DE3919569A1 - Transformator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transformator nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bekannte, insbesondere in Schaltnetzteilen eingesetzte Transformatoren besitzen eine geschlossene, ringförmige Form mit einem Schenkel, um den die Primärwicklung, und mit einem weiteren Schenkel, um den die Sekundärwicklung herumgewickelt ist. Bei diesen Ausführungen sind die Ab­ messungen unter Beibehaltung eines bestimmten Überset­ zungsverhältnisses durch eine Erhöhung der Betriebsfre­ quenzen nicht mehr sinnvoll reduzierbar, wenn der Grenz­ fall der Sekundärwindungszahl von 1 schon erreicht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Transformator der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem trotz Ver­ ringerung der Abmessungen das Übersetzungsverhältnis gleich gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeich­ nenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß also teilt man den Schenkel des Kerns, um den die Sekundärwicklung herumgewickelt ist, in zwei oder mehr Schenkel auf und bewickelt diese jeweils mit der Sekundärwicklung, beispielsweise jeweils mit der Windungszahl 1. Bei zwei Schenkeln teilt sich der pri­ märseitig erzeugte magnetische Fluß in den sekundärsei­ tigen Schenkeln auf in jeweils den halben Fluß, und da­ durch erhält man bei gleicher Primärwindungszahl eine Erhöhung der Übersetzungszahl um das Doppelte. Alterna­ tiv kann man bei gleichgehaltener Übersetzungszahl die Primärwindungszahl um die Hälfte reduzieren.

In allgemeiner Form bestimmt sich die Übersetzungzahl ü bei n sekundärseitigen Schenkeln, also bei n Teilflüssen zu

Hierin ist Wd.prim=Primärwindungszahl
Wd.sek=Sekundärwindungszahl.

Mit anderen Worten: Das Übersetzungsverhältnis ist ab­ hängig von der Primärwindungszahl der Anzahl der symme­ trischen Flußteilungen und der Sekundärwindungszahl pro Teilfluß. Wichtig ist somit die Flußteilung, die abhän­ gig von den Windungszahlen das Übersetzungsverhältnis beeinflußt. Die im gleichen Sinne gewickelten Sekundär­ wicklungen können parallel oder in Reihe geschaltet sein, wobei sich folgende Sekundärströme ergeben: Bei einer Parallelschaltung der n sekundärseitigen Wicklun­ gen ergibt sich bei einem Primärstrom I _prim der gesamte Sekundärstrom I _{sek ges} :

I _{sek ges} = n · I _prim

Der Primärstrom entspricht dabei dem einzelnen Sekundär­ strom. Bei mehreren Teilungen erhält man demgemäß eine Stromerhöhung entsprechend der Anzahl der Teilungen und damit der Teilflüsse.

Bei einer Reihenschaltung ebenso wie bei einer Einzel­ schaltung, wenn jede Sekundärwicklung, mit einem eigenen Verbraucher verbunden ist, beträgt der Sekundärstrom I _sec=I _prim.

Eine Reihenschaltung ist besonders günstig für die Ver­ sorgung von Halbleiterbauelementen als Verbraucher an­ wendbar, wobei die Verbraucher möglichst identisch sein sollen, um eine ausreichende Symmetrie zu erzielen.

In zweckmäßiger Weise ist die Geometrie aller sekundär­ seitigen Schenkel gleich zu halten. Eine unterschiedli­ che Geometrie für die Schenkel ist zwar möglich, aber nicht zweckmäßig.

Aus der US-PS 46 65 357 ist bekannt, mehrere Magnetele­ mente in Form einer Matrix zusammenzuschalten. Eine Flußaufteilung des Prmärflusses in mehrere Sekundärflüs­ se ist nicht beschrieben.

Die PCT-Anmeldung WO 85/04 982 zeigt einen Primärschenkel mit Primärwicklung und zwei Sekundärschenkel mit jeweils einer Sekundärwicklung. Diese Anordnung ist wegen des besonderen Wickelsinns der beiden Sekundärwicklungen nicht zur Beeinflussung des Übersetzungsverhältnisses geeignet.

Spezielle und besondere Ausführungsformen, mit denen die Erfindung vorteilhaft realisiert werden kann, sind den weiteren Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Vorteile, die mit der Erfindung erzielt werden, be­ stehen in folgendem:

Aufgrund des erfindungsmäßen Prinzips können die Win­ dungzahlen in der Primärwicklung unter Beibehaltung der Übersetzungsverhältnisse praktisch bis zum Grenzfall Primärwindungszahl 1 reduziert werden; umgekehrt kann bei gleichbleibenden Abmessungen das Übersetzungsver­ hältnis erhöht werden. Durch planare Bauweise sind die Wärmeabführungsmöglichkeiten sehr günstig. Darüber hinaus sind Volumenreduzierungen des Transformators spürbar und sehr deutlich und trotz dieser Volumenreduzierung sind die Hochfrequenzeigenschaften sehr günstig, was insbeson­ dere dadurch noch unterstützt wird, wenn die Sekundär­ wicklungen durch Folien gebildet werden.

Anhand der Zeichnung, in der einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, sollen die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesse­ rungen und weitere Vorteile näher erläutert und be­ schrieben werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Magnetkern gemäß Stand der Technik,

Fig. 2 einen Magnetkern gemäß der Erfindung mit Parallelschaltung der Sekundärwicklungen,

Fig. 3 einen Magnetkern gemäß der Erfindung mit Reihenschaltung der Sekundärwicklungen,

Fig. 4 den Magnetkern gemäß Fig. 2, in perspek­ tivischer Darstellung,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Teils des Magnetkerns nach Fig. 4,

Fig. 6 eine Schnittansicht gemäß Schnittlinie VI-VI der Fig. 5,

Fig. 7 eine Aufsicht auf den Magnetkern gemäß Fig. 4 und

Fig. 8 u. 9 eine Seiten- bzw. Aufsicht auf eine wei­ tere Ausgestaltung der Erfindung.

Ein Transformator besitzt gemäß Fig. 1 einen ringförmig geschlossenen Kern 10 mit zwei Schenkeln 11 und 12; um den Schenkel 11 ist eine Primärwicklung 13 und um den Schenkel 12 eine Sekundärwicklung 14 herumgewickelt. Wenn der Primärwicklung 13 Spannung zugeführt wird mit bestimmter Frequenz, dann entsteht innerhalb des Kerns ein magnetischer Fluß, der in der Sekundärwicklung 14 eine Sekundärspannung erzeugt. Es sei angenommen, daß die Wicklung 13 eine Windungszahl 20 hat; wenn die Se­ kundärwicklung 14 nur eine Windung aufweist, dann erhält man ein Übersetzungsverhältnis ü =20. Die Größe eines Transformators wird u.a. auch von der Größe der Primär­ wicklung bestimmt, d.h. von der Anzahl der Windungen der Primärwicklung. Bei Beibehaltung der Übersetzungszahl kann im Falle der Sekundärwicklungszahl 1 die Anzahl der Windungen der Primärwicklung nicht mehr weiter reduziert werden und aus diesem Grunde ist eine Verkleinerung des Transformators nicht mehr möglich, auch dann, wenn die Frequenzen erhöht werden.

Erfindungsgemäß kann eine Verkleinerung des Transformä­ tors dann erreicht werden, wenn, wie in Fig. 2 darge­ stellt, der - sekundärseitige - Schenkel 12 der Sekun­ därwicklung durch zwei oder mehr sekundärseitige Schen­ kel ersetzt wird. Ein Transformator 20 besitzt einen Kern und einen Schenkel 21, um den eine Primärwicklung 22 herumgewickelt ist. Sekundärseitig besitzt der Kern zwei Schenkel 23 und 24, und durch die strichlierte Dar­ stellung rechts der Zeichnung gemäß Fig. 2 soll ange­ deutet werden, daß es auch noch weitere Schenkel 23 bzw. 24 geben kann. Um den Schenkel 23 ist eine erste Sekun­ därwicklung 25 und um den Schenkel 24 eine zweite Sekun­ därwicklung 26 herumgewickelt, die beide parallel ge­ schaltet sind. Der magnetische Fluß teilt sich dann auf in einen Teilfluß 1 und einen Teilfluß 2 bzw. wenn n-Schenkel vorhanden sind, in einen Teilfluß n. Daraus ergibt sich als Übersetzungszahl

In dem Falle, wenn zwei Schenkel 23 und 24 vorgesehen ist, um die jeweils eine Wicklung 25 und 26 mit je einer einzigen Windung herumgewickelt ist, erhält man dann, wenn die Primärwicklung 22 eine Windungszahl von 20 hat, ein Übersetzungverhältnis von 20×2 : 1=40; umgekehrt kann man die Windungszahl der Primärwicklung verringern, wenn das Übersetzungsverhältnis 20 bleiben soll; man be­ nötigt dann in der Primärwicklung nur noch 10 Windungen. Auf diese Weise kann der Transformator bezüglich seiner Abmessungen erheblich reduziert werden.

Es sei Bezug genommen auf Fig. 3. Gleiche Bezugsziffern bedeuten gleiche Teile. Der Transformator 20 besitzt wiederum den Kern mit dem ersten Schenkel 21, um den die Primärwicklung 22 herumgewickelt ist. Um die Schenkel 23, 24 . . . ist je eine Sekundärwicklung 25, 26 . . . gewic­ kelt. Die Enden 25 ₂, 26 ₂ . . . sind direkt mit den Enden 26 ₂, 27 ₁ verbunden, wogegen das Ende 25 ₁ über eine Ver­ braucherleitung 28 mit n Verbrauchern 29 ₁, 29 ₂, 29 ₃ mit dem Ende n ₂ der Wicklung n verknüpft ist.

Der Primärstrom I _prim=I _sec, wogegen bei der Parallel­ schaltung der Primärstrom I _prim=n I _sec ist, der in der einzelnen Wicklung I _prim=I _sec.

Die Fig. 4 bis 7 zeigen nun eine erste Ausführungsform, wie die Ausgestaltung nach Fig. 2 realisiert werden kann.

Der Transformator gemäß Fig. 4 besitzt zwei U-förmige Schenkel 30 und 31, die jeweils mittels einer quaderför­ migen Quertraverse 32 und 33 überbrückt sind; die beiden Quertraversen 32 und 33 liegen auf den Schenkelenden der Schenkel der U-förmigen Kernteile 30 und 31 auf. Die Fig. 5 zeigt eine Quertraverse mit Bewickelung. Um das Kernteil 32 ist eine Isolierfolie 34 und darum herum ei­ ne Kupferfolie 35 als leitendes Material zur Bildung der Sekundärwicklung gewickelt; diese Kupferfolie überlappt sich auf der oberen Seite des Quaders 32 unter Zwischen­ fügung der Isolierfolie 34, und unterhalb dieses oberen Bereiches der Isolierfolie 34 verlängert sich die Folie 35 in Richtung der Längserstreckung der Traverse 32 zur Bildung von Anschlüssen 36 und 37. Die Fig. 6 zeigt die Ausführung nach Fig. 5 im Schnitt. Man erkennt die Quertraverse 32 aus elektrisch leitendem Material, um die herum die Isolierfolie 34 herumgewickelt ist, an die Isolierfolie 34 schließt die Kupferfolie 35 an, und ge­ mäß Fig. 5 bilden die Isolierfolie und die Kupferfolie quasi eine Art Einheit, dergestalt, daß auf der oberen Fläche der Quertraverse 32 ein Teilbereich 35 ₁ der Kupferfolie zur Quertraverse 32 hin mit einem Teil 34 ₁ der Isolierfolie und auf der entgegengesetzen Fläche mit einem Teil 34 ₂ der Isolierfolie abgedeckt ist; auf der freien Fläche des Teilbereiches 34 ₂ befindet sich dann ein Teilbereich 35 ₂ der Kupferfolie. Die Anschlußlasche 36 schließt dann am Teilbereich 45 ₁ und die Anschlußla­ sche 37 am Teilbereich 35 ₂ an. Mit anderen Worten: Die aus Isolierfolie und Kupferfolie bestehende Einheit wird sich überlappend um die Quertraverse 32 herumgeschlungen und die Quertraverse 32 wird jeweils überragt von den Anschlußlaschen 36 und 37, die an der Kupferfolie ange­ formt sind.

Um die in Fig. 5 dargestellten mit der Sekundärwicklung bewickelten Quertraversen 32 und 33 und ggf. um eine weitere in gleicher Weise ausgebildete Quertraverse 38 (siehe Fig. 7), um die der Kern der Fig. 4 ergänzt ist, wird eine weitere Isolierfolie 39 herumgewickelt und um diese Isolierfolie 39 ist die Primärwicklung 40, die der Primärwicklung 22 entspricht, gewickelt. Auf­ grund des Umwickelns der drei Quertraversen 32, 33 und 38 mit der Isolierfolie 39 erhält man bei geeigneter Zu­ ordnung und Bemessung der Primärwicklung 40 zu der Iso­ lierfolie 39 einen Abstand d, der zwischen der Primär­ wicklung 40 und den Anschlußlaschen 36 und 37 eingehal­ ten ist und der entsprechend den vorgeschriebenen maxi­ mal zulässigen Kriech- bzw. Luftstrecken bemessen sein muß.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist aus Fig. 8 zu ersehen. Ein E-förmiger Kern 50 mit zwei Außenschen­ keln 51 und 52 und einem Mittelschenkel 53 kann n-mal nebeneinander angeordnet sein; bei der Ausführung nach Fig. 9 sind diese n-Kerne als Kerne 50 ₁, 50 ₂ und 50 bezeichnet. Jeweils um die Schenkel 52 ₁ . . . 52 _n bzw. 51 ₁ . . . 51 _n sind die Sekundärwicklungen 54 bzw. 55, und zwar 54 ₁ . . . 54 _n bzw. 55 ₁ . . . 55 _n herumgewickelt. Jeweils in gleicher Richtung gerichtete Enden der Sekundärwicklun­ gen sind auf eine Ringleitung mit zwei Ringen 56 und 57 angeschlossen. Die mittleren Schenkel 53 ₁ . . . 53 _n sind in ihrer Gesamtheit von der einen Primärwicklung 58 umfaßt; der Kernteil 50 wird dann durch Auflage einer Quertra­ verse strichliniert in Fig. 8 angedeuteten 50 a - ähn­ lich der Quertraverse gemäß Fig. 3, allerdings ohne Be­ wicklung mit Isolier- und Kupferfolie - zu einem Gesamt­ kern ergänzt. Mit der Ausführung nach Fig. 8 wird ein Übersetzungsverhältnis von

mit Primärwindungszahl = 1, Flußteilung 2 × n
Sekundärwindungszahl pro Teilfluß = 1
folgt:

ü = 2n.

Claims (7)

1. Transformator mit einer um einen ersten Schenkel seines Kerns herumgewickelten Primärwicklung und mit we­ nigstens einer Sekundärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (20; 30, 31, 32, 33; 50) wenigstens zwei zweite Kernschenkel (23, 24; 32, 33; 51, 52) aufweist, die magnetisch parallel zueinander liegen, so daß sich der (primäre) Magnetfluß in wenigstens zwei zweite Ma­ gnetflüsse aufteilt, und daß um die zweiten Kernschenkel jeweils eine sekundäre Wicklung herumgewickelt ist.

2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die sekundären Wicklungen jeweils parallel zueinander geschaltet sind.

3. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die sekundären Wicklungen in Reihe zuein­ ander geschaltet sind.

4. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an jeder Sekundärwicklung je ein Verbrau­ cher angeschlossen ist.

5. Transformator nach einem der vorherigen Ansprü­ che 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus minde­ stens einem eine E-Form aufweisenden ersten Kernteil (50 ₁; . . . 50 _n) und um einen jeder E-Form zugeordneten, diesen ersten Kernteil zu einem geschlossenen Kern er­ gänzenden zweiten Kernteil (50 a) gebildet ist, daß die Primärwicklung einen und die Sekundärwicklungen die an­ deren jedes E-Kernteiles umgeben.

6. Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zweite Kernteil eine Quertraverse (50 a) mit einem quaderförmigen Querschnitt oder eine T-Form aufweist, wobei die quaderförmige Traverse die drei Schenlel überdeklt bzw. der Quersteg der T-Form die außenliegenden Schenkel des E-förmigen Kernteiles.

7. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern aus wenigstens ei­ nem U-förmigen Kernteil und je einer die Schenkelenden jedes U-förmigen Kernteiles überdeckenden Quertraverse besteht, daß jede Quertraverse mit einer als Sekundär­ wicklung dienenden Folie isoliert umwickelt ist, und daß wenigstens zwei Quertraversen gemeinsam mit der Primär­ wicklung umwickelt sind.