between axially aligned coils.
  • the invention has for its object to provide a transformer having all the following properties in combination, namely:
  • transformer windings which are distributed as linearly successive, flushing spools on wide baffles nd, wherein egg nzi ge centrally symmetrically arranged primary coil and two other, as Sekudärwickl ung interconnected coils in mechanically concatenated (concatenated) construction are available, the length of the transformer does not exceed 8 times the height, the degree of height of the transformer maximum 13 mm and the volume of the transformer including an associated housing is limited to 130 cubic centimeters, preferably only 60 cubic centimeters.
  • the existing bobbins are all aligned coincidentally axially along their longitudinal axes and are mechanically chained together adhering to predefined rotational positions about the longitudinal axis, preferably by means of uniform, highly symmetrical shaped clip-connection devices.
  • a further aspect of the solution consists in a method for producing such a transformer, which comprises the following method steps: a) winding and provision of coils on bobbin, which preferably have the same cross-sectional dimensions and snap-in (activatable) clip devices b) generating a combined Mechanically integral coil set by stringing together three or more such coils by means of said clip devices in the direction of the coil axes c) Completing the transformer by alternately inserting ferromagnetic core material in said one-piece coil set and then attaching the coil set to the transformer core thus formed
  • Fig. 1 is a schematic plan view of a transformer according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic perspective proportionate view
  • Fig. 3 is a perspective complete view
  • Fig. 4 is a schematic view of the invention
  • a transformer according to the invention with the required service characteristics consists, as shown in schematic form in FIG. 1, of a special transformer core and special transformer coils.
  • the transformer coils according to the invention consist of at least three individual coils 10, 20 and 30. These are arranged axially aligned and produce in this way the exceptionally unusually large ratio of length to cross section (width times height) of the transformer.
  • a transformer according to the invention is equipped with further axially aligned coils.
  • the centrally symmetrically arranged coil 20 is preferably used as a primary coil, while coils 10 and 30 preferably function as secondary coils.
  • coils 10 and 30 are electrically connected in series. They then generate in combination not only in a conventional manner a desired secondary voltage, but also in a innovative way a relatively large leakage inductance.
  • the feeding of the primary voltage takes place via the connection contacts 21, 22, while the output of the contactor is in contact with the secondary voltage, e.g. via the terminal contacts 1 1 and 32 takes place, wherein the terminal contacts 12 and 31 are then electrically connected (not shown) and the individual secondary voltages of coils 10 and 30 are thus added in the correct phase.
  • Another essential aspect of the invention is the use of completely uniform highly symmetrical and elongated bobbins. These are provided in a conventional manner as needed with different Wickelungen made of enamel-insulated wire.
  • the leakage flux is increased in accordance with the invention desired, without regard to desired overall efficiency and No-load current special disadvantages arise.
  • a transformer length is preferred which is more than four times, preferably more than five times the width of the transformer.
  • a transformer height can be provided in this way, which is only less than a sixth, preferably less than one-eighth of the transformer length.
  • the required electrical properties of the transformer according to the invention are also realized inexpensively by using only commercially available cheapest transformer sheet materials, ie only in cold-rolled or grain-oriented design. It is therefore not necessary to use expensive special materials such as ferrite, high nickel or amorphous metals in order to provide the highest quality of service properties, and according to the innovation, this can be dispensed with.
  • FIG. 2 shows a transformer according to the invention comparable to Fig. 1 in a diagrammatic perspective view, but partially assembled. without primary coil 20.
  • connection contacts 1 1, 12, etc. can be provided with contact pins, solder lugs or other connection means.
  • the transformer core 40, 41 is advantageously made of sheets of ED cut.
  • the sheets are also held together with rivets of suitable design, or with a bond, or with a suitable form-fitting connection, also to meet the acoustic requirements.
  • the transverse yoke of said sheets of transformer core is held relatively wide, approximately twice as wide as a leg width.
  • FIG. 3 A particularly advantageous embodiment of the invention (English: Best mode of invention) is shown in Fig. 3.
  • the bobbins shown (10 ', 20', 30 ') allow a particularly compact and efficient construction.
  • a special aspect of the invention relates to the arrangement and orientation of the pin-shaped contact terminals 1 1, 12, etc., which have to save space alternately to the left and to the right side; nevertheless, the bobbins are uniformly highly symmetric and of identical shape.
  • the modular arrangement of coils in a transformer designed according to the invention is particularly suitable for automation and, in a further optimized embodiment of the invention, results in even lower production costs.
  • FIG. 1 The principle of the axially directed connection of transformer coils is shown in FIG.
  • Each of the schematically shown coils 110, 120, 150 with electrical connection elements 111, 112, etc. has one or more clip or latching devices 115, 116 for a positive connection.
  • the clip or Verrastungsvoriquesen can in a variety of shapes, for example in the manner of tongue and groove, are performed and are shown in Fig. 4 only schematically and in the simplest form to suggest the principle.
  • a secondary AC voltage with the size of the pointer U21 is generated.
  • a capacitive load is a secondary AC voltage of the size of the pointer U22. This is in any case greater than pointer U21 due to the capacitive and leakage-related vectorial variable 122 * (R + jXs). (jXs denotes leakage flux impedance with inductive or capacitive load).
  • the invention is therefore less suitable for inductive components that are to be operated with a relatively high nominal voltage. Accordingly, the transformer according to the invention can be operated in an innovative manner as needed and by selecting a suitable frequency of the primary voltage (operating frequency) also in the vicinity of the associated electrical resonance.
  • the transformer according to the invention help in a special way to be able to energize a downstream intended, substantially capacitive load of a few hundred nano Farad or more.
  • the mentioned electrical or magnetic design of the invention also has an innovative effect that the primary-side current at idling is substantially (at least 70%) smaller than compared to the operation of the transformer at the lower limit of such intended load-range.
  • the invention is therefore particularly suitable for a downstream load in the form of an electrochromic or LCD shading device in the sense of sun protection.
  • Such a sunscreen or a corresponding shading device is mentioned, for example, in claim 7 of DE19962115A.
  • a particularly important embodiment of the invention with optimum suitability for the automotive market is shown in FIG.
  • the bottom of the plastic housing can also be provided with a thin layer of potting compound. After curing of this layer, the transformer body is inserted and then finally wrapped with potting compound.
  • Transformer body on the housing bottom, with a total bearing surface (reference numeral 34) from zero to less than 150 mm ** 2
  • the very small housing 160 shown substantially to scale in FIG. 6, has a height of only 13 mm (reference numeral 13) and is open at the top.
  • the illustrated symmetrical spacing of the transformer body 180 to the sides of the housing (end faces 162, longitudinal sides 164) is in the millimeter range between 0.5 and 5 mm and has considerable significance for the advantageous noise behavior of the invention.
  • the bobbins 10 ' , 20 ' , 30 ' have nubs or foot-like spacer elements 34, with which the column bodies are placed on the floor panels (optionally on a layer of encapsulant), such as shown in Fig. 6.
  • the spacing elements according to the invention have a support surface of each max. 16 mm ** 2 and in total less than 150 mm ** 2.
  • the already mentioned potting compound 170 is provided, which tuned to the acoustic target values of the invention and having a Shore A hardness of less than 35 comparatively good elasticity, but also suitable damping properties. Due to the above-described careful coordination of the mechanical, electrical and magnetic parameters of each other, the transformer according to the invention developed at each point of the mounting surface of the transformer housing nurge ri nge sound accelerations. Based on the operating frequency, the sum of the harmonics of the sound accelerations in the frequency range up to 1000 Hz is less than 0.40 m / sec ** 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Or Transformers For Communication (AREA)

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein temperaturfester Spezialtransformator mit außerordentlich gutem Körperschall- und/oder Luftschallverhalten bei kleinvolumiger, extrem flacher Bauweise und gutem Gesamtwirkungsgrad. Gemäß der Erfindung sind die Transformatorwicklungen als linear aufeinanderfolgende, fluchtende Spulen auf drei Kammern verteilt und weisen dabei eine einzige zentralsymmetrisch angeordnete Primärspule (20) sowie zweiweitere, als Sekundärwicklung elektrisch zusammengeschaltete Spulen (10, 30) in mechanisch aneinandergeketteter Bauweise auf. Im Leerlauffall weist ein solcher Transformator einen wesentlichgeringeren Eingangsstrom auf als im bestimmungsgemäß geringsten kapazitiven Lastfall. Zusätzlich werden die vorgenannten günstigen akustischen Eigenschaften mittels einer speziellen Verkapselung desTransformators in ein zugehöriges Gehäuse noch weiter verbessert. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur kostenoptimalen Herstellung des Transformators sowie die Verwendung eines solchen Transformators im Automobilbereich.

Description

Geräuscharmer Spezialtransformator
Einleitung
Die Erfindung betrifft einen mit Niederfrequenz arbeitenden elektrischen Transformator.
Gegenstand der Erfindung ist insbesondere ein Spezialtransformator mit außerordentlich gutem Körperschall- und/oder Luftschallverhalten in ungewöhnlich langgezogener und extrem flacher Bauweise wegen eines zur Verfügung stehenden oder vorgesehenen Einbauraums.
Das sehr geringe Körperschall- und Luftschallverhalten liegt über einen erweiterten Umgebungstemperaturbereich gemäß sogenannter MIL- oder „automotive" Spezifikationen unterhalb der niedrigen Grenzwerte, wie sie industrieüblich vorgegeben werden, z.B im Automobilbereich.
Im Leerlaufbetrieb soll ein gemäß der Erfindung aufgebauter Transformator einen wesentlich geringeren Eingangsstrom aufweisen als der Wert des primären Eingangsstroms bei minimaler spezifizierter kapazitiver Last beträgt.
Weiterhin betrifft die Erfindung Verfahren zu kostenoptimalen Herstellung eines solchen Transformators.
Stand der Technik und deren Nachteile
Aus Gründen der Witschaftlichkeit ist es üblich, Elektromaschinen und Transformatoren mit kürzestmöglichen magnetischen Flusspfaden zu versehen. Zugehörige Spulen können vergleichsweise große Oberflächen oder Volumina aufweisen. Als zugehörige Merkhilfe wird gelegentlich der Satz "Eisen kurz, Kupfer lang" zitiert. Aus diesem Grund tendieren reguläre Transformatoren dazu, eine eher kompakte, kubische Bauform zu besitzen. Transformatoren für Spezialanwendungen können eine anders geformte Gestalt aufweisen. Ein Beispiel dafür ist der sog. Tesla- Transformator, wie er mit seiner bevorzugt pyramidenförmigen Gestalt z.B. aus der Patentschrift US 1 , 1 19,732 bekannt ist.
Keine aus der Patent- oder sonstigen Literatur bekannte Transformator- Konstruktion erscheint geeignet, die Anforderungen zu erfüllen, die an den Gegenstand der Erfindung gestellt werden. Standardförmige Transformatoren sind entweder
- zu breit,
-zu hoch oder
-zu teuer
für den angestrebten Anwendungsfall. Auch andere bekannte Transformatortypen sind entweder von Form und Dimensionen, Leistungsklasse, Kosten oder Geräuschemissionen her nicht geeignet, die Funktionen zu realisieren, wie dies durch einen erfindungsgemäßen Miniaturtransformator ermöglicht wird.
Soweit ersichtlich, wird ein Transformator gemäß der Erfindung weder kommerziell angeboten, noch im militärischen Bereich verwendet. Zum Vergleich wird die folgende Patentliteratur zitiert, welche als besonders nahekommender Stand der Technik angesehen wird : a) CN 201 163564 Y , Erfinder: Li
Titel : Miniature transformer iron core / winding structure
Diese Schrift zitiert im Abstract einen Miniatur-Transformator mit niedriger Geräuschentwicklung. Es handelt sich soweit aus der Zeichnung ersichtlich um einen völlig normalen Transformator mit E- und I- Kernblechen. b) US7218198 , Erfinder: Pilniak et al.
Titel : Coil form
Diese Schrift zitiert unter anderem E-förmige Kernteile und beruht im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung auf metallischen Trennplatten zwischen axial aneinander-gereihten Spulen. Aufgabe der Erfindung und zugehörige Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator zu schaffen, der sämtliche der folgend genannten Eigenschaften in Kombination besitzt, nämlich :
von miniaturisierter Bauform ist und Querschnitts-Dimensionen von wenigen Quadratzentimetern aufweist
mit Eingangsspannungen im 5-Volt-Bereich gespeist wird und Ausgangsspannungen im 100-Volt-Bereich oder mehr abgibt im Leerlauf mit einem wesentlich niedrigeren Primärstrom gespeist wird als es bei kapazitiver Mindest-Last der Fall ist
sich durch extrem niedrige Luft- und/oder Körperschallemissionen sowohl im Leerlauf als auch bei Nennlast auszeichnet
- einen guten Gesamtwirkungsgrad aufweist
besonders gute temperatur- und klimafeste Gebrauchseigenschaften aufweist
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Spezialtransformator mit sorgfältig aufeinander abgestimmten mechanischen, elektrischen, magnetischen und thermi schen E igenschaften und Ken nwerten , näm l i ch m ittel s Transformatorwicklungen, die als linear aufeinanderfolgende, fluchtende Spu l en auf d rei Kam mern vertei lt si nd , wobei ei ne ei nzi ge zentralsymmetrisch angeordnete Primärspule sowie zwei weitere, als Sekudärwickl ung zusammengeschaltete Spulen i n mechanisch aneinandergeketteter (konkatenierter) Bauweise vorhanden sind, wobei die Baulänge des Transformators das 8-fache der Bauhöhe nicht unterschreitet, das Maß der Bauhöhe des Transformators maximal 13 mm beträgt und das Bauvolumen des Transformators inclusive eines zugehörigen Gehäuses auf 130 Kubikzentimeter, bevorzugt lediglich 60 Kubikzentimeter begrenzt ist. Ein wesentlicher Anteil an der Lösung besteht weiterhin darin, dass die vorhandenen Spulenkörper sämtlich entlang ihrer Längsachsen koinzident axial ausgerichtet sind und unter Einhaltung vordefinierter Drehstellungen um die Längsachse vorzugsweise mittels einheitlicher, hochsymmetrisch gestalteter Clip-Verbindungs-Vorrichtungen mechanisch aneinandergekettet sind.
Ein weiterer Aspekt der Lösung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Transformators, welches folgende Verfahrensschritte enthält: a) Wicklung und Bereitstellung von Spulen auf Spulenkörper, welche bevorzugt gleiche Querschnittsdimensionen sowie in Axialrichtung einrastbare (aktivierbare) Clip-Vorrichtungen aufweisen b) Erzeugung eines kombinierten, mechanisch einstückigen Spulensatzes durch Aneinanderketten von drei oder mehr solcher Spulen mithilfe der genannten Clip-Vorrichtungen in Richtung der Spulenachsen c) Komplettieren des Transformators durch wechselseitiges Einfügen von ferromagnetischem Kernmaterial in den genannten einstückigen Spulensatz und nachfolgender Befestigung des Spulensatzes an den so gebildeten Transformatorkern
Figurenbeschreibung
Die Erfindung wird im Einzelnen anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt : Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Transformator
Fig. 2 eine schematische perspektivische anteilige Ansicht
Fig. 3 eine perspektivische Komplettansicht
Fig. 4 eine schematische Ansicht zur erfindungsgemäßen
Anordnung und Verfahren betreffend die mechanische Konkatenation von Transformatorspulen
Fig. 5 ein Zeigerdiagramm zur Veranschaulichung der
komplexwertigen Strom- / Spannungsverhältnisse
Fig. 6 eine Seitenansicht sowie eine Aufsicht auf eine
bevorzugte, gekapselte Ausführung der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Transformator mit den geforderten Gebrauchseigenschaften besteht, wie in Fig. 1 in schematischer Form ausgewiesen, aus einem speziellen Transformatorkern und speziellen Transformatorspulen.
Die Transformatorspulen bestehen erfindungsgemäß aus mindestens drei einzelnen Spulen 10, 20 und 30. Diese sind axial fluchtend angeordnet und erzeugen auf diese Weise das ausgesprochen unüblich große Verhältnis von Länge zu Querschnitt (Breite mal Höhe) des Transformators.
Bei Bedarf wird ein Transformator gemäß der Erfindung mit weiteren axial fluchtend angeordneten Spulen bestückt. Die zentralsymmetrisch angeordnete Spule 20 wird bevorzugt als Primärspule verwendet, während Spulen 10 und 30 bevorzugt als Sekundärspulen in Funktion treten. Bevorzugt werden Spulen 10 und 30 elektrisch seriell zusammengeschaltet. Sie erzeugen dann in Kombination nicht nur in an sich bekannter Weise eine gewünschte Sekundärspannung, sondern auch in innovativer Weise eine relativ große Streuinduktivität.
Die Zuführung der Primärspannung erfolgt über die Anschlußkontakte 21 , 22 wäh re nd de r Abg riff de r bevo rzugt e i nzi ge n Sekundärspannung z.B. über die Anschlußkontakte 1 1 und 32 stattfindet, wobei die Anschlußkontakte 12 und 31 dann elektrisch verbunden sind (nicht gezeigt) und die Einzel-Sekundärspannungen von Spulen 10 und 30 somit phasenrichtig addiert werden.
Wesentlicher Aspekt der Erfindung ist ferner die Verwendung völlig einheitlicher hochsymmetrischer und langgestreckter Spulenkörper. Diese werden in an sich bekannter Weise je nach Bedarf mit unterschiedlichen Wcklungen aus lackisoliertem Draht versehen.
Durch die Anordnung und Beabstandung der drei (bedarfsweise auch mehr) vorgesehenen Spulen wird ein im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren ein erhöhter Streufluss erzeugt, wodurch die gewünschten Gebrauchseigenschaften der Erfindung überhaupt erst zustande kommen, nämlich geringstmögl iche Körper- und Luftschal labgabe und defi nierte Erzeugung ei ner erhöhten Ausgangsspannung bei vorgesehener elektrischer Belastung.
Auch durch die Formgebung des Transformatorkerns 40 mit extrem langgestreckten ED-Blechteilen mit relativ breitem Querjoch wird der Streufluss in erfindungsgemäß gewünschter Weise erhöht, ohne dass hinsichtlich angestrebtem Gesamtwirkungsgrad und Leerlaufstrom besondere Nachteile entstehen.
Wie ersichtlich, wird gemäß der Erfindung eine Transformatorlänge bevorzugt, die mehr als das vierfache, bevorzugt mehr als das fünffache der Transformatorbreite beträgt. Gleichzeitig kann auf diese Weise eine Transformatorhöhe bereitgestellt werden, welche lediglich weniger als ein Sechstel, bevorzugt weniger als ein Achtel der Transformatorlänge beträgt. Im Ergebnis wird ein für seine Leistungsklasse im Watt-Bereich besonders flach bauender Transformator mit besonders geringen Herstellkosten bereitgestellt.
Die geforderten elektrischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Transformators werden kostengünstig auch dadurch realisiert, dass nur handelsübliche preiswerteste Transformator-Blech-Materialien zum Einsatz kommen, also lediglich in kaltgewalzter oder kornorientierter Ausführung. Eine Verwendung von teuren Spezialmaterialien wie Ferrit, hochnickelhaltiger oder amorpher Metalle zur Bereitstellung höchstwertiger Gebrauchseigenschaften ist demnach nicht erforderlich und kann gemäß der Innovation entfallen.
Zur besseren Visualisierung zeigt Fig. 2 einen mit Fig. 1 vergleichbaren erfindungsgemäßen Transformator in schematisch- perspektivischer Ansicht, allerdings teilbestückt d.h. ohne Primärspule 20.
Es wird ersichtl ich, dass sowohl das eisenbedingte Flusspfadvolumen als auch die Anordnung der vorhandenen Spulen in vergleichsweise stark gestreckter Form vorliegen und diese Anordnung sich somit stark von typischen Formgebungen des allgemeinen Transformatorbaues für kleine und mittlere Leistungen unterscheidet. Es versteht sich, dass die Anschlusskontakte 1 1 , 12 etc. bei Bedarf mit Kontaktstiften, Lötösen oder anderen Anschlussmitteln versehen werden können.
Zum Schutz einer solchen Anordnung gegen mechanische oder klimatische Einflüsse wird diese in eine Kapsel oder Schale aus geeignetem Kunststoff eingelegt und bei Bedarf mit einer Vergussmasse umhüllt. Die vorteilhaften Dimensionsverhältnisse der Erfindung bleiben dabei im Wesentlichen erhalten und ergeben einen l ei stu ng sfäh i ge n , kl i m asi cheren u n d fast gerä usch l osen Transformator von extrem schlanker und miniaturisierter Bauweise.
Weiterhin wird in Fig. 2 gezeigt, dass der Transformatorkern 40, 41 mit Vorteil aus Blechen des ED-Schnittes gefertigt ist. Die Bleche werden, auch um die akustischen Anforderungen einzuhalten, mit Nieten geeigneter Bauform, oder mit einer Verklebung, oder mit einer passenden formschlüssigen Verbindung zusammengehalten. Das Querjoch der genannten Bleche des Transformatorkerns ist relativ breit gehalten, und zwar ca. doppelt so breit wie eine Schenkelbreite.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung (engl. : best mode of invention) wird in Fig. 3 dargestellt. Die gezeigten Spulenkörper (10', 20', 30') gestatten einen besonders kompakten und effizienten Aufbau. Ein spezieller Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die gezeigte Anordnung und Ausrichtung der stiftförmigen Kontaktanschlüsse 1 1 , 12 etc. Diese weisen zur Raumersparnis abwechselnd zur linken bzw. zur rechten Seite; dennoch sind die Spulenkörper einheitlich hochsymmetrisch und von identischer Gestalt. Die modulartige Anordnung von Spulen in einem gemäß der Erfindung gestalteten Transformator ist besonders automationsgerecht und bewirkt in einer weiter optimierten Ausführungsform der Erfindung noch günstigere Herstellkosten.
Dies geschieht dadurch, dass einzelne Spulen in axialer Richtung mit jeweils einer zugehörigen Clip-Verbindungs-Vorrichtung aneinandergereiht und zu einem einstückigen Spulensatz zusammengefügt (geclipt) werden. Dabei ist es gleichgültig, ob eine lösbare oder eine unlösbare Verbindung der Spulen zum einstückigen Spulensatz angestrebt wird oder nicht.
Das Prinzip der axial gerichteten Verbindung von Transformatorspulen wird in Fig. 4 gezeigt. Jede der schematisch gezeigten Spulen 110, 120, , 150 mit elektrischen Anschlußelementen 111,112 usw. besitzt eine oder mehrere Clip- oder Verrastungs- vorrichtungen 115, 116 für eine formschlüssige Verbindung. Die Clip- oder Verrastungsvorrichtungen können in verschiedenartigster Formgebung, zum Beispiel nach Art von Nut und Feder, ausgeführt werden und sind in Fig. 4 lediglich schematisch und in einfachster Form zur Andeutung des Prinzips dargestellt.
Aus Fig. 5 ergibt sich, dass auch dieser erfindungsgemäße Transformator gut geeignet ist, an kapazitiven Lasten eine höhere Betriebsspannung zu erzielen, als dies in grundlegender bekannter Weise durch das Wndungszahlenverhältnis von Sekundär- und Primärspulen allein vorgegeben wird. - Zeigergrößen mit dem Index 21 beziehen sich auf einen induktiven Lastfall, während Zeigergrößen mit dem Index 22 sich auf einen kapazitiven Lastfall beziehen.
An einer induktiven Last mit vergleichbar großem komplexwertigem Wderstand wird lediglich eine sekundäre Wechselspannung mit der Größe des Zeigers U21 erzeugt. Im Falle einer kapazitiven Last liegt eine sekundäre Wechselspannung von der Größe des Zeigers U22 an. Dieser ist aufgrund der kapazitiv und streuflußbedingten vektoriellen Größe 122 * ( R + jXs) in jedem Falle größer als Zeiger U21. (jXs bezeichnet die Streufluß-Impedanz bei induktiver bzw. kapazitiver Last). Die Erfindung eignet sich also weniger gut für induktive Bauteile, die mit einer relativ hohen Nennspannung betrieben werden sollen. Dementsprechend kann der erfindungsgemäße Transformator in innovativer Weise bei Bedarf und durch Wahl einer geeigneten Frequenz der Primärspannung (Betriebsfrequenz) auch in Nähe der zugehörigen elektrischen Resonanz betrieben werden. Das heißt, es können vorgesehene kapazitive Lasten trotz der kleinen Bauform des Transformators mit relativ hohen Betriebsspannungen bzw. Leistungen versorgt werden, so dass Wrkstromverluste weniger ins Gewicht fallen und ein guter Gesamtwirkungsgrad der betreffenden elektrischen Schaltung erreicht werden kann. Die genannten erfindungsgemäßen Konstruktionsmerkmale und Dimensionen des Transformators verhelfen in besonderer Weise, eine nachgeschaltete bestimmungsgemäße, im Wesentlichen kapazitive Last von einigen hundert Nano-Farad oder mehr bestromen zu können.
Die genannte elektrische bzw. magnetische Auslegung der Erfindung bewirkt in innovativer Weise auch, dass der primärseitige Strom bei Leerlauf wesentlich (mindestens 70%) kleiner ist als im Vergleich zum Betrieb des Transformators am unteren Limit eines derartigen bestimmungsgemäßen Lastfall-Bereiches. Die Erfindung eignet sich somit ganz besonders für eine nachgeschaltete Last in Form einer elektrochromen oder LCD-Abschattungsvorrichtung im Sinne eines Sonnenschutzes. Ein solcher Sonnenschutz bzw. eine entsprechende Abschattungsvorrichtung wird z.B in Anspruch 7 der DE19962115A genannt. Eine besonders wichtige Ausführungsform der Erfindung mit optimaler Eignung für den Automobil-Markt wird in Fig. 6 gezeigt. Dargelegt wird, wie ein nach dem beschriebenen Verfahren in Mehrkammertechnik und mit einer an die kapazitive Last angepassten hohen Streuinduktivität aufgebauter Transformator zur Erzielung niedrigster Körperschall- und Luftschallemissionen in ein oben offenes Kunststoffgehäuse mit Montagevorrichtung eingebaut und vergossen ist. - In etwas aufwändigerer Herstellungsweise kann dabei auch zunächst der Boden des Kunststoffgehäuses mit einer dünnen Schicht Vergußmasse versehen werden. Nach Aushärtung dieser Schicht wird der Transformatorkörper eingelegt und sodann endgültig mit Vergußmasse umhüllt.
Gemäß der Erfindung und unter Bezug auf Fig. 6 werden die besten Resultate erhalten, wenn beim Einbau des Transformators in das Kunststoffgehäuse folgende konstruktive Merkmale erfüllt werden :
1. keine Berührung des Transformatorkörpers mit den
Seitenwänden
2. geringst mögliche direkte Auflagefläche des eingelegten
Transformatorkörpers auf dem Gehäuseboden, mit einer Gesamt-Auflagefläche (Bezugszeichen 34) von Null bis weniger als 150 mm**2
3. definierter Mindestabstand der Spulenoberfläche zum
Gehäuseboden (kleiner als 3 mm )
4. Verwendung einer elastischen Vergussmasse mit
nachfolgenden Haupteigenschaften :
Shore - Härte A35 oder kleiner
Dämpfungsverhalten der Shorehärte nahezu konstant über den Einsatztemperaturbereich, bei gleichzeitig
feuchtigkeitsdichter Kapselung des Transformatorkörpers Das in Fig. 6 im Wesentlichen maßstäblich gezeigte, sehr klein bauende Gehäuse 160 besitzt eine Höhe von lediglich 13 mm (Bezugsziffer 13 ) und ist nach oben geöffnet. Die dargestellte symmetrische Beabstandung des Transformatorkörpers 180 zu den Gehäuseseiten (Stirnseiten 162, Längsseiten 164 ) liegt im Millimeterbereich zwischen 0,5 und 5 mm und hat für das vorteilhafte Geräuschverhalten der Erfindung erhebliche Bedeutung. Ebenso ist die bereits erwähnte Beabstandung des Transformatorkörpers zum Gehäuseboden 166, wie in Fig. 6 gezeigt, von erfindungsgemäß erheblicher Bedeutung. Mit Vorteil weisen die Spulenkörper 10', 20', 30' Noppen oder fußartige Beabstandungselemente 34 auf, mit de ne n d i e S pu l e n kö rper auf de n G eh äu sebod en (ode r gegebenenfalls auf eine Schicht Vergußmasse) aufgesetzt werden, wie in der Fig. 6 gezeigt. Die Beabstandungselemente besitzen gemäß der Erfindung eine Auflagefläche von einzeln je max. 16 mm**2 und in Summa weniger als 150 mm**2.
Für die Einbettung des Transformatorkörpers in das Gehäuse ist die bereits erwähnte Vergußmasse 170 vorgesehen, welche auf die akustischen Zielwerte der Erfindung abgestimmt und mit einer Shore- Härte A von weniger als 35 vergleichsweise gute Elastizität, aber auch geeignete Dämpfungseigenschaften aufweist. Durch die vorbeschriebene sorgfältige Abstimmung der mechanischen, elektrischen und magnetischen Größen aufeinander entwickelt der erfindungsgemäße Transformator an jedem Punkt der Montageoberfläche des Transformatorgehäuses n u r g e ri n g e Schallbeschleunigungen. Bezogen auf die Betriebsfrequenz beträgt die Summe der Oberwellen der Schallbeschleunigungen im Frequenzbereich bis 1000 Hz weniger als 0,40 m/sec**2 . Bezugszeichenliste :
10 Spule, Sekundärspule
10' Spulenkörper
11, 12 Anschlußkontakt, Wicklungsanschluß
13 Maßangabe
20 Spule, Primärspule
20' Spulenkörper
21, 22 Anschlußkontakt, Wicklungsanschluß
30 Spule, Sekundärspule
30' Spulenkörper
31, 32 Anschlußkontakt, Wicklungsanschluß
34 Beabstandungselement
40, 41 Transformator-Kern
110 Spule
111 Anschlußelement
112 Anschlußelement
115 Clip- oder Verrastungs-Vorrichtung,
116 Clip- oder Verrastungs-Vorrichtung,
120,.... ,150 Spulen
160 Gehäuse
170 Vergussmasse
180 Transformatorkörper

Claims

Patentansprüche : 1.
Elektrischer Transformator für den Betrieb im erweiterten Temperaturbereich zwischen -40 °C und +130 °C,
dadurch gekennzeichnet, dass die Transformatorwicklungen als linear aufeinanderfolgende, axial fluchtende Spulen auf drei Kammern verteilt sind, dabei eine einzige zentralsymmetrisch angeordnete Primärspule (20) sowie zwei weitere, als Sekundärwicklung zusam mengeschaltete Spul en ( 1 0 , 30) i n mechan isch aneinandergeketteter Bauweise aufweisen; die Baulänge des Transformators das 8-fache der Bauhöhe nicht unterschreitet und das Maß der Bauhöhe des Transformators maximal 13 mm beträgt. 2.
Geräuscharmer, in ein Gehäuse gekapselter Transformator mit einem Bauvolumen von weniger als 130 Kubikzentimetern, einer an allen Punkten der Oberfläche des Transformatorgehäuses generierten Schallbeschleunigung, die im Lastbereich von 5 bis 15 Watt Ausgangsleistung den Wert von 0,40 m/sec**2 nicht überschreitet und bezogen ist auf die Summe aller bei Betriebsfrequenz vorhandenen Oberwellen im Frequenzbereich von 0 bis 1000 Hz.
3.
Transformator nach Anspruch 2, mit einem Bauvolumen von weniger als 60 Kubikzentimetern.
4.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der primärseitige Strom bei Leerlauf des Transformators mindestens 70% kleiner ist als im Vergleich zu einem vorgesehenen Lastfall mit einer kapazitiven Last von mehr als 100 Nano-Farad
5.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorhandenen Spulenkörper (10', 20', 30') sämtlich entlang ihrer Längsachsen koinzident axial ausgerichtet und unter Einhaltung zweier um 180° versetzter vordefinierter Drehstellungen um die Längsachse mittels einheitlicher Clip-Verbindungs-Vorrichtungen (115, 116) mechanisch aneinandergekettet sind.
6.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Spulenkörper (10', 20', 30') mit Beabstandungselementen (34) versehen sind, wobei eine einzelne Auflagefläche eines Beabstandungselementes weniger als 16 mm**2 beträgt.
7.
Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Transformatorkern (40, 41) lediglich aus kornorientiertem oder kaltgewalztem Transformatorblech besteht. 8.
Verwendung eines Transformators nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Speisung einer ausgangsseitigen im Wesentlichen kapazitiven Last.
9.
Verwendung eines Transformators nach Anspruch 8 zur Speisung eines elektronischen LCD- oder elektrochrom basierten Sonnenschutzes oder einer elektronischen Abschattungsvorrichtung.
10.
Verwendung eines Transformators nach Anspruch 9 zur Betätigung eines Sonnenschutzes in einem Automobil. 11.
Verfahren zur Herstellung eines Transformators, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :
- Wicklung und Bereitstellung von Spulen auf Spulenkörper (10', 20', 30'), welche bevorzugt gleiche Querschnittsdimensionen sowie in Axialrichtung einrastende Clip-Vorrichtungen (115,116) aufweisen
Erzeugung eines kombinierten, mechanisch einstückigen Spulensatzes durch mechanisches Aneinanderketten von drei oder mehr solcher Spulen mithilfe der genannten Clip-Vorrichtungen in Richtung der Spulenachsen
- Komplettieren des Transformators durch Einfügen eines Transformatorkerns (40, 41) aus ferromagnetischem Kernmaterial in den genannten einstückigen Spulensatz und Befestigung des einstückigen Spulensatzes am Transformatorkern. 12.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Boden eines Gehäuses (160) mittels Vergußmasse überdeckt, der Transformatorkörper (180) nach dem teilweisen oder vollständigen Aushärten der Vergußmasse in das Gehäuse unter allseitiger Beabstandung der Gehäuseinnenseite eingesetzt, und anschließend mit besagter Vergußmasse (170) um- und übergössen wird.
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