DE69603993T2 - Transformator, insbesondere für Energiewandler, und Resonanzenergiewandler mit einem solchen Transformator - Google Patents

Description

• Die Erfindung zielt auf einen Transformator, insbesondere für Energiewandler, der eine primäre Wicklung und eine sekundäre Wicklung umfasst, die auf einem magnetischen Schaltkreis ausgebildet sind, der so angepaßt ist, dass er den Fluss der primären Wicklung zur sekundären Wicklung kanalisiert. Sie bezieht sich auf einen Resonanzenergiewandler der mit solch einem Transformator ausgestattet ist.
• Einer der Hauptnachteile der heute vorhandenen Transformatoren besteht in der Tatsache, dass sie einen magnetischen Streuverlust aufweisen, der diese Transformatoren in doppelter Hinsicht benachteiligt. Dadurch und in erster Linie ruft dieser Magnetfluss Wirbelströme hervor, die einen Verlust am Kontakt mit den elektrischen Leiter erzeugen. Außerdem strahlt dieser magnetischen Streuverlust in die umgebende Luft, wobei sein Verhalten eine Funktion der elektromagnetischen Charakteristika dieser Umgebung ist. Aus diesem Grund erweist sich dieser magnetische Streuverlust in der Praxis als unkontrollierbar.
• Die einzige, heutzutage angebotene Lösung um diese Nachteile abzustellen besteht darin, zu versuchen diesen magnetischen Streuverlust zu minimieren. Zu diesem Zweck besteht die geläufigste Lösung darin, um den magnetischen Schaltkreis herum eine Abschirmung herzustellen, die eine geschlossene, äussere Strecke formt, die verhindert, dass der magnetische Streuverlust außerhalb des Transformators strahlt. Eine solche Lösung hat zum Vorteil, den magnetischen Streuverlust durch den Abbau desselben zu limitieren. Gleichwohl löst dies nicht die mit dem Vorhanden des magnetischen Streuverlusts verbundenen Probleme, da sie ausschließlich deren Minimierung, jedoch nicht deren Kontrolle zulässt.
• Die vorliegende Erfindung zielt auf die Unterbindung der von dem Vorhandensein eines magnetischen Streuverlusts abhängigen Nachteile von Transformatoren, und sie bietet an, einen Transformator zu liefern, der so ausgelegt ist, um die Gefährdungen, die mit dem magnetischen Streufluss verbunden sind, aufzuheben.
• Ein anderes Ziel der Erfindung ist, einen Resonanzenergiewandler mit einer vereinfachter Auslegung im Vergleich mit aktuellen Resonanzenergiewandlern zu liefern.
• Zu diesem Zweck ist die Erfindung in erster Linie auf einen Transformator ausgerichtet, dessen magnetischer Schaltkreis mindestens drei, laterale bzw. zentrale genannte, miteinander an jeder ihrer Enden durch zwei Stege verbundene Verzweigungen aufweist.
• Gemäß der Erfindung zeichnet sich der Transformator dadurch aus, dass:
• - die primäre und die sekundäre Wicklung jeweils um zwei unterschiedliche Verzweigungen angebracht sind und durch die Stege so verbunden sind, dass sie mit ihnen einen geschlossenen, magnetischen Schaltkreis mit einem relativ zu einem offenen, nämlich mit einem Luftspalt versehenen magnetischen Schaltkreis, schwachen magnetischen Widerstand bilden,
• - die dritte Verzweigung einen zwischen einem vorgegebenen Minimalwert und einem mit der Länge der Verzweigung ungefähr übereinstimmenden Maximalwert einstellbaren Luftspalt von vorbestimmter Breite umfasst, zur Kanalisierung des magnetischen Streuflusses des Transformators entsprechend der Differenz des magnetischen Potentials zwischen den Stegen,
• - um den magnetischen Schaltkreis eine externe, geschlossene Windung angeordnet ist.
• Die Erfindung besteht also daraus, einen Transformator herzustellen:
• - dessen primäre und sekundäre Wicklungen auf zwei unterschiedlichen Verzweigungen eines geschlossenen Schaltkreises angebracht sind und demzufolge von Kraftflüssen von unterschiedlichen Werten durchflossen werden,
• - der eine Verzweigung des gemeinsamen Kraftflusses aufweist, die mit einem Luftspalt ausgestattet ist und eine kontrollierte Drosselspule bildet, deren Charakteristika durch die Wertdifferenz zwischen den, die zwei Verzweigungen des geschlossenen Kreislaufs durchfließenden Kraftflüssen vorbestimmt sind.
• Ein solcher Transformator hat die Besonderheit, durch seine Auslegung eine Verlustdrosselspule zu integrieren, deren Kraftfluss im Material des magnetischen Schaltkreises kanalisiert ist und deren Charakteristika in der Funktion der Breite und des Schnitts des Luftspaltes eingestellt werden können.
• Außerdem erlaubt das Vorhandensein der geschlossenen Windung die Vermeidung der Strahlungen des magnetischen Streuverlusts nach draußen und steuert mit einer sehr präzisen Festlegung die Charakteristika der Drosselspule und das auf der Skala der hohen Frequenzen der Energiekonversion, nämlich bei höheren Frequenzen als 10 kHz.
• Eine solche Erfindung erlaubt zum Beispiel die Unterdrückung von Beeinträchtigungen, die mit magnetischen Streuverlusten im Zusammenhang stehen, indem sie diese solcherart benutzt, um eine kontrollierte Drosselspule herzustellen und sie führt dahin, eine Komponente zu liefern, die die Funktionen der Drosselspule und des Transformators zusammenführt, wofür bis heute zwei unterschiedliche Komponenten benötigt werden.
• Andererseits führt eine solche Auslegung, gemäß welcher die primären und sekundären Wicklungen getrennt sind, zu einer Minimierung der kapazitiven Kopplung zwischen den primären und sekundären Wicklungen und aufgrund dieser Tatsache garantiert sie eine Sperre gegenüber Störungen allgemeiner Art, was dem Transformator in Bezug auf die elektromagnetische Kompatibilität (vor allem bei den Ausgangslinien) eine ausgezeichnete Leistung verleiht.
• Zusätzlich erlaubt diese Auslegung die Sicherstellung von galvanischer Isolierung und das Erzielen von ausgezeichneten Ergebnissen bei der dielektrischen Durchschlagsfestigkeit.
• Es wird angemerkt, dass es insbesondere bei den Patenten DE 36 09 617 und DE 11 22 627 bekannt war, magnetische Schaltkreise auszubilden, des in dem Obrebegrigg des Anspruchs 1 beschriebenen Typs, bei denen mindestens eine Verzweigung mit einem Luftspalt ausgestattet ist. Die angestrebten Ziele in jenen Patenten sind jedoch völlig verschieden zu denen dieser Erfindung und die Auslegung der in jenen Patenten beschriebenen Vorrichtungen legen in keiner Weise nahe, einen gemäß dieser Erfindung Transformator zu verwirklichen.
• Tatsächlich beschreibt das Patent DE 36 09 617 eine Vorrichtung, worin zwei Luftspalten den mit Wicklungen ausgestatteten magnetischen Schaltkreis unterbrechen und dessen Verzweigung des gemeinsamen Kraftflusses keinen Luftspalt hat. Dieses Gerät gestaltet demnach einen nicht als Transformator dienen könnenden, gekoppelten Schaltkreis und dessen Ausrichtung schlägt in keinem Fall das Ziel der Erfindung vor.
• Das Patent DE 11 22 627 beschreibt andererseits einen magnetischen Verstärker dessen primären und sekundären Wicklungen auf derselben Verzweigung des magnetischen Schaltkreises angebracht sind und der an einer anderen Verzweigung einen Luftspalt aufweist, der angepasst ist, um eine Kopplung auf einer dritten Verzweigung hervorzurufen. Bei dieser Auslegung werden die primären und sekundären Wicklungen von demselben magnetischen Fluss durchströmt und der Luftspalt kann darum keine kontrollierte Drosselspule gestalten, die, so wie bei der Erfindung, durch den Unterschied des Kraftflusses zwischen primär und sekundär hervorgerufen wird.
• Eine der Anwendungen der Erfindung zielt also auf die Ausbildung von durch einen mit einer Drosselspule in Serie geschalteten Transformator gestaltete Energiewandler und diese Erfindung erstreckt sich auf Resonanzenergiewandler, die einen wie folgt beschriebenen Transformator einschließen und mindestens eine in Serie und/oder parallel mit dem Transformator geschaltete Kapazität umfassen, wobei der Luftspalt des Transformators so eingestellt ist, dass die so erhaltene Drosselspule eine Resonanzdrosselspule ist, die geeignet ist, um bei der Energiekonversion eine hohe Frequenz zwischen dem primären und dem sekundären Schaltkreis, nämlich eine höhere Frequenz als 10 kHz, zu erlauben.
• Ein solcher Resonanzenergiewandler bietet den Vorteil, sich aus einer im Vergleich mit den aktuellen Resonanzenergiewandlern eingeschränkten Anzahl von Bauteilen zusammenzusetzen und er weist niedrigere Selbstkosten und im Vergleich mit ihnen eine vereinfachte Auslegung auf.
• Weitere charakteristische Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der detaillierten Beschreibung hervor, die in Verbindung mit den angehängten Zeichnungen folgt, die anhand von nicht einschränkenden Beispielen zwei Ausbildungsvarianten aufzeigen. Bei den Zeichnungen, die einen integralen Bestandteil der vorgelegten Beschreibung bilden, zeigen:
• - Fig. 1, ein äquivalentes Schema eines Energiewandlers gemäß der Erfindung,
• - Fig. 2, eine schematische Frontalansicht einer ersten Ausbildungsvariante eines Transformators gemäß der Erfindung,
• - Fig. 3, eine schematische Frontalansicht eine zweite Ausbildungsvariante dieses Transformators, und
• - Fig. 4, eine schematische Perspektivansicht eines Transformators gemäß demjenigen der Fig. 3.
• Die in den Fig. 2 bis 4 schematisch dargestellten Transformatoren stellen die Besonderheit der Integration der Funktionen der Drosselspule und des Transformators dar, die bis heute zwei unterschiedliche Komponenten erfordern. Solche Transformatoren sind insbesondere zur Ausbildung von Resonanzenergiewandlern bestimmt, wie in Fig. 1 schematisiert, und umfassen außer den Transformatoren eine Einheit elektronischer Schalter I, die auf mindestens eine Kapazität C montiert ist und eine Gleichrichterstufe mit Ladungen R.
• In diesem Fall sind der Luftspalt und die Kapazität so eingestellt, um eine Resonanzfrequenz, das heißt eine höhere Frequenz als 10 kHz, zu erreichen.
• So wie Fig. 4 es zeigt, weist jeder dieser Transformatoren einen magnetischen Schaltkreis 1 auf, der sich aus identischen Elementen 2, 3 zusammensetzt, die so angepasst sind, dass sie in zueinander inversen Positionen angeordnet sind, wobei die Elemente transversal die allgemeine Form eines "E" aufweisen, dessen eine Verzweigung eine verminderte Länge gegenüber den anderen Verzweigungen aufweist.
• Der so geformte magnetische Schaltkreis 1 umfasst folglich drei parallele Verzweigungen, eine zentrale Verzweigung 4 und zwei laterale Verzweigungen 5, 6, die miteinander durch zwei Stege 7, 8 an jedem ihrer Enden verbunden sind.
• Zusätzlich weist eine der Verzweigungen dieses magnetischen Schaltkreises 1 einen Luftspalt 9 auf, der eine kontrollierte Streudrosselspule formt, deren Charakteristika in der Funktion der Breite und des Schnitts des Luftspaltes eingestellt werden können.
• Weiterhin können die Elemente 2, 3 des magnetischen Schaltkreises 1, wie insbesondere in den Fig. 2 und 3 dargestellt, solcherart angelegt werden, dass der Luftspalt 9 entweder an der zentralen Verzweigung 4 (Fig. 2) oder an einer der lateralen Verzweigungen, zum Beispiel 6, angelegt werden kann (Fig. 3).
• Der Transformator weist auch eine Primärwicklung 10 und eine Sekundärwicklung 11 auf, die jeweils um die Verzweigungen ohne den Luftspalt 9 angebracht sind und folglich in einem geschlossenen magnetischen Schaltkreis mit einer niedrigeren magnetischen Reluktanz im Vergleich mit einem offenen Schaltkreis, der einen Luftspalt aufweist, montiert sind. Gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausbildungsvariante sind diese primäre 10 und sekundäre Wicklungen 11 jeweils um die lateralen Verzweigungen 5, 6 angebracht. Wohingegen gemäß der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausbildungsvariante diese primäre 10 und diese sekundäre Wicklungen 11 jeweils um die zentrale Verzweigung 4 und eine der lateralen Verzweigungen 5 angebracht sind.
• Der Transformator weist schließlich eine um den magnetischen Schaltkreis 1 angebrachte, externe, geschlossene Windung 12 auf, die zur Vermeidung der Abstrahlung des magnetischen Streuverlusts nach außen angebracht ist. Wie in Fig. 4 schematisiert, kann diese externe Strecke aus einem den magnetischen Schaltkreis 1 umschließenden Gehäuse 12 aus einem metallischen Material bestehen.

Claims (6)

1. Transformator, insbesondere für Energiewandler, der eine primäre Wicklung (10) und eine sekundäre Wicklung (11) umfasst, die auf einem magnetischen Schaltkreis (1) ausgebildet sind, der so angepaßt ist, dass er den Fluss der primären Wicklung (10) zur sekundären Wicklung (11) kanalisiert, wobei der magnetische Schaltkreis (1) mindestens drei, laterale bzw. zentrale genannte, miteinander an jeder ihrer Enden durch zwei Stegen (7, 8) verbundene Verzweigungen (4-6) aufweist,

wobei der Transformator dadurch gekennzeichnet ist, dass:

- die primäre (10) und die sekundäre Wicklung (11) jeweils um zwei unterschiedliche Verzweigungen (5, 6; 4, 5) angebracht sind und durch die Stege (7, 8) so verbunden sind, dass sie mit ihnen einen geschlossenen, magnetischen Schaltkreis mit einem relativ zu einem offenen, nämlich mit einem Luftspalt versehenen magnetischen Schaltkreis, schwachem magnetischem Widerstand bilden,

- mindestens eine der anderen Verzweigungen (4; 6) einen zwischen einem vorgegebenen Minimalwert und einem mit der Länge der Verzweigung ungefähr übereinstimmenden Maximalwert einstellbaren Luftspalt (9) von vorbestimmter Breite umfasst, zur Kanalisierung des magnetischen Streuflusses des Transformators entsprechend der Differenz des magnetischen Potentials zwischen den Stegen (7, 8),

- um den magnetischen Schaltkreis (12) eine externe, geschlossene Windung angeordnet ist.

2. Transformator gemäß dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die externe Windung aus einem den magnetischen Schaltkreis (1) umschließenden Gehäuse (12) aus einem metallischen Material besteht.

3. Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er drei Verzweigungen (4-6) umfasst, wobei die Verzweigung des magnetischen Schaltkreises (1), die einen Luftspalt (9) aufweist, die zentrale Verzweigung (4) des magnetischen Schaltkreises bildet.

4. Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er drei Verzweigungen (4-6) umfasst, wobei die Verzweigung des magnetischen Schaltkreises (1), die einen Luftspalt (9) aufweist, eine der lateralen Verzweigungen (6) des magnetischen Schaltkreises ist.

5. Transformator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der magnetische Schaltkreis (1) sich aus identischen Elementen (2, 3) zusammensetzt, die so angepasst sind, dass sie in zueinander inversen Positionen angeordnet sind, wobei die Elemente transversal die allgemeine Form eines "E" aufweisen, dessen eine Verzweigung (4; 6) eine verminderte Länge gegenüber den anderen Verzweigungen (5, 6; 4, 5) aufweist.

6. Resonanzenergieumwandler, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Transformator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 und mindestens eine in Serie und/oder parallel mit dem Transformator geschaltet Kapazität umfasst, wobei der Luftspalt (9) des Transformators so eingestellt ist, dass die resultante Drosselspule eine Resonanzdrosselspule ist, die geeignet ist, um bei der Energiekonversion eine hohe Frequenz zwischen dem primären (10) und dem sekundären Schaltkreis (11), nämlich eine höhere Frequenz als 10 kHz, zu erlauben.