WO2016012510A1 - Hochspannungskleintransformator mit u-förmigem kern - Google Patents

Hochspannungskleintransformator mit u-förmigem kern Download PDF

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WO2016012510A1
WO2016012510A1 PCT/EP2015/066784 EP2015066784W WO2016012510A1 WO 2016012510 A1 WO2016012510 A1 WO 2016012510A1 EP 2015066784 W EP2015066784 W EP 2015066784W WO 2016012510 A1 WO2016012510 A1 WO 2016012510A1
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leg
winding
small transformer
magnetic
transformer
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PCT/EP2015/066784
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English (en)
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Inventor
Roman Schichl
Original Assignee
SUMIDA Components & Modules GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/08—High-leakage transformers or inductances
    • H01F38/10—Ballasts, e.g. for discharge lamps

Definitions

  • the present invention relates generally to inductive components, and more particularly to low volume transformers designed for a high output voltage.
  • inductive components and above all transformers have to be developed taking into account numerous parameters influencing the performance, since a suitable adaptation of an inductive component of numerous factors, such as the shape of the magnetic core, the type of ferrite material used, the wiring in the windings , and generally the circuit topology depends.
  • a reduction in the size of the components is desired, in particular the achievement of a sufficiently high power density for specially selected component dimensions of inductive components is associated with great effort, since numerous given by the properties of the magnetic materials physical boundary conditions are met, so that Different solutions may lead to different final results, but then may not behave in the same way in the target application.
  • a high operating voltage is required, at least in certain operating phases, so that in addition to the difficulties that have to be managed due to a desired compact design, other problems are to be considered, resulting from the high operating voltage.
  • An example of the use of small high-performance transformers, which must deliver a high output voltage, is the use in connection with certain light sources, such as Xe Non-lights, and the like, since at least for igniting the light source, a relatively high voltage of up to 30 kV is required here.
  • light sources such as Xe Non-lights, and the like
  • the size and shape of the corresponding electronic board of the shape and size of the bulb to adapt to achieve a compact overall design. Due to these requirements, therefore, small dimensions are required for corresponding transformers, which nevertheless have to meet the requirements with regard to the power density, the operating temperature, the electromagnetic behavior, the insulation resistance and the like. For example, with a power range of a few 10 W, as is typical for modern gas discharge lamps, adaptation to the oblong shape of the gas discharge flask may require certain lateral dimensions which must not be exceeded by the inductive component, to give the overall desired shape adaptation of the electronic Board enable.
  • ferrite cores are available in many standard sizes and with many standard ferrite materials, however, in the size range of cores having a magnetic effective volume of about 1000 mm 3 or less, the required component properties with a closed core geometry, such as a relatively compact design with good thermal performance and relatively low susceptibility, optionally can not be achieved, to provide sufficient power at a desired compact design of the transformer. That is, often a linear core form is used for transformers to achieve compact dimensions in at least one dimension, with a somewhat lower efficiency magnetic design compared to nearly closed magnetic circuit transformers.
  • toroidal cores or other closed magnetic systems are often not compatible in terms of the available volume of construction, especially in critical applications, such as Mobile devices, automobiles, and the like.
  • the above object is achieved by a high-voltage small transformer having a first winding and a second winding, wherein the first winding is constructed of two windings.
  • the high voltage miniature transformer further comprises a core material, not provided as a closed magnetic circuit, having a first leg, a second leg, and a connecting portion (137) connecting the first leg (131) and the second leg (132), the first winding and the second winding the first leg are arranged.
  • the small transformer according to the invention for high output voltage thus has a first winding as a primary winding, which contains only two turns, so that in particular in the longitudinal direction of the windings, an extremely compact construction can be achieved.
  • the number of turns can also be reduced in this winding compared to rod core assemblies having more than two turns in the first winding.
  • the overall length of the small transformer can be reduced without adversely affecting the required insulation strength characteristics between and between the individual windings.
  • the small transformer according to the invention has a core geometry which on the one hand represents a non-closed core architecture, as is typically used in applications which have already been described above, but which differs significantly from the previously described fungal structure.
  • the high voltage transformer according to the invention has a first leg and a second leg which are connected to each other, wherein the first and the second winding are arranged on the first leg.
  • a core geometry with a first leg and a second leg can be manufactured much more efficiently and inexpensively compared to, for example, a rod core with associated end plates, which thus represents a mushroom structure, for example in a U-shape, so that the total cost of the transformer efficient production of the core material and the simplified assembly of the windings on the leg can be significantly reduced.
  • the core geometry with a first leg and a second leg has the advantage that corresponding shapes for pressing and sintering of the core material can be provided as multiple forms, so that several cores for the small transformer according to the invention can be produced in a single operation.
  • the first leg has a larger magnetic cross-section than the second leg.
  • the first leg of the core material acts substantially like a rod core surrounded by the first winding and the second winding such that the magnetic cross section of the first leg substantially affects the magnetic, mechanical and thermal properties of the first leg. Shafts of the small transformer determined.
  • the second leg connected to the first leg has a much smaller magnetic cross-section and thus smaller dimensions, but nevertheless contributes significantly to the overall magnetic properties, for example by the additional material in the second leg a required size of the inductance or the A L - Value of the core material.
  • the total leakage inductance of the entire core material can be effectively determined so that a leakage inductance required for the required pulse width of the ignition pulse is well achieved, but the spatial extent of the stray field due to Overall very compact design of the core material with first and second leg can be kept small. As a result, if necessary, further shielding measures for shielding the stray field can be avoided.
  • the magnetic cross section of the first leg is at least twice as large as the magnetic cross section of the second leg. Due to this geometrical property of the core material, the distance between the first leg and the second leg can be reduced without unnecessarily restricting the space area provided for the first winding and the second winding, which are guided around the first leg. That is, the substantially parallel legs of the core material have a distance that the inclusion of the first and the second winding on the first leg allows, but due to the reduced magnetic cross-section, the total extension of the core material of the first and the second leg in the direction perpendicular to the magnetic longitudinal direction is not unnecessarily increased.
  • the smaller magnetic cross-section of the second leg is correspondingly reduced due to a reduction in the dimensions of the second leg in the direction of the distance between the first leg and the second leg, whereas in the latter vertical direction, the dimension of the second leg for manufacturing reasons preferably corresponds to the dimension of the first leg.
  • the first limb has an end region which is not enclosed by the first and the second winding and which is magnetically coupled via a gap to the second limb.
  • the gap realizes a non-closed core geometry which, for example, corresponds to a U-shape.
  • the gap between the first leg and the second leg is also a suitable measure to be able to push the first winding and the second winding unhindered on the first leg during assembly of the small transformer.
  • the magnetic cross section of the end region of the first leg is equal to the magnetic cross section of the part of the first leg, on which the first and the second winding are arranged. That is, the first leg has a nearly constant magnetic cross section over at least a substantial portion of its length so that the first and second windings can be suitably applied.
  • the open-ended end portion of the first leg has no magnetic extension portions, such as end plates, and the like, so as to enable efficient production of the core material of the small-size transformer as described above.
  • the core material in the region of the gap on a coupling part which is spaced from the first leg and / or the second leg.
  • the coupling part in the gap between the first leg and the second leg can further improve the magnetic properties by the magnetic coupling between the first leg and the second leg is increased.
  • the air gaps created by the presence of the coupling part in the gap significantly reduce the length of the resulting air gaps compared to the geometry without the coupling part, without, however, impairing the efficiency of mounting the first and second windings on the first leg.
  • the coupling part which itself may be of simple geometric structure, for instance in the shape of a cuboid, or the like, significantly improves the magnetic inference between the first leg and the second leg, without, however, additional complexity in the production of the core material or during assembly of the small transformer.
  • the coupling part is at least partially received in a recess of a bobbin.
  • the first winding and the second winding are applied to a bobbin, so that there is a precise and reproducible winding system of the small transformer, in this embodiment, in addition, the bobbin is designed so that the coupling member is received therein and thus in a precise manner in relation is positioned to the first leg and the second leg in the assembly of the small transformer.
  • the length of the first leg ie the dimension in the magnetic longitudinal direction, is equal to or less than 22 mm.
  • the magnetic cross section of the first leg is 50 mm 2 or smaller, preferably 30 mm 2 or smaller, so that in conjunction with the previously described length of the first leg also in the directions perpendicular thereto results in a very compact structure.
  • a distance between the first leg and the second leg in the region of the first and the second winding is 5 mm or smaller.
  • the spacing is sufficient to accommodate the first and second windings on the first leg as well as to ensure the necessary isolation structures between the windings and the second leg.
  • reduced values can also be achieved in the dimensions perpendicular to the magnetic longitudinal direction, so that the overall te construction volume of the small transformer is low.
  • FIG. 1A is a perspective view of a high voltage transformer according to the present invention.
  • FIG. 1B shows a front view of the small transformer
  • FIG. 1C shows a side view of the small transformer
  • Figure 1 D shows a sectional view along the line B-B of Figure 1C shows and
  • Figure 2 shows schematically a perspective view of a small transformer according to another embodiment.
  • FIG. 1A schematically illustrates a perspective view of a small transformer 100 according to an illustrative embodiment of the present invention.
  • the miniature transformer 100 which in illustrative embodiments transforms an input voltage of several 10V to several 100V to a relatively high output voltage in the range of several 100V to several tens of thousands of volts, is particularly desirable for its compact design for automotive and automotive applications and the like, when relatively high output voltages are required.
  • the small transformer 100 comprises a first winding 110, which is composed of two windings 11 1 and 112.
  • the two windings for the first winding 110 are suitable for ensuring a sufficient coupling to a second winding 120 in the case of a transformer with non-closed core geometry, so that the required high output voltage is achieved.
  • the second winding 120 is divided into individual winding sections 121, 122 and 123 in the illustrated embodiment. These winding sections typically contain several layers in order to achieve the required number of turns. For example, 50 turns or more, about 100 turns, and more are provided in the second winding 120.
  • the first winding 1 10 with only two turns, that for a desired high output voltage of the small transformer 100 and the number of turns of the second winding 120 can be reduced.
  • the advantages of a non-closed magnetic circuit with respect to the overall dimensions can be maintained to a particular extent and the small extension of the transformer in the longitudinal direction L as well as the small dimensions in the perpendicular directions B, H contribute to that as well the volume of the stray field is reduced compared to conventional designs.
  • output voltages at an input voltage of several tens of volts reaching 1000V or more of 10,000V, such as for lighting discharge lights in a mobile area, vehicles, etc. may be required is.
  • connection elements 1 13 and 114 respectively, which allow an electrical series connection of the two windings in the same direction or, in general, a contacting of the two windings.
  • these connection elements may be formed as contact pins for connection to a printed circuit board or other carrier material.
  • the connection elements 1 13, 114 are integral components of self-supporting conductor bars, stamped sheet metal parts, etc., which form the first and the second winding 11 1, 1 12.
  • the small transformer 100 includes a bobbin 140 that serves to receive the first winding 110 and the second winding 120.
  • the bobbin 140 corresponding recesses for receiving the windings 11 1 and 112 from. These material recesses thus serve as corresponding chambers, which, however, have only a small extension in the longitudinal direction L, so that the turns 11 1 and 12 can be precisely positioned. Further are thus the windings 1 11, 1 12 separated with insulating material in the longitudinal direction L, so that a high insulation strength between the first winding 110 and the second winding 120 is formed.
  • the position and insulation properties of the first winding 1 10 by constructive measures, that is defined by the structure of the bobbin 140, in a precise and reproducible manner.
  • the small transformer 100 includes a magnetic core material 130 that forms a non-closed core geometry. That is, the core material 130 has at least one interruption, resulting in an air gap.
  • the core material 130 includes a first leg 131 and a second leg 132 that are magnetically interconnected by a connector (not shown in FIG. 1A).
  • the core material 130 further comprises a coupling part 135, which is in a gap 136 between an end portion 131 E of the first leg 131, which is not enclosed by the bobbin 140 and thus by the first winding 1 10 and the second winding 120, is formed with the second leg 132.
  • the coupling member 135 is received in a recess 141 of the bobbin 140, so that the coupling member 135 in a precise manner with respect to the first leg
  • the coupling member may be otherwise secured in the gap 136.
  • first leg 131 and the second leg form
  • a U-shaped core geometry that provides the required magnetic properties of the small transformer 100, wherein the optional coupling part 135, a reduction of the effectively effective gap 136 after mounting the bobbin 140 on the first leg 131 allows.
  • an uncoated magnetic circuit geometry is used in which, although the magnetic properties are less favorable compared to a substantially closed core material, but overall smaller dimensions are reachable. For example, for the embodiment shown, a dimension in the longitudinal direction L of 22 mm or smaller, about a length in the range of 18-22 mm.
  • the magnetic cross section 131 F of the first leg 131 can be significantly larger than the magnetic cross section 132 F of the second leg 132, since the second leg 132 substantially only as a conclusion for the magnetic field of the first leg 131 and serves to adjust the total inductance of the core material 130. That is, it has been recognized that during certain operating phases saturation of the core material 130 occurs anyway, so that a reduction of the cross section 132F compared to the cross section 131 F is possible without losing the required magnetic properties.
  • the second leg 132 which thus forms part of a U-shaped core structure, a desired higher inductance value can be achieved, for example with regard to a possibly required current-limiting effect of the small transformer 100 in certain phases of operation, in particular the production of the core material 130 can be done much more efficiently than could be accomplished, for example, for a linear core geometry with corresponding end plates. That is, due to the U-shaped structure of the essential component of the core material 130, ie, the legs 131, 132 and the connecting part, not shown, a simple structure of the legs 131 and 132 can be maintained without corresponding end plates, whereby the production of the core material 130 itself as well as the installation of the small transformer 100 can be accomplished cheaper.
  • the optional coupling 135 may be provided to improve the inference in the gap 136 without, however, having a negative impact on both the assembly of the small transformer 100 and the production of the core material 130.
  • the cross-sectional area 131 F has an area of 50 mm 2 or smaller, preferably 30 mm 2 or smaller.
  • the cross-sectional area 131F is substantially square, eg, 4.8mm x 5.2mm, while the cross-section 132F of the second leg 132 is rectangular and, for example, half or significantly less of the cross-sectional area 131F.
  • approximately the cross-sectional area 132F in the direction B preferably has the same dimension as the cross-section 131F, so that the significantly reduced cross-section 132F results in a correspondingly smaller dimension in the lateral direction H as compared to the cross-section 131F.
  • the coupling part 135 can be adapted to the corresponding dimensions of the legs 131, 132 in order, on the one hand, to allow subsequent assembly and, on the other hand, a relatively strong magnetic coupling between see the end portion 131 E and the end portion of the second leg 132 reach.
  • one or both legs 131, 132 may have a rectangular cross-section or another cross-sectional shape, in particular a round cross-section.
  • Fig. 1B shows a frontal view taken along the longitudinal direction L of Fig. 1A.
  • the cross-sectional area 131 F is square with an edge length of 5 mm, in other embodiments an edge length of 3.5-7 mm is used.
  • the cross section 132F has the same dimension as the surface 131F in the lateral direction B, but is smaller in the lateral direction H, for example, the surface 132F along the direction H has a dimension of about 2 mm.
  • the magnetic cross-sectional area of the second leg 132 is reduced by a ratio of 1 / 2.5.
  • the magnetic cross-sectional area 131 F is at least twice the magnetic cross-sectional area 132F.
  • the cross sections 131 F and / or 132F may assume other geometric shapes, for example the shape of a rectangle, an oval, and in particular a circle.
  • the cross-sectional area 131 F and 132 F may each represent different geometric figures, such as a square in conjunction with a circle, etc. Regardless of the geometric shape of the respective cross-sections 131 F, 132 F, the two legs and a corresponding connecting part (not shown) cost and efficiently produced as a single piece of material.
  • Figure 1C shows a side view of the small transformer 100, wherein the overall dimension in the longitudinal direction L is 22 mm or smaller in order to obtain a compact structure, as already mentioned above.
  • Figure 1 D shows a corresponding sectional view along the section line B, which is shown in Figure 1 C.
  • the core material 130 is shown as two separate components, in which the one component is provided by the first leg 131, the second leg 132, and a connection part 137, while the second component is represented by the coupling part 135.
  • the component consisting of the legs 131, 132 and the connecting part 137 can be referred to as a single Matehai scholar be provided so that a very efficient production of this component can be achieved.
  • one or more of the elements 131, 132, 137 may be manufactured separately and then connected.
  • the core material 130 may be in the form of two separate components, i. the legs 131, 132 and the connecting part 137 as a component, on the one hand, and the coupling part 135, if provided, on the other hand, can be produced cost-efficiently.
  • these are preferably previously applied to the bobbin 140 and then positioned on the first leg 131.
  • FIG. 2 is a perspective view of a high output voltage, low voltage transformer 200 substantially identical to the embodiments described in conjunction with FIGS. 1A-1D, except that the optional one shown in FIGS Coupling part is not provided. That is, the small transformer 200 includes a first winding 210 with two turns and a second winding 220 on a bobbin 240 disposed on a first leg 231 of a non-closed core material 230. A second leg 232 is connected to the first leg 231 by a connecting part, not shown in Figure 2, so that substantially a U-shaped geometry of the core material 230 is formed.
  • FIGS. 1A-1D For further properties of the small transformer 200, reference should be made to the embodiments described in connection with FIGS. 1A-1D.
  • the small transformers 100, 200 according to the invention can advantageously be used in mobile applications, in vehicles in conjunction with gas discharge lamps, and the like.
  • a small volume of construction with given magnetic and electrical properties is an essential aspect for the usefulness of small high-voltage transformers.
  • a core geometry based on two legs for example in the form of a U-shaped structure, it has been possible to provide a required inductance value of the core material, for example in the range of 500-800 ⁇ , at the same time component dimensions for the length of approx. 22 mm or smaller and of dimensions of about 17 mm or smaller in the lateral directions.
  • the connection elements 113, 114 see FIG.
  • the values of the leakage inductance and the total inductance can be adjusted such that a pulse of suitable length is generated, in particular during the ignition process, and in the further course during startup of the discharge lamp desired limitation of the current is achieved.
  • the spatial extent of the stray magnetic field is very limited due to the small geometric dimensions of the small transformer, so that the positioning of the transformer within an electronic switching group is much easier and more flexible to handle compared to conventional systems, where appropriate, to further shielding measures for the magnetic Stray field can be dispensed with.

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Abstract

Der erfindungsgemäße Transformator (100) umfasst eine erste Wicklung (110) mit zwei Windungen (111, 112) und eine zweite Wicklung (120) sowie ein Kernmaterial mit nicht geschlossener Kerngeometrie mit einem ersten Schenkel (131) und einem zweiten Schenkel (132) in U-förmiger Anordnung, so dass ein sehr kompakter Aufbau erreicht wird und eine kostengünstige Herstellung des Kernmaterials gewährleistet ist.

Description

Hochspannungskleintransformator mit U-förmigem Kern
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen induktive Bauelemente und insbesondere Transformatoren mit geringem Bauvolumen, die für eine hohe Ausgangsspannung ausgelegt sind.
In vielen Bereichen der Technik gibt es das Bestreben, die Abmessungen von Geräten und Bauelementen zu verringern, ohne dabei jedoch Einbußen im Hinblick auf die Funktionsfähigkeit der entsprechenden Bauelemente oder Geräte zu verursachen. Bei der Miniaturisierung dieser Bauelemente oder Baugruppen müssen auch die elektronischen Komponenten, die für die Leistungsversorgung vorgesehen sind, in ihrer Größe in geeigneter Weise ange- passt werden. Beispielsweise können im Bereich der Lichttechnik zunehmend leistungsfähige Gasentladungsleuchten bereitgestellt werden, die bei geringerem Bauvolumen im Vergleich zu bislang verwendeten Leuchten eine gleichbleibende oder sogar höhere Leistung bieten. Das geringe Bauvolumen dieser Leuchtmittel führt jedoch auch dazu, dass die zur Ansteuerung der Leuchtmittel erforderlichen elektronischen Komponenten in der Größe reduziert werden müssen. Insbesondere induktive Komponenten und vor allem Transformatoren müssen dabei jedoch unter Berücksichtigung zahlreicher, das Leistungsverhalten beeinflussender Parameter entwickelt werden, da eine geeignete Anpassung eines induktiven Bauelements von zahlreichen Faktoren, etwa der Form des magnetischen Kerns, der Art des verwendeten Ferritmaterials, den Leitungsführungen in den Wicklungen, sowie generell der Schaltungstopologie abhängt. Obwohl in vielen Bereichen der Elektronik eine Verringerung der Größe der Bauelemente angestrebt wird, ist insbesondere das Erreichen einer ausreichend hohen Leistungsdichte für speziell gewählte Bauteilabmessungen bei induktiven Bauelementen mit hohem Aufwand verbunden, da zahlreiche durch die Eigenschaften der Magnetmaterialien vorgegebene physikalische Randbedingungen einzuhalten sind, so dass unterschiedliche Lösungsansätze zu unterschiedlichen Endergebnissen führen können, die sich dann jedoch gegebenenfalls nicht in gleicher Weise in der Zielanwendung verhalten.
Für viele Anwendungszwecke ist beispielsweise eine hohe Betriebsspannung zumindest in gewissen Betriebsphasen erforderlich, so dass neben den Schwierigkeiten, die aufgrund einer gewünschten kompakten Bauweise zu bewältigen sind, auch weitere Probleme zu berücksichtigen sind, die sich aus der hohen Betriebsspannung ergeben. Ein Beispiel für die Verwendung kleiner leistungsfähiger Transformatoren, die eine hohe Ausgangsspannung liefern müssen, ist der Einsatz in Verbindung mit gewissen Leuchtmitteln, etwa Xe- non-Leuchten, und dergleichen, da hier zumindest zum Zünden des Leuchtmittels eine relativ hohe Spannung von bis zu 30 kV erforderlich ist. Insbesondere für den mobilen Einsatz, in welchem ein geringes Volumen und ein geringes Gewicht wesentliche Aspekte für einen Hochspannungstransformator sind, muss gleichzeitig auf eine hohe Spannungsfestigkeit und Zuverlässigkeit des Transformators bei vielen unterschiedlichen Umgebungsbedingungen großer Wert gelegt werden. Auch in vielen anderen Bereichen, etwa für Messgeräte im Bereich der Umwelttechnologien, und dergleichen, sind teilweise hohe Spannungen beispielsweise für den Nachweis von Strahlung erforderlich, wobei auch hier typischerweise auf kleines Volumen und geringes Gewicht großer Wert gelegt wird, da typischerweise die Messgeräte für den mobilen Einsatz unter rauen Bedingungen vorgesehen sind.
Beispielsweise ist es bei der Ansteuerung spezieller Leuchtmittel aus Gründen eines kompakten Gesamtaufbaus erforderlich, die Größe und Form der entsprechenden elektronischen Platine der Gestalt und Größe des Leuchtmittels anzupassen, um damit insgesamt eine kompakte Bauform zu erreichen. Aufgrund dieser Vorgaben werden daher kleine Abmessungen für entsprechende Transformatoren gefordert, die aber dennoch die Erfordernisse im Hinblick auf die Leistungsdichte, die Betriebstemperatur, das elektromagnetische Verhalten, die Isolationsfestigkeit und dergleichen erfüllen müssen. Beispielsweise kann bei einem Leistungsbereich von einigen 10 W, wie dies etwa für moderne Gasentladungsleuchten typisch ist, eine Anpassung an die längliche Form der Gasentladungskolben gewisse laterale Abmessungen erfordern, die von der induktiven Komponente nicht überschritten werden dürfen, um damit insgesamt die gewünschte Formanpassung der elektronischen Platine zu ermöglichen. Beispielsweise sind Ferritkerne in vielen standardmäßigen Größen und mit vielen standardmäßigen Ferritmaterialien erhältlich, wobei jedoch im Größenbereich von Kernen mit einem magnetischen wirksamen Volumen von etwa 1000 mm3 oder weniger die erforderlichen Bauteileigenschaften mit einer geschlossenen Kerngeometrie, die beispielsweise eine relativ kompakte Bauweise mit gutem thermischen Verhalten und relativ geringer Störanfälligkeit bietet, gegebenenfalls nicht erreicht werden können, um eine ausreichende Leistung bei einem gewünschten kompakten Aufbau des Transformators bereit zustellen. D.h., häufig wird eine lineare Kernform für Transformatoren verwendet, um kompakte Abmessungen zumindest in einer Dimension zu erreichen, wobei ein magnetischer Aufbau mit etwas geringerer Effizienz im Vergleich zu Transformatoren mit nahezu geschlossenem magnetischen Kreis in Kauf genommen wird. Beispielsweise sind Ringkerne oder andere geschlossene magnetische Systeme häufig nicht kompatibel im Hinblick auf das zur Verfügung stehende Bauvolumen insbesondere in kritischen Anwendungen, etwa Mobilgeräten, Kraftfahrzeugen, und dergleichen. Es hat sich daher für kleine Hochspannungstransformatoren, die beispielsweise für Entladungsleuchten, Messgeräte, und dergleichen verwendet werden können, in der Praxis eine lineare Konfiguration des magnetischen Kernmaterials als geeignet erwiesen aufgrund der geringen Abmessungen, die sich senkrecht zur linearen Erstreckung des Transformators erreichen lassen. Dennoch gibt es für lineare Transformatoren bzw. Transformatoren mit einem stabförmigen zentralen Kern, die für eine hohe Ausgangsspannung ausgelegt sind, ein ausgeprägtes Bestreben, die Abmessungen und/oder Leistungseigenschaften weiter zu verbessern, da etwa im Bereich der Beleuchtungstechnik die Konkurrenzfähigkeit von Leuchtmitteln auf Basis von Entladungsleuchten im Vergleich zu neuen Niederspannungstechniken basierend auf LED-Technik ganz wesentlich auch durch die Eigenschaften des Transformators bestimmt ist.
In dieser Hinsicht ist es der Anmelderin gelungen, auf der Grundlage einer Kerngeometrie in Pilzform, d.h., linearer Stabkern mit jeweils Endplatten an den Stabenden, mit einer Primärwicklung mit 2 Windungen einen Kleintransformator für Hochspannung zu entwickeln, der eine deutliche Verringerung des Bauvolumens ermöglicht, ansonsten aber die zuvor geforderten Eigenschaften bereitstellt. Allerdings hat die Pilzstruktur des Kernmaterials einen gewissen Aufwand für die Herstellung des Kleintransformators zur Folge, etwa im Hinblick auf die Herstellung des Kerns, Sinterung des Kernmaterials, etc., sodass hier trotz des bereits erreichten geringen Bauvolumens und den damit verknüpften günstigen Eigenschaften noch Bedarf für weitere Verbesserungen besteht.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kleintransformator zur Bereitstellung hoher Spannungen bei geringem Bauvolumen mit einer Kernanordnung anzugeben, die insbesondere eine effiziente und kostengünstige Herstellung des Kleintransformators ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch einen Hochspannungskleintransformator, der eine erste Wicklung und eine zweite Wicklung aufweist, wobei die erste Wicklung aus zwei Windungen aufgebaut ist. Der Hochspannungskleintransformator umfasst ferner ein nicht als geschlossener magnetischer Kreis vorgesehenes Kernmaterial mit einem ersten Schenkel, einem zweiten Schenkel und einem den ersten Schenkel (131 ) und den zweiten Schenkel (132) verbindenden Verbindungsteil (137), wobei die erste Wicklung und die zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel angeordnet sind. Der erfindungsgemäße Kleintransformator für hohe Ausgangsspannung besitzt somit eine erste Wicklung als Primärwicklung, die lediglich zwei Windungen enthält, so dass insbesondere in Längsrichtung der Wicklungen ein äußerst kompakter Aufbau erreicht werden kann. Da trotz der geringen Anzahl an Windungen der ersten Wicklung eine hohe Kopplung zu der zweiten Wicklung erreicht wird, kann auch in dieser Wicklung die Anzahl der Windungen reduziert werden im Vergleich zu Stabkernanordnungen, die mehr als zwei Windungen in der ersten Wicklung aufweisen. Durch die Reduzierung der Anzahl der Windungen sowohl in der Primärwicklung als auch in der Sekundärwicklung kann die Gesamtlänge des Kleintransformators verringert werden, ohne dass die erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf die Isolationsfestigkeit zwischen den einzelnen Windungen und zwischen den Wicklungen nachteilig beeinflusst werden.
Ferner besitzt der erfindungsgemäße Kleintransformator eine Kerngeometrie, die einerseits eine nicht geschlossene Kernarchitektur darstellt, wie sie typischerweise in Anwendungen eingesetzt wird, die zuvor bereits beschrieben sind, die sich aber von der zuvor beschriebenen Pilzstruktur signifikant unterscheidet. Insbesondere hat der erfindungsgemäße Kleintransformator für hohe Spannungen einen ersten Schenkel und einen zweiten Schenkel, die miteinander verbunden sind, wobei die erste und die zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel angeordnet sind. Eine Kerngeometrie mit einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel kann im Vergleich zu beispielsweise einem Stabkern mit zugehörigen Endplatten, der somit eine Pilzstruktur repräsentiert, wesentlich effizienter und kostengünstiger hergestellt werden, beispielsweise in einer U-Form, so dass insgesamt die Herstellungskosten des Transformators aufgrund einer effizienten Herstellung des Kernmaterials und der vereinfachten Montage der Wicklungen auf dem Schenkel deutlich gesenkt werden können. Insbesondere hat die Kerngeometrie mit einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel den Vorteil, dass entsprechende Formen zum Pressen und Sintern des Kernmaterials als Mehrfachformen bereitgestellt werden können, so dass in einem einzelnen Arbeitsgang mehrere Kerne für den erfindungsgemäßen Kleintransformator hergestellt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Schenkel einen größeren magnetischen Querschnitt auf als der zweite Schenkel. In dieser Ausführungsform wirkt der erste Schenkel des Kernmaterials im Wesentlichen wie ein Stabkern, der von der ersten Wicklung und der zweiten Wicklung umschlossen ist, so dass der magnetische Querschnitt des ersten Schenkels wesentlich die magnetischen, mechanischen und thermischen Eigen- Schäften des Kleintransformators bestimmt. Der mit dem ersten Schenkel verbundene zweite Schenkel hat einen deutlich kleineren magnetischen Querschnitt und damit auch kleinere Abmessungen, trägt aber dennoch zu den gesamten magnetischen Eigenschaften entscheidend bei, indem etwa das zusätzliche Material im zweiten Schenkel eine geforderte Größe der Induktivität bzw. des AL-Wertes des Kernmaterials mitbestimmt. Es wurde insbesondere in der vorliegenden Erfindung erkannt, dass die Verwendung eines kleineren magnetischen Querschnitts im zweiten Schenkel, d.h. dem Schenkel, der die erste und die zweite Wicklung nicht trägt, zu einer Sättigung des Kernmaterials beitragen kann, dies aber auf die Funktion des Kleintransformators keine wesentliche Auswirkung ausübt, da generell das Kernmaterial beispielsweise bei Verwendung als Zündtransformator für eine Gasentladungsleuchte während gewisser Betriebsphasen ohnehin in der Sättigung ist. Andererseits kann durch den zweiten Schenkel dennoch in wirksamer Weise ein gewünschter höherer A|_-Wert des Kernmaterials eingestellt werden, da dies insbesondere bei Verwendung als Zündtransformator während der Hochlaufphase nach dem eigentlichen Zündvorgang von Bedeutung ist, da in dieser Hochlaufphase eine Begrenzung des Gesamtstroms durch den Kleintransformator erforderlich ist und dies durch die von dem erhöhten A|_-Wert bewirkte Induktivität des Kleintransformators gewährleistet werden kann. D.h., diese Strombegrenzung kann wirksam durch eine höhere Induktivität und damit durch das Vorsehen des zweiten Schenkels bewerkstelligt werden. Ferner lässt sich durch das Bereitstellen des zweiten Schenkels und insbesondere durch die Einstellung seines magnetischen Querschnitts insgesamt die Streuinduktivität des gesamten Kernmaterials wirksam so festlegen, dass eine für die benötigte Impulsbreite des Zündimpulses erforderliche Streuinduktivität gut erreicht wird, wobei jedoch die räumliche Ausdehnung des Streufeldes aufgrund der insgesamt sehr kompakten Bauform des Kernmaterials mit erstem und zweitem Schenkel klein gehalten werden kann. Dadurch können gegebenenfalls weitere Abschirmmaßnahmen zur Abschirmung des Streufeldes vermieden werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der magnetische Querschnitt des ersten Schenkels mindestens doppelt so groß wie der magnetische Querschnitt des zweiten Schenkels. Aufgrund dieser geometrischen Eigenschaft des Kernmaterials kann der Abstand zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel reduziert werden, ohne dass der Raumbereich, der für die erste Wicklung und die zweite Wicklung, die um den ersten Schenkel herum geführt sind, unnötig eingeschränkt wird. D.h., die im wesentlichen parallel verlaufenden Schenkel des Kernmaterials weisen einen Abstand auf, der die Aufnahme der ersten und der zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel zulässt, aber aufgrund des reduzierten magnetischen Querschnitts die gesamte Erstreckung des Kernmaterials des ersten und des zweiten Schenkels in der Richtung senkrecht zur magnetischen Längsrichtung nicht unnötig vergrößert. Dies wird insbesondere in einer Ausführungsform mit rechteckiger Querschnittsfläche dadurch erreicht, dass etwa der kleinere magnetische Querschnitt des zweiten Schenkels aufgrund einer Reduzierung der Abmessungen des zweiten Schenkels in der Richtung des Abstands zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel entsprechend verkleinert wird, wohingegen in der dazu senkrechten Richtung die Abmessung des zweiten Schenkels aus fertigungstechnischen Gründen vorzugsweise der Abmessung des ersten Schenkels entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der erste Schenkel einen nicht von der ersten und der zweiten Wicklung umschlossen Endbereich auf, der über einen Spalt mit dem zweiten Schenkel magnetisch gekoppelt ist. In dieser Ausführungsform ist sichergestellt, dass der Spalt eine nicht geschlossene Kerngeometrie realisiert, die beispielsweise einer U-Form entspricht. Der Spalt zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel stellt ferner eine geeignete Maßnahme dar, um bei der Montage des Kleintransformators die erste Wicklung und die zweite Wicklung ungehindert auf den ersten Schenkel aufschieben zu können.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der magnetische Querschnitt des Endbereichs des ersten Schenkels gleich zu dem magnetischen Querschnitt des Teils des ersten Schenkels, auf welchem die erste und die zweite Wicklung angeordnet sind. D.h., der erste Schenkel hat zumindest über einen wesentlichen Teil seiner Länge hinweg einen nahezu gleich bleibenden magnetischen Querschnitt, so dass die erste und die zweite Wicklung geeignet aufgebracht werden können. Insbesondere hat in dieser Ausführungsform der offen mündende Endbereich des ersten Schenkels keine magnetischen Erweiterungsbereiche, beispielsweise Endplatten, und dergleichen, so dass eine effiziente Herstellung des Kernmaterials des Kleintransformators ermöglicht wird, wie dies bereits zuvor beschrieben ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kernmaterial im Bereich des Spaltes einen Kopplungsteil auf, der von dem ersten Schenkel und/oder dem zweiten Schenkel beabstandet ist. Der Kopplungsteil im Spalt zwischen dem ersten Schenkel und den zweiten Schenkel kann die magnetischen Eigenschaften weiter verbessern, indem die magnetische Kopplung zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel erhöht wird. Die durch die Anwesenheit des Kopplungsteils im Spalt entstehenden Luftspalte verringern, im Vergleich zu der Geometrie ohne Kopplungsteil, die Länge der entstehenden Luftspalte deutlich, ohne dass jedoch die Effizienz der Montage der ersten und der zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel beeinträchtigt wird. Durch den Kopplungsteil, der selbst von einfacher geometrische Struktur sein kann, etwa in Form eines Quaders, oder dergleichen, wird der magnetische Rückschluss zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel deutlich verbessert, ohne jedoch zusätzliche Komplexität bei der Herstellung des Kernmaterials oder bei der Montage des Kleintransformators zu verursachen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kopplungsteil zumindest teilweise in einer Aussparung eines Spulenkörpers aufgenommen. Vorteilhafterweise sind die erste Wicklung und die zweite Wicklung auf einem Spulenkörper aufgebracht, so dass sich ein präzises und reproduzierbares Wicklungssystem des Kleintransformators ergibt, wobei in dieser Ausführungsform zusätzlich der Spulenkörper so gestaltet ist, dass der Kopplungsteil darin aufgenommen ist und damit in präziser Weise in Bezug zu dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel bei der Montage des Kleintransformators positioniert ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Länge des ersten Schenkels, d.h. die Abmessung in der magnetischen Längsrichtung, gleich oder kleiner als 22 mm. Erfindungsgemäß ist es damit gelungen, in Längsrichtung ein sehr kompaktes magnetisches Kernmaterial bereitzustellen, das die erste und zweite Wicklung aufnimmt, wobei dennoch die erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf Leistung und Ausgangsspannung, etwa zum Zünden von Xenon-Leuchten, etwa für Automotiv-Anwendungen, bereitgestellt werden. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist der magnetische Querschnitt des ersten Schenkels 50 mm2 oder kleiner, vorzugsweise 30 mm2 oder kleiner, so dass sich in Verbindung mit der zuvor beschriebenen Länge des ersten Schenkels auch in den dazu senkrechten Richtungen ein sehr kompakter Aufbau ergibt. In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen ist ein Abstand zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel im Bereich der ersten und der zweite Wicklung 5 mm oder kleiner. In dieser Ausführungsform ist der Abstand ausreichend, um die erste und zweite Wicklung auf dem ersten Schenkel aufzunehmen sowie auch die notwendigen Isolationsstrukturen zwischen den Wicklungen und dem zweiten Schenkel sicherzustellen. Ferner lassen sich dadurch in den Abmessungen senkrecht zur magnetischen Längsrichtung ebenfalls reduzierte Werte verwirklichen, so dass das gesam- te Bauvolumen des Kleintransformators gering ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich auch aus den angefügten Patentansprüchen und gehen auch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
Figur 1A eine perspektivische Ansicht eines Kleintransformators für hohe Spannungen gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
Figur 1 B eine Frontansicht des Kleintransformators zeigt,
Figur 1C eine Seitenansicht des Kleintransformators zeigt,
Figur 1 D eine Schnittansicht entsprechend der Linie B-B aus Figur 1C zeigt und
Figur 2 schematisch eine perspektivische Ansicht eines Kleintransformators gemäß einer weiteren Ausführungsform zeigt.
Mit Bezug zu den Zeichnungen werden nunmehr weitere Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei zu beachten ist, dass teilweise die in den Zeichnungen dargestellten Komponenten nicht maßstabsgetreu dargestellt sind.
Figur 1A zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Kleintransformators 100 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Kleintransformator 100, der in anschaulichen Ausführungsformen eine Eingangsspannung von mehreren 10 V bis mehreren 100 V auf eine relativ hohe Ausgangsspannung im Bereich von mehreren 100 V bis mehrere 10.000 V transformiert, ist insbesondere aufgrund der kompakten Bauweise für mobile Anwendungen und Anwendungen im Kfz-Bereich und dergleichen geeignet, wenn relativ hohe Ausgangsspannungen erforderlich sind.
Der Kleintransformator 100 umfasst eine erste Wicklung 110, die aus zwei Windungen 11 1 und 112 aufgebaut ist. In der vorliegenden Erfindung sind die zwei Windungen für die erste Wicklung 1 10 geeignet, um bei einem Transformator mit nicht geschlossener Kerngeometrie eine ausreichende Kopplung zu einer zweiten Wicklung 120 zu gewährleisten, so dass die erforderliche hohe Ausgangsspannung erreicht wird. Die zweite Wicklung 120 ist in der gezeigten Ausführungsform in einzelne Wicklungsabschnitte 121 , 122 und 123 unterteilt. Diese Wicklungsabschnitte enthalten dabei typischerweise mehrere Lagen, um die erforderliche Windungszahl zu erreichen. Beispielsweise sind 50 Windungen oder mehr, etwa 100 Windungen und mehr in der zweiten Wicklung 120 vorgesehen.
Ferner kann durch die Bereitstellung der ersten Wicklung 1 10 mit nur zwei Windungen erreicht werden, dass für eine gewünschte hohe Ausgangsspannung des Kleintransformators 100 auch die Anzahl der Windungen der zweiten Wicklung 120 reduziert werden kann. Auf diese Weise können die Vorteile eines nicht geschlossenen magnetischen Kreises im Hinblick auf die gesamten Abmessungen in besonderem Maße beibehalten werden und die geringe Erstreckung des Transformators in Längsrichtung L sowie auch die geringen Abmessungen in den dazu senkrechten Richtungen B, H tragen dazu bei, dass auch das Volumen des Streufeldes im Vergleich zu konventionellen Ausführungen reduziert ist. Bei Anwendung einer Windungszahl von 100 oder größer in der zweiten Wicklung können daher Ausgangsspannungen bei einer Eingangsspannung von mehreren 10 V bereitgestellt werden, die 1000 V oder mehrere 10.000 V erreichen, wie dies etwa zum Zünden von Entladungsleuchten im mobilen Bereich, Fahrzeugen, etc. erforderlich ist.
Ferner sind in der gezeigten Ausführungsform die erste und die zweite Windung 11 1 , 112 mit entsprechenden Anschlusselementen 1 13 bzw. 114 versehen, die eine gleichsinnige elektrische Reihenschaltung der beiden Windungen oder generell eine Kontaktierung der beiden Windungen ermöglichen. Beispielsweise können diese Anschlusselemente als Kontaktstifte zur Verbindung mit einer Leiterplatte oder einem anderen Trägermaterial ausgebildet sein. In anderen Ausführungsformen sind die Anschlusselemente 1 13, 114 integrale Bestandteile von selbsttragenden Leiterbügeln, gestanzten Blechteilen, etc. die die erste und die zweite Windung 11 1 , 1 12 bilden.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Kleintransformator 100 einen Spulenkörper 140, der zur Aufnahme der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 dient. Dazu weist beispielsweise der Spulenkörper 140 entsprechende Aussparungen zur Aufnahme der Windungen 11 1 und 112 aus. Diese Materialaussparungen dienen somit als entsprechende Kammern, die jedoch nur eine geringe Erstreckung in der Längsrichtung L aufweisen, so dass die Windungen 11 1 und 1 12 präzise positioniert werden können. Ferner sind damit die Windungen 1 11 , 1 12 mit isolierendem Material in der Längsrichtung L abgetrennt, so dass eine hohe Isolationsfestigkeit zwischen der ersten Wicklung 110 und der zweiten Wicklung 120 entsteht. Somit sind Position und Isolationseigenschaften der ersten Wicklung 1 10 durch konstruktive Maßnahmen, das heißt durch den Aufbau des Spulenkörpers 140, in präziser und reproduzierbarer Weise festgelegt.
Ferner umfasst der Kleintransformator 100 ein magnetisches Kernmaterial 130, das eine nicht geschlossene Kerngeometrie bildet. D.h., das Kernmaterial 130 weist mindestens eine Unterbrechung auf, so dass sich ein Luftspalt ergibt. Das Kernmaterial 130 umfasst einen ersten Schenkel 131 und einen zweiten Schenkel 132, die magnetisch durch ein Verbindungsteil (in Figur 1A nicht gezeigt) miteinander verbunden sind. In der gezeigten Ausführungsform umfasst das Kernmaterial 130 ferner einen Kopplungsteil 135, der in einem Spalt 136 zwischen einem Endbereich 131 E des ersten Schenkels 131 , der nicht von dem Spulenkörper 140 und somit von der ersten Wicklung 1 10 und der zweiten Wicklung 120 umschlossen ist, mit dem zweiten Schenkel 132 gebildet ist. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kopplungsteil 135 in einer Aussparung 141 des Spulenkörpers 140 aufgenommen, so dass der Kopplungsteil 135 in präziser Weise in Bezug zu dem ersten Schenkel
131 und dem zweiten Schenkel 132 positionierbar ist. In anderen Ausführungsformen kann der Kopplungsteil in anderer Weise in dem Spalt 136 befestigt sein.
In der gezeigten Ausführungsform bilden der erste Schenkel 131 und der zweite Schenkel
132 in Verbindung mit dem in Figur 1A nicht gezeigten Verbindungsteil eine U-förmige Kerngeometrie, die für die erforderlichen magnetischen Eigenschaften des Kleintransformators 100 sorgt, wobei der optionale Kopplungsteil 135 eine Reduzierung des effektiv wirksamen Spalts 136 nach Montage des Spulenkörpers 140 auf dem ersten Schenkel 131 ermöglicht. Wie eingangs bereits erläutert ist, wird in Anwendungen, in denen ein äußerst kompakter Aufbau für einen Transformator erforderlich ist, häufig eine nicht geschlossene Magnetkreisgeometrie angewendet, in welcher zwar die magnetischen Eigenschaften ungünstiger sind im Vergleich zu einem im wesentlichen geschlossenen Kernmaterial, jedoch insgesamt kleinere Abmessungen erreichbar sind. Beispielsweise ergibt sich für die gezeigte Ausführungsform eine Abmessung in der Längsrichtung L von 22 mm oder kleiner, etwa eine Länge im Bereich von 18-22 mm. Für Abmessungen in dieser Größenordnung ergeben sich etwa in den dazu senkrechten Dimensionen, etwa in der Höhe H und der Breite B Abmessungen von 17 mm oder kleiner, etwa im Bereich von 14-17 mm. Um diese geringen Abmessungen zu erreichen, wurde erfindungsgemäß erkannt, dass der magnetische Querschnitt 131 F des ersten Schenkels 131 deutlich größer sein kann als der magnetische Querschnitt 132F des zweiten Schenkels 132, da der zweite Schenkel 132 im wesentlichen nur als Rückschluss für das Magnetfeld des ersten Schenkels 131 und zur Einstellung der Gesamtinduktivität des Kernmaterials 130 dient. D.h., es wurde erkannt, dass während gewisser Betriebsphasen ohnehin eine Sättigung des Kernmaterials 130 auftritt, so dass eine Reduzierung des Querschnitts 132F im Vergleich zu dem Querschnitt 131 F möglich ist, ohne die erforderlichen magnetischen Eigenschaften einzubüßen. Andererseits kann durch die Bereitstellung des zweiten Schenkels 132, der somit einen Teil einer U-förmigen Kernstruktur bildet, ein gewünschter höherer Induktivitätswert, beispielsweise im Hinblick auf eine möglicherweise erforderliche strombegrenzende Wirkung des Kleintransformators 100 in gewissen Betriebsphasen erreicht werden, wobei insbesondere die Herstellung des Kernmaterials 130 wesentlich effizienter erfolgen kann, als dies beispielsweise für eine lineare Kerngeometrie mit entsprechenden Endplatten bewerkstelligt werden könnte. D.h., aufgrund der U-förmigen Struktur der wesentlichen Komponente des Kernmaterials 130, d.h., der Schenkel 131 , 132 und des nicht gezeigten Verbindungsteils, kann ein einfacher Aufbau der Schenkel 131 und 132 ohne entsprechende Endplatten beibehalten werden, wodurch die Herstellung des Kernmaterials 130 selbst sowie auch die Montage des Kleintransformators 100 kostengünstiger bewerkstelligt werden können. Bei Bedarf kann der optionale Kopplungsteil 135 zur Verbesserung des Rückschlusses im Spalt 136 vorgesehen werden, ohne jedoch eine negative Auswirkung sowohl auf die Montage des Kleintransformators 100 als auch die Herstellung des Kernmaterials 130 auszuüben.
In einer Ausführungsform weist die Querschnittsfläche 131 F eine Fläche von 50 mm2 oder kleiner, vorzugsweise 30 mm2 oder kleiner auf. In der dargestellten Ausführungsform ist die Querschnittsfläche 131 F im Wesentlichen quadratisch, z.B. 4,8 mm x 5,2 mm, während der Querschnitt 132F des zweiten Schenkels 132 rechteckförmig ist und beispielsweise die Hälfte oder deutlich weniger der Querschnittsfläche 131 F beträgt. Wie gezeigt, besitzt etwa die Querschnittsfläche 132F in der Richtung B vorzugsweise die gleiche Abmessung wie der Querschnitt 131 F, so dass der deutlich reduzierte Querschnitt 132F im Vergleich zu dem Querschnitt 131 F zu einer entsprechend kleineren Abmessungen in der lateralen Richtung H führt. In entsprechender Weise kann der Kopplungsteil 135 an die entsprechenden Abmessungen der Schenkel 131 , 132 angepasst sein, um einerseits eine nachträgliche Montage zu ermöglichen und andererseits eine relativ starke magnetische Kopplung zwi- sehen dem Endbereich 131 E und dem Endbereich des zweiten Schenkels 132 zu erreichen. In anderen Ausführungsformen können einer oder beide Schenkel 131 , 132 einen rechteckigen Querschnitt oder eine andere Querschnittsform, insbesondere einen runden Querschnitt, aufweisen.
Figur 1 B zeigt eine frontale Ansicht, die entlang der Längsrichtung L aus Figur 1A genommen ist. In dieser Ausführungsform ist die Querschnittsfläche 131 F quadratisch mit einer Kantenlänge von 5 mm, wobei in anderen Ausführungsformen eine Kantenlänge von 3,5-7 mm angewendet wird. Der Querschnitt 132F hat in der lateralen Richtung B die gleiche Abmessung wie die Fläche 131 F, ist jedoch in der lateralen Richtung H kleiner, beispielsweise besitzt die Fläche 132F entlang der Richtung H eine Abmessung von ca. 2 mm. In dieser Ausführungsform ist daher die magnetische Querschnittsfläche des zweiten Schenkels 132 im Verhältnis 1/2,5 reduziert. Selbstverständlich können auch andere Verhältnisse realisiert werden, wobei in vorteilhaften Ausführungsformen die magnetische Querschnittsfläche 131 F mindestens das Zweifache der magnetischen Querschnittsfläche 132F beträgt. Wie zuvor bereits erläutert ist, können die Querschnitte 131 F und/oder 132F andere geometrische Formen annehmen, beispielsweise die Form eines Rechtecks, eines Ovals, und insbesondere eines Kreises. Gegebenenfalls können die Querschnittsfläche 131 F und 132F jeweils unterschiedliche geometrische Figuren repräsentieren, beispielsweise ein Quadrat in Verbindung mit einem Kreis, usw. Unabhängig von der geometrischen Form der jeweiligen Querschnitte 131 F, 132F können die beiden Schenkel und ein entsprechender Verbindungsteil (nicht gezeigt) kostengünstig und effizient als ein einzelnes Materialstück hergestellt werden.
Figur 1C zeigt eine Seitenansicht des Kleintransformators 100, wobei die Gesamtabmessung in der Längsrichtung L bei 22 mm oder kleiner beträgt, um einen kompakten Aufbau zu erhalten, wie dies bereits zuvor erwähnt ist.
Figur 1 D zeigt eine entsprechende Schnittansicht entlang der Schnittlinie B, die in Figur 1 C gezeigt ist. In dieser Ausführungsform ist das Kernmaterial 130 als zwei getrennte Komponenten gezeigt, in der die eine Komponente durch den ersten Schenkel 131 , den zweiten Schenkel 132 und einen Verbindungsteil 137 bereitgestellt ist, während die zweite Komponente durch den Kopplungsteil 135 repräsentiert ist. Wie zuvor bereits dargelegt ist, kann die aus den Schenkeln 131 , 132 und dem Verbindungsteil 137 bestehende Komponente als ein einzelnes Matehaistück bereitgestellt werden, so dass sich eine sehr effiziente Herstellung dieser Komponente erreichen lässt. Bei Bedarf können selbstverständlich eines oder mehrere der Elemente 131 , 132, 137 separat hergestellt und anschließend verbunden werden.
Bei der Herstellung des Kleintransformators 100 kann somit das Kernmaterial 130 in Form zweier einzelner Komponenten, d.h. die Schenkel 131 , 132 und der Verbindungsteil 137 als eine Komponente einerseits und der Kopplungsteil 135, falls vorgesehen, andererseits kosteneffizient hergestellt werden. Bei der anschließenden Montage der ersten und der zweiten Wicklung 110, 120 auf dem ersten Schenkel 131 werden diese vorzugsweise zuvor auf dem Spulenkörper 140 aufgebracht und dann auf dem ersten Schenkel 131 positioniert.
Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kleintransformators für hohe Ausgangsspannungen 200, der im wesentlichen identisch ist zu den Ausführungsformen, die im Zusammenhang mit den Figuren 1A-1 D beschrieben sind, mit der Ausnahme, dass der in den Figuren 1A-1 D gezeigte optionale Kopplungsteil nicht vorgesehen ist. D.h., der Kleintransformator 200 umfasst eine erste Wicklung 210 mit zwei Windungen und eine zweite Wicklung 220 auf einem Spulenkörper 240, der auf einem ersten Schenkel 231 eines nicht geschlossenen Kernmaterials 230 angeordnet ist. Ein zweiter Schenkel 232 ist mit dem ersten Schenkel 231 verbunden durch einen in Figur 2 nicht gezeigten Verbindungsteil, so dass im Wesentlichen eine U-förmige Geometrie des Kernmaterials 230 gebildet ist. Für weitere Eigenschaften des Kleintransformators 200 sei auf die Ausführungsformen verwiesen, die in Verbindung mit den Figuren 1A-1 D beschrieben sind.
Die erfindungsgemäßen Kleintransformatoren 100, 200 können vorteilhaft in mobilen Anwendungen, in Fahrzeugen in Verbindung mit Gasentladungsleuchten, und dergleichen eingesetzt werden. In diesen Anwendungen ist ein kleines Bauvolumen bei vorgegebenen magnetischen und elektrischen Eigenschaften ein wesentlicher Aspekt für die Brauchbarkeit kleiner Hochspannungstransformatoren. Insbesondere durch die Verwendung einer Kerngeometrie auf der Grundlage zweier Schenkel, etwa in Form einer U-förmigen Struktur, ist es gelungen, einen erforderlichen Induktivitätswert des Kernmaterials, beispielsweise im Bereich von 500-800 μΗ bereitzustellen, wobei gleichzeitig Bauteilabmessungen für die Länge von ca. 22 mm oder kleiner und von Abmessungen von ca. 17 mm oder kleiner in den lateralen Richtungen erreicht werden. Bei der elektrischen Anbindung des erfindungs- gemäßen Transformators ermöglichen insbesondere die Anschlusselemente 113, 114 (siehe Figur 1A) einen Kontakt zu den weiteren elektrischen Komponenten, beispielsweise zu einem Kondensator und einer Funkenstrecke, derart, dass insbesondere die parasitäre Induktivität der Zuleitungen gering gehalten werden kann, so dass die erste Wicklung mit lediglich zwei Windungen geeignet ist, die erforderliche Hochspannung auf der Sekundärseite zu erzeugen. Des weiteren können auf der Grundlage des zuvor beschriebenen Kernmaterials mit dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel die Werte der Streuinduktivität und der Gesamtinduktivität so eingestellt werden, dass insbesondere beim Zündvorgang ein Impuls mit geeigneter zeitlicher Länge erzeugt wird und im weiteren Verlauf beim Hochlauf der Entladungsleuchte eine gewünschte Begrenzung des Stroms erreicht wird. Gleichzeitig ist durch die geringen geometrischen Abmessungen des Kleintransformators auch die räumliche Ausdehnung des magnetischen Streufeldes sehr begrenzt, so dass die Positionierung des Transformators innerhalb einer elektronischen Schaltgruppe wesentlich unproblematischer und flexibler zu handhaben ist im Vergleich zu konventionellen Systemen, wobei gegebenenfalls auf weitere Abschirmmaßnahmen für das magnetische Streufeld verzichtet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Kernmaterials in Form eines ersten und eines zweiten miteinander verbundenen Schenkels, insbesondere als eine U-Form, gelingt also eine weitere Verringerung des Bauvolumens eines Kleintransformators für hohe Spannungen, wobei insbesondere die Herstellungskosten für das Kernmaterial sowie die gesamten Fertigungskosten des Kleintransformators reduziert werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Hochspannungskleintransformator (100) mit: einer ersten Wicklung (1 10) mit zwei Windungen (11 1 , 112), einer zweiten Wicklung (120) und einem nicht als geschlossener magnetischer Kreis vorgesehenen Kernmaterial (130) mit einem ersten Schenkel (131 ), einem zweiten Schenkel (132) und einem den ersten Schenkel (131 ) und den zweiten Schenkel (132) verbindenden Verbindungsteil (137), wobei die erste Wicklung (1 10) und die zweite Wicklung (120) auf dem ersten Schenkel (131 ) angeordnet sind.
2. Hochspannungskleintransformator nach Anspruch 1 , wobei der erste Schenkel (131 ) einen größeren magnetischen Querschnitt (131 F) aufweist als der zweite Schenkel (132, 132F).
3. Hochspannungskleintransformator nach Anspruch 2, wobei der magnetische Querschnitt (131 F) des ersten Schenkels (131 ) mindestens doppelt so groß ist wie der magnetische Querschnitt (132F) des zweiten Schenkels (132).
4. Hochspannungskleintransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Schenkel (131 ) einen nicht von der ersten und der zweiten Wicklung (110, 120) umschlossenen Endbereich (131 E) aufweist, der über einen Spalt (136) mit dem zweiten Schenkel (132) magnetisch gekoppelt ist.
5. Hochspannungskleintransformator nach Anspruch 4, wobei der magnetische Querschnitt (131 F) des Endbereichs (131 E) gleich ist zu dem magnetischen Querschnitt des Teils des ersten Schenkels (131 ), auf dem die erste und zweite Wicklung (110, 120) angeordnet sind.
6. Hochspannungskleintransformator nach Anspruch 4 oder 5, wobei das Kernmaterial (130) ferner im Bereich des Spaltes (136) einen Kopplungsteil (135) aufweist, der von dem ersten Schenkel (131 ) und/oder dem zweiten Schenkel (132) beabstandet ist.
7. Hochspannungskleintransformator nach Anspruch 6, wobei der Kopplungsteil (135) zumindest teilweise in einer Aussparung (141 ) eines Spulenkörpers (140) aufgenommen ist.
8. Hochspannungskleintransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Länge des ersten Schenkels (131 ) gleich oder kleiner als 22 mm ist.
9. Hochspannungskleintransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der magnetische Querschnitt (131 F) des ersten Schenkels (131 ) 50 mm2 oder kleiner, vorzugsweise 30 mm2 oder kleiner ist.
10. Hochspannungskleintransformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Abstand zwischen dem ersten Schenkel (131 ) und dem zweiten Schenkel (132) im Bereich der ersten und zweiten Wicklung (110, 120) 5 mm oder kleiner ist.
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