EP3304570B1 - Geräuscharmer spezialtransformator - Google Patents

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EP3304570B1
EP3304570B1 EP16734034.8A EP16734034A EP3304570B1 EP 3304570 B1 EP3304570 B1 EP 3304570B1 EP 16734034 A EP16734034 A EP 16734034A EP 3304570 B1 EP3304570 B1 EP 3304570B1
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EP
European Patent Office
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transformer
housing
coils
coil
mechanically
Prior art date
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EP16734034.8A
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English (en)
French (fr)
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EP3304570A1 (de
Inventor
Wladimir Weigandt
Hans-Dieter MÜLLER
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Manfred Schmelzer GmbH
Original Assignee
Manfred Schmelzer GmbH
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Publication date
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Publication of EP3304570A1 publication Critical patent/EP3304570A1/de
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Publication of EP3304570B1 publication Critical patent/EP3304570B1/de
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    • 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
    • H01F27/32—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
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/02—Casings
    • H01F27/022—Encapsulation
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    • 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
    • H01F27/30—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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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/33—Arrangements for noise damping
    • 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
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/245—Magnetic cores made from sheets, e.g. grain-oriented

Definitions

  • the invention relates to a low-frequency electrical transformer with housing.
  • the subject matter of the invention is, in particular, a special transformer with extremely good structure-borne noise and / or air-borne noise behavior in an unusually elongated and extremely flat design due to an available or intended installation space.
  • the very low structure-borne noise and air-borne noise behavior lies over an extended ambient temperature range in accordance with so-called MIL or "automotive" specifications below the low limit values that are specified in industry, e.g. in the automotive sector.
  • a transformer constructed in accordance with the invention should have a significantly lower input current than the value of the primary input current with the minimum specified capacitive load.
  • the invention also relates to a method for cost-optimized production of such a transformer with a housing.
  • transformers For reasons of economy, it is customary to provide electrical machines and transformers with the shortest possible magnetic flux paths. Associated coils can have comparatively large surfaces or volumes. The phrase "iron short, copper long" is occasionally cited as a corresponding memory aid. For this reason, regular transformers tend to have a rather compact, cubic design. Transformers for special applications can have a different shape. An example of this is the so-called Tesla transformer, as he with his preferred pyramidal shape, for example from the patent U.S. 1,119,732 is known.
  • US2013 / 0249659 A1 and US2582291 disclose an electrical transformer with a housing, the transformer windings being distributed as linearly successive, axially aligned coils in three chambers and having a single centrally symmetrically arranged primary coil and two further coils interconnected as a secondary winding.
  • JP2013172043 and US2011 / 0115598 each disclose an electrical transformer, the transformer windings being distributed as linearly successive, axially aligned coils in several (for example three) chambers, the coils being arranged in a mechanically chained construction.
  • the structural volume of the transformer including the associated housing is preferably limited to only 60 cubic centimeters.
  • the existing bobbins are all axially coincident along their longitudinal axes and are mechanically chained to one another by means of uniform, highly symmetrically designed clip connection devices while maintaining predefined rotational positions about the longitudinal axis.
  • a further aspect of the solution consists in a method for producing such a transformer with a housing according to claim 11.
  • a transformer according to the invention with the required performance properties is, as in Fig. 1 shown in schematic form, made from a special transformer core and special transformer coils.
  • the transformer coils consist of at least three individual coils 10, 20 and 30. These are axially aligned and in this way produce the extremely 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 used as the primary coil, while the coils 10 and 30 function as secondary coils.
  • Coils 10 and 30 are preferably connected together electrically in series. In combination, they then not only generate a desired secondary voltage in a manner known per se, but also in an innovative manner a relatively large leakage inductance.
  • connection contacts 21, 22 The primary voltage is supplied via the connection contacts 21, 22 while the single secondary voltage is tapped off e.g. takes place via the connection contacts 11 and 32, the connection contacts 12 and 31 then being electrically connected (not shown) and the individual secondary voltages of coils 10 and 30 thus being 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 manner known per se with different windings of enamel-insulated wire as required.
  • the shape of the transformer core 40 with extremely elongated ED sheet metal parts with a relatively wide transverse yoke also increases the leakage flux in the manner desired according to the invention, without compromising the overall efficiency and efficiency desired
  • a transformer length is preferred according to the invention which is more than four times, preferably more than five times the transformer width.
  • a transformer height can be provided in this way which is only less than one eighth of the transformer length. The result is a transformer that is particularly flat for its power class in the watt range and has particularly low manufacturing costs.
  • the required electrical properties of the transformer according to the invention are also implemented cost-effectively by using only commercially available, inexpensive transformer sheet materials, that is to say only in a cold-rolled or grain-oriented design.
  • the use of expensive special materials such as ferrite, high-nickel or amorphous metals to provide the highest quality performance properties is therefore not necessary and can be omitted according to the innovation.
  • FIG. 2 For better visualization shows Fig. 2 one with Fig. 1 Comparable transformer according to the invention in a schematic perspective view, however partially equipped, ie without a primary coil 20.
  • both the iron-related flux path volume and the arrangement of the existing coils are in a comparatively stretched shape and this arrangement thus differs greatly from typical shapes of general transformer construction for small and medium powers.
  • connection contacts 11, 12 etc. can be provided with contact pins, soldering lugs or other connection means if necessary.
  • the transformer core 40, 41 is advantageously made from sheet metal of the ED cut.
  • the sheets are held together with rivets of a suitable design, or with an adhesive, or with a suitable form-fitting connection.
  • the transverse yoke of the said sheets of the transformer core is kept relatively wide, namely approximately twice as wide as a leg width.
  • FIG. 3 A particularly advantageous embodiment of the invention (best mode of invention) is in Fig. 3 shown.
  • the coil bodies (10 ', 20', 30 ') shown allow a particularly compact and efficient structure.
  • a special aspect of the invention relates to the arrangement and alignment of the pin-shaped contact connections 11, 12 etc. shown, these point alternately to the left and to the right side to save space; nevertheless, the coil formers are uniformly highly symmetrical 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 manufacturing costs. This takes place in that individual coils are strung together in the axial direction with an associated clip connection device and are joined (clipped) to form a one-piece coil set. It does not matter whether a detachable or non-detachable connection of the coils to the one-piece coil set is sought or not.
  • FIG. 4 The principle of the axially directed connection of transformer coils is described in Fig. 4 shown.
  • 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 latching devices can be designed in a wide variety of shapes, for example in the manner of tongue and groove, and are in Fig. 4 shown only schematically and in the simplest form to indicate the principle.
  • this transformer according to the invention is also well suited to achieve a higher operating voltage on capacitive loads than is predetermined in a fundamentally known manner by the number of turns ratio of secondary and primary coils alone.
  • - Pointer sizes with index 21 relate to an inductive load case
  • pointer sizes with index 22 relate to a capacitive load case. Only a secondary alternating voltage with the size of the pointer U21 is generated at an inductive load with a comparably large complex-valued resistance. In the case of a capacitive load lies a secondary alternating voltage of the size of the pointer U22. Due to the capacitive and leakage flux-related vector quantity I22 ⁇ (R + jXs), this is always greater than the pointer U21.
  • 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, if required and by selecting a suitable frequency of the primary voltage (operating frequency), also in the vicinity of the associated electrical resonance. This means that the capacitive loads provided can be supplied with relatively high operating voltages or powers despite the small size of the transformer, so that active current losses are less significant and a good overall efficiency of the relevant electrical circuit can be achieved.
  • the above-mentioned design features and dimensions of the transformer according to the invention help in a special way to be able to energize a downstream, intended, essentially capacitive load of a few hundred nano-farads or more.
  • the aforementioned electrical or magnetic design of the invention also has the effect, in an innovative way, that the primary-side current when idling is significantly (at least 70%) smaller than in comparison to operating the transformer at the lower limit of such a specified load case 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 sun protection or a corresponding shading device is for example in claim 7 of DE19962115A called.
  • FIG. 6 A particularly important embodiment of the invention with optimal suitability for the automotive market is shown in Fig. 6 shown. It is shown how a transformer built according to the described method in multi-chamber technology and with a high leakage inductance adapted to the capacitive load to achieve the lowest structure-borne noise and air-borne noise emissions is installed and encapsulated in an open-top plastic housing with a mounting device. - In a somewhat more complex production method, the bottom of the plastic housing can first be provided with a thin layer of potting compound. After this layer has hardened, the transformer body is inserted and then finally covered with potting compound.
  • Housing 160 which is shown essentially true to scale, is very small, has a height of only 13 mm (reference number 13) and is open at the top.
  • the illustrated symmetrical spacing of the transformer body 180 from the housing sides (end sides 162, longitudinal sides 164) is in the millimeter range between 0.5 and 5 mm and is of considerable importance for the advantageous noise behavior of the invention.
  • the aforementioned spacing of the transformer body from the housing bottom 166, as in FIG Fig. 6 shown of considerable importance according to the invention.
  • the coil formers 10 ', 20', 30 'advantageously have knobs or foot-like spacing elements 34, with which the coil formers are placed on the housing base (or possibly on a layer of potting compound), as in FIG Fig. 6 shown.
  • the spacing elements have a support surface of individually max. 16 mm ** 2 and in total less than 150 mm ** 2.
  • the aforementioned potting compound 170 is provided, which is matched to the acoustic target values of the invention and, with a Shore A hardness of less than 35, has comparatively good elasticity, but also suitable damping properties.
  • the transformer according to the invention develops only slight sound accelerations at every point on the mounting surface of the transformer housing.
  • 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)

Description

    Einleitung
  • Die Erfindung betrifft einen mit Niederfrequenz arbeitenden elektrischen Transformator mit Gehäuse.
  • 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 mit Gehäuse.
    • Stand der Technik und deren Nachteile
  • Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit 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 1,119,732 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) CN201163564 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.
  • US2013/0249659 A1 und US2582291 offenbaren einen elektrischen Transformator mit einem Gehäuse, wobei die Transformatorwicklungen als linear aufeinanderfolgende, axial fluchtende Spulen auf drei Kammern verteilt sind und dabei eine einzige zentralsymmetrisch angeordnete Primärspule sowie zwei weitere, als Sekundärwicklung zusammengeschaltete Spulen aufweisen.
  • JP2013172043 und US2011/0115598 offenbaren jeweils einen elektrischen Transformator, wobei die Transformatorwicklungen als linear aufeinanderfolgende, axial fluchtende Spulen auf mehrere (z.B. drei) Kammern verteilt sind, wobei die Spulen in mechanisch aneinandergeketteter Bauweise angeordnet sind.
    • 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 elektrischen Transformator mit Gehäuse gemäß Anspruch 1. Bevorzugt ist das Bauvolumen des Transformators inclusive des zugehörigen Gehäuses auf lediglich 60 Kubikzentimeter begrenzt.
  • 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 mit Gehäuse gemäß Anspruch 11.
    • 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 gekapselte Ausführung der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßer Transformator mit den geforderten Gebrauchseigenschaften ist, wie in Fig. 1 in schematischer Form ausgewiesen, aus einem speziellen Transformatorkern und speziellen Transformatorspulen ausgeführt.
  • 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 als Primärspule verwendet, während die Spulen 10 und 30 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 während der Abgriff der einzigen Sekundärspannung z.B. über die Anschlußkontakte 11 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 Wicklungen 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 geringstmögliche Körper- und Luftschallabgabe und definierte Erzeugung einer 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 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 schematischperspektivischer Ansicht, allerdings teilbestückt d.h. ohne Primärspule 20.
  • Es wird ersichtlich, 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 11, 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 leistungsfähigen, klimasicheren und fast geräuschlosen 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 11, 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 Verrastungsvorrichtungen 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 Windungszahlenverhältnis 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 Widerstand 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 I22 ∗ (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 Wirkstromverluste 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. 1. keine Berührung des Transformatorkörpers mit den Seitenwänden
    2. 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. 3. definierter Mindestabstand der Spulenoberfläche zum Gehäuseboden (kleiner als 3 mm)
    4. 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 denen die Spulenkörper auf den Gehäuseboden (oder 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 ShoreHärte 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 nur geringe 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, Feder
    116
    Clip- oder Verrastungs-Vorrichtung, Nut
    120,....,150
    Spulen
    160
    Gehäuse
    170
    Vergussmasse
    180
    Transformatorkörper

Claims (11)

  1. Elektrischer Transformator (180) mit einem Gehäuse (160), in das der Transformator (180) gekapselt ist, für den Betrieb im erweiterten Temperaturbereich zwischen -40 °C und +130 °C, wobei der Transformator (180) Transformatorwicklungen aufweist, die als linear aufeinanderfolgende, axial fluchtende Spulen (10, 20, 30) auf drei Kammern verteilt sind und dabei eine einzige zentralsymmetrisch angeordnete Primärspule (20) sowie zwei weitere, als Sekundärwicklung zusammengeschaltete Spulen (10, 30) in mechanisch 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, und das Bauvolumen des Transformators (180) inklusive des Gehäuses (160) auf 130 Kubikzentimeter begrenzt ist.
  2. Geräuscharmer Transformator mit Gehäuse (160) nach Anspruch 1 mit einer den Transformator im Gehäuse (160) einbettenden Vergußmasse (170) sowie zwischen Spulenkörpern (10', 20', 30') und einem Gehäuseboden angeordneten Beabstandungselementen (34), der Transformator aufweisend eine an allen Punkten der Oberfläche des Transformatorgehäuses generierte Schallbeschleunigung,
    die im Lastbereich von 5 bis 15 Watt Ausgangsleistung den Wert von 0,40 m/s2 nicht überschreitet und bezogen ist auf die Summe aller bei Betriebsfrequenz vorhandenen Oberwellen im Frequenzbereich von 0 bis 1000 Hz.
  3. Transformator mit Gehäuse nach Anspruch 2, mit einem Bauvolumen von weniger als 60 Kubikzentimetern.
  4. Transformator mit Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein primärseitiger 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 mit Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (10, 20, 30) auf Spulenkörpern (10', 20', 30') des Transformators bereitgestellt sind, wobei 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 mit Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen auf Spulenkörpern des Transformators bereitgestellt sind und die Spulenkörper (10', 20', 30') mit Beabstandungselementen (34) versehen sind, wobei eine einzelne Auflagefläche eines Beabstandungselementes weniger als 16 mm2 beträgt.
  7. Transformator mit Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator einen ferromagnetischen Transformatorkern (40, 41) umfasst, welcher lediglich aus kornorientiertem oder kaltgewalztem Transformator-blech besteht.
  8. Verwendung eines Transformators mit Gehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Speisung einer ausgangsseitigen im Wesentlichen kapazitiven Last.
  9. Verwendung eines Transformators mit Gehäuse nach Anspruch 8 zur Speisung eines elektronischen LCD- oder elektrochrom basierten Sonnenschutzes oder einer elektronischen Abschattungsvorrichtung.
  10. Verwendung eines Transformators mit Gehäuse nach Anspruch 9 zur Betätigung eines Sonnenschutzes in einem Automobil.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Transformators mit Gehäuse gemäß Definition in einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
    - Wicklung und Bereitstellung der 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 der drei 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,
    wobei der Boden des Gehäuses (160) mittels Vergußmasse überdeckt, der Transformator (180) nach dem teilweisen oder vollständigen Aushärten der Vergußmasse in das Gehäuse unter allseitiger Beabstandung der Gehäuseinnenseite eingesetzt, und anschließend mit weiterer besagter Vergußmasse (170) um- und übergossen wird.
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