[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator gemäß dem einleitenden Teil des
Patentanspruchs 1.
[0002] Es sind Transformatoren mit Scheibenwicklungen in Kammerform, sogenannte Scheibenkammertransformatoren,
in dem Bereich der Switchmode-Leistungstrafos bekannt, die sich auf die genormten
Kernformen - insbesondere für ferritische E-Kerne - stützen. Zu berücksichtigen bei
der Auslegung derartiger Transformatoren sind in der BRD die Vorschriften für die
Netztrennung nach VDE 0806 bzw. 0860, die entweder eine Luftstrecke von 6 mm vorschreiben
oder eine Trennung durch entsprechende Isoliermaterialien. Außerdem ist bei den vorgegebenen
genormten Kernabmessungen mit Sicherheit die optimale Auslegung nicht erreichbar.
[0003] Im Zuge der Weiterentwicklung des Standes der Technik, gestützt auf die anfallenden
Stückzahlen, ist eine optimale Auslegung ohne Rücksicht auf Normen jedoch vorteilhaft,
d.h. auch außerhalb der Normen liegende Kernformen haben in Bezug auf die Wirtschaftlichkeit
durchaus eine Berechtigung zu erfinderischer Tätigkeit.
[0004] Die bekannten Scheibenkammer-Transformatoren im Frequenzbereich von größer gleich
16 kHz weisen neben unbestrittenen Vorteilen eine Reihe von Nachteilen auf, die in
einer Tabelle nachfolgend aufgeführt werden. Darüber hinaus gibt es auch den sogenannten
Steckkammer-Transformator, der verschiedene Nachteile des Scheibenkammer-Transformators
nicht aufweist, dafür aber mit anderen Nachteilen behaftet ist. Auch hier wird auf
die nachfolgende Tabelle verwiesen.
[0005] Wichtige Gesichtspunkte bei der Auslegung von Transformatoren, die bei Frequenzen
von größer gleich 16 kHz betrieben werden sollen, sind die Kopplung, Wicklungskapazität,
Wirbelstromverluste, Kupferverluste, Verluste im Kernmaterial (hier vorzugsweise
Ferrit), Fertigungsschwierigkeiten, Automatisierungsmöglichkeit, Netztrennung nach
VDE 0806 bzw. 0860 und maximal übertragbare Leistung, bezogen auf das Gesamtvolumen
des Transformators.
[0006] Die Erfinder haben erkannt, daß die auf optimale Auslegung einer Lagenwicklung dimensionierten
Wickelfenster der genormten E/ETD etc.-Kerne den modernen Erfordernissen wie Automatenfertigung
sowie optimale Leistungsübertragung und gleichzeitige Netztrennung nach VDE 0808 bzw.
0860 nicht mehr entsprechen.
[0007] Dies gilt insbesondere auch für die bekannte Scheibenkammerkonstruktion derartiger
Transformatoren.
[0008] Der Nachteil derartiger Transformatoren besteht darin, daß für die Wickeldrahtführung
mit Netztrennung jeweils mindestens 6 mm Abstand erforderlich sind, was eine voluminöse
Konstruktion des Spulenkörpers mit übermäßig hohen Flanschen erfordert. Auch die Wickeltechnik
derartiger Transformatoren ist aufwendig, und wegen Wicklungsungenauigkeiten (Überwickeln
etc.) sind übermäßige Sicherheitsabstände (größer 6 mm ) erforderlich. Eine Coronamessung
ist dementsprechend obligatorisch, um sämtliche Risiken auszuschließen.
[0009] Die oben angegebenen wichtigen Gesichtspunkte realisiert überraschend in optimaler
Weise der im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Transformatoraufbau, der eine Kombination
aus einem Scheibenkammer-Transformator und einem Steckkammer-Transformator darstellt
und einen funktionell optimalen sowie besonders wirtschaftlich fertigbaren Transformator
für Sperrwandler- und Durchflußbetrieb ergibt. Dabei wurde als optimal unter Vernachlässigung
von Randbedingungen ein quadratisches Wickelfenster für E(und ähnliche)- Kernformen
erkannt, und es wurde gefunden, daß der Einfluß von konstruktiven Gegebenheiten noch
eine gewisse Abweichung von dieser optimalen quadratischen Auslegung des Wickelfensters
bedingt. Zu berücksichtigen ist bei jeglicher Auslegung eines Transformators, daß
er vollautomatisch zu fertigen ist.
[0010] Der erfindungsgemäße Transformatoraufbau berücksichtigt nicht nur in optimaler Weise
Netztrennung, Kopplung der Wicklungen untereinander, automatische Fertigungsmöglichkeit,
Universalität für fast alle Anwendungen im Bereich bis 300 W (in Abhängigkeit der
Kerngröße, geringes Streufeld, hoher Wirkungsgrad, im Gegensatz zu den genormten
Kernschnitten), sondern er führt darüber hinaus noch zu weiteren Vorteilen:
[0011] Aus der gemäß der Erfindung vorgesehenen Geometrie der Kernformen, die eine Voraussetzung
für die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Steck-Spulenkörper mit den Kammerwicklungen
ist, ergibt sich zunächst einmal, daß die Grundfläche des Transformators größer und
die Höhe geringer wird als bei den Scheibenkammer-Transformatoren und den Steckkammer-Transformatoren
gemäß dem Stande der Technik. Dies ist insofern von Vorteil, als die Entflechtung
der Schaltung und die Einhaltung von Sicherheitsabständen bei größerer Grundfläche
leichter zu bewerkstelligen ist und sich mehr SMD-Bauteile auf dieser größeren Fläche
unterbringen lassen. Die geringe Bauhöhe erweist sich bei der Steckkartentechnik
jedenfalls als vorteilhaft.
[0012] In der nachstehenden Tabelle werden Vor- und Nachteile der vorgenannten Konstruktionen
miteinander verglichen, wobei die Überlegenheit des erfindungsgemäßen Transformators
ersichtlich wird.
|
6-fach Scheibenkammertrafo |
3-fach Steckkammertrafo |
Erfindungsgemäßer Transformator |
Kopplung |
befriedigend |
gut |
gut |
Wickelzeit |
lang |
kurz |
kurz |
Anzahl der Wicklungen |
begrenzt, da viele Stützpunkte benötigt werden |
groß, es werden nur wenige Stützpunkte benötigt |
sehr groß, größere Stiftanzahl möglich, wenig Stützpunkte nötig |
Flexibilität |
groß, Spulenkörper läßt viele Wicklungsarten zu |
klein, Trafo ist nur mit einem speziellen Spulenkörpersatz zu optimieren |
sehr groß, dreifache Kammeranzahl läßt sehr viele Variationsmöglichkeiten zu |
Netztrennung |
durch Wickeltechnik: Fertigungsüberwachung notwenwendig (Coronamessung) |
durch Konstruktion ohne Kontrolle |
durch Konstruktion ohne Kontrolle |
[0013] Ein Ausführungsbeispiel für die Spulenkörper des erfindungsgemäßen Transformators
veranschaulicht die Fig. 1.
[0014] In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 1 einen Grundspulenkörper mit einem Fuß 2, der
mit den notwendigen Anschlußstiften 3 versehen ist. Dieser Grundspulenkörper 1 wird
von einem ersten Hilfsspulenkörper 6 umgeben, der Labyrinthe 4 aufweist, ebenso wie
ein zweiter Hilfsspulenkörper 7, der den Hilfsspulenkörper 6 umgibt und für die Netztrennung
ebenfalls mit Labyrinthen 4 versehen ist.
[0015] In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau des erfindungsgemäßen Transformators
schematisch unter gleicher Indexierung wie in Fig.1 in Verbindung mit einem E-Kern
9 dargestellt, dessen Mittelschenkel von den ineinandergesteckten Spulenkörpern,
dem Grundspulenkörper 1, dem ersten Hilfsspulenkörper 6 und dem zweiten Hilfsspulenkörper
7, umgeben ist.
[0016] Die Fig. 3 zeigt einen Aufbau eines Transformators bisheriger Technik.
[0017] Anhand der zeichnerischen Darstellung werden die Vorteile des erfindungsgemäßen Transformartors
nachstehend noch einmal zusammengestellt (sh. auch die Tabelle).
1) Die einzelnen Steckeinheiten 1,6,7 sind vollautomatisch zu bewickeln, wobei bei
allen Spulenkörpern das Drahtanlegen ebenfalls vollautomatisch erfolgen kann.
2) Die Auslegung des Transformators ist universell möglich, wobei allen vorkommenden
Kopplungsverhältnissen Rechnung getragen wird.
3) Der Wirkungsgrad ist größer durch optimale Kernkonfiguration, Wickelraumausnutzung
und Verbesserung der Verkopplung.
4) Die übertragbare Leistung kann durch die vorgenannten Maßnahmen bis zu 40% über
denen vergleichbarer Normkerne liegen.
5) Die Netztrennung ist so zuverlässig, daß sie keiner Nachprüfung bedarf (Prüfaufwand
= Null).
6) Das Streufeld (wichtig bei TV- und Monitoranwendung) wird reduziert.
7) Etwa drei bis vier Trafogrößen im Frequenzbereich größer gleich 16 kHz und in einem
Leistungsbereich bis zu 300 Watt sind bei gleicher Grundkonzeption möglich.
8) Anwendung bei Sperr-, Fluß- und Sinuswandler ist möglich.
9) Weitgehende Freiheit in der Anpassung an gegebene Forderungen ohne konstruktive
Änderungen in allen Betriebsarten wie freischwingender, festfrequentierter Betrieb,
sowie Dreiecks- oder Trapezbetrieb.
10) Vorteile in Bezug auf die Automatisierung der Wickeltechnik.
11) Die sich durch die Vergrößerung der Grundfläche eines erfindungsgemäßen Transformators
anscheinend ergebenden Nachteile werden dadurch mehr als kompensiert, daß nun mehr
SMD-Bauteile besser auf der Unterseite montiert werden können und die Entflechtung
der Schaltung vereinfacht wird; eine Erhöhung der Zahl der benötigten, auch netzgetrennten
Anschlüsse ist leicht zu bewerkstelligen.
12) Die Bauhöhe des optimierten Trafos wird geringer, so daß mechanische Festigkeitsprobleme
weniger gravierend in Erscheinung treten (Hebel-Kipp-Bewegung bei Fallbeanspruchung).
13) Eine eventuell notwendige Abschirmung kann auf das gleiche Potential geschaltet
werden, wie der Kern 9, d.h. entweder auf die Netz- oder die netzgetrennte Seite,
so daß Isolationsprobleme nicht entstehen.
14) Für den Fall der Wirbelstrombeeinflußung der Wicklung im Grundkörper 1 durch Wirbelströme,
verursacht durch den Luftspalt, können die Kammern 8 in diesem Bereich einen größeren
Abstand vom Kern 9 aufweisen.
15) Man kann jeden Spulenkörper ohne Mehrkosten mit dem elektrisch optimierten Draht
wickeln, z.B. wegen möglicher Wirbelstromverluste Litzendraht nur auf dem Grundspulenkörper
1.
1. Transformator für Schaltnetzteilanwendungen mit Schaltfrequenz größer gleich 16
kHz, mit einem magnetisch leitenden Kern, vorzugsweise aus Ferrit, und einem den Kern
umgebenden Wicklungsträger, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) ein nahezu quadratisches Wickelfenster (9a) aufweist und der Wicklungsträger
aus zwei oder mehreren ineinandersteckbaren Spulenkörpern (1;6;7) besteht, von denen
jeder in Wickelkammern (8) aufgeteilt ist.
2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wickelkammern (8) der ineinandergesteckten Spulenkörper (1;6;7) jeweils
miteinander korrespondieren, d.h., daß die Kammern (8) jeweils in gleicher Höhe liegen,
wie die der anderen ineinandergesteckten Spulenkörper, um die erforderlichen engen
magnetischen Kopplungen sicherzustellen.
3. Transformator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Kammern (8) bei allen Spulenkörpern (1;6;7) gleich ist.
4. Transformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelschenkel des Kerns (9) einen runden oder annäherend runden Querschnitt
aufweist.
5. Transformator nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekenzeichnet, daß die Netztrennung durch Labyrinthe (4) an den Enden der Spulenkörper (6,7) erfolgt.
6. Transformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (9) mit der Abschirmung entweder der netzverbundenen oder der netzgetrennten
Seite zugeordnet ist.
7. Transformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundspulenkörper (1) im Bereich des Luftspalts im Mittelschenkel des
Kerns (9) zur Vermeidung von Wirbelstromverlusten einen größeren Durchmesser aufweist.
8. Transformator nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundspulenkörper (1) mit Litze bewickelt ist.
9. Abwandlung des Transformators nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche
für den Einsatz bei kleiner Leistung, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundspulenkörper (1) keine Kammern (8) aufweist.