DE69120085T2

DE69120085T2 - Leistungstransformatoren und gekoppelte drosselspulen mit optimaler verschachtelung der windungen

Info

Publication number: DE69120085T2
Application number: DE69120085T
Authority: DE
Inventors: Peter David Evans; William John Baxter Heffernan
Original assignee: Electrotech Instruments Ltd
Current assignee: Electrotech Instruments Ltd
Priority date: 1990-09-07
Filing date: 1991-09-04
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2011-09-05
Also published as: DE69120085D1; US5543773A; WO1992004723A1; EP0547120A1; EP0547120B1; GB9019571D0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Auslegung, den Entwurf, die Ausführung und den Einsatz von elektrischen Leistungstransformatoren und gekoppelten Drosselspulen, in erster Linie für die Anwendung bei Stromversorgungen nach dem Einschalttyp, und insbesondere auf die Auslegung und auf Verfahren zur Herstellung von solchen Komponenten, wodurch die Verlustmechanismen bei Hochfrequenzwirbelstrom auf ein Mindestmaß zurückgeführt werden. Diese Geräte können verwendet werden, um die Probleme eines niedrigen Wirkungsgrades und einer übermäßigen Verlustleistung bei Hochfrequenz- Schaltanwendungen zu überwinden.
Konventionelle Wicklungen von Leistungstransformatoren, wie sie bei Stromversorgungen nach dem Einschalttyp verwendete werden, sind normalerweise von der Zylinderart oder von der Scheibenwicklungs(sandwich)art (Fig. 1). Der von irgendeiner der beiden Wicklungsanordungen produzierte Hauptfluß wird durch den Kern mit einer hohen Permeabilität (normalerweise ein Ferrit in E-Form) transportiert. Nimmt man an, daß das Produkt aus Strom und Windungen in jeder Wicklung gleich ist (d. h. ausgeglichene magnetomotorische Kräfte, nachfolgend als Magneto-EMK bezeichnet, kein Magnetisierungsstrom), dann ist der von dem Wicklungsstrom verursachte Streufluß so wie er dargestellt worden ist (Fig. 1). In den meisten konventionellen Konstruktionen nähert man sich dieser Bedingung, jedoch sind die Anwendungen der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Fälle beschränkt. Bezieht man sich auf das (NI) Diagramm der Magneto-EMK, so ist es offensichtlich, daß die Streuflußdichte:
B&sub1; = (µ&sub0;N&sub1;Ii)/Lc
in der Luftstrecke zwischen den Wicklungen bei einem Maximum liegt. Die Auswirkung dieses Streuflusses besteht darin, in den Wicklungen Wirbelströme zu induzieren, welche in dem Maße größer werden wie die Flußdichte zunimmt. Es wird auf das Diagramm der Fluß-Verkettung (Nφ) verwiesen, wo die Verteilung der Streuinduktivität (Fluß-Verkettung pro Ampere, Nφ)/I) gezeigt wird. Man kann die Streuinduktivität sichtbar machen als der Rotationskörper des Nφ Diagramms um die zentrale Achse.

WIRBELSTROM-WICKLUNGSVERLUST

Die zwei hauptsächlichen Mechanismen, die zu dem Wechselstrom- Wicklungsverlust beitragen, sind wohl bekannt. Der Hauteffekt wird verursacht durch den innerhalb eines Leiters fließenden Strom, der ein magnetisches Feld aufbaut, welches dann seinerseits Wirbelströme in dem Leiter induziert. Die Richtung des Fließens des Wirbelstromes ist so, daß der Hauptstrom in dem Zentrum des Leiters ausgeglichen wird, daß er aber an den Rändern verstärkt wird (Fig. 2). Auf diese Weise neigt der Strom dazu in einer Haut zu fließen, um die Außenseite des Leiters herum, und die Wirkung ist gekennzeichnet durch eine Hauttiefe δ welche durch die Gleichung
δ = [f π µo ]-½
definiert ist, in welcher f = Frequenz, µo = Permeabilität des freien Raumes und = Leitfähigkeit des leitenden Materials.
Der Nachbarschaftseffekt (1) wird von dem Streufluß verursacht, da alle Wicklungen (wie in Fig. 1) Wirbelströme in jeder Wicklung in solch einer Richtung induzieren, daß der Hauptstrom an dem äußeren Rand ausgeglichen wird und er an dem inneren Rand (Fig. 3) verstärkt wird.
Folglich besteht die Wirkung dieser Mechanismen darin, den Strom zu zwingen ungleichmäßig in den Leitern zu fließen, was den tatsächlichen Widerstand vergrößert. Die auf den Hauteffekt zurückzuführende Zunahme des Widerstandes hängt vollständig von den Dimensionen, dem Material und der Betriebsfrequenz des Leiters ab, während der Nachbarschaftseffekt seinerseits auch von der allgemeinen Bauart und der Geometrie des Transformators abhängt. Der Nachbarschaftseffekt ist deshalb weniger leicht zu quantifizieren, aber es ist ein Verfahren von Dowell (1) vorgestellt worden.
Es ist im allgemeinen das Ziel der Planung von Leistungstransformatoren die Dichte des Streuflusses möglichst gering zu halten, um auf diese Weise die Verluste durch den Nachbarschaftseffekt möglichst gering zu halten und daher den Wechselstromwiderstand und die Streuinduktivität auf ein Mindestmaß zurückzuführen, (In Hochfrequenz- Leistungstransformatoren besteht das Ziel hieraus im allgemeinen darin, lieber die Leitfähigkeitsverluste der Wicklungen und die nicht gekoppelte magnetische Energiespeicherung zu reduzieren, als die Spannungsregelung durch Belastung zu reduzieren, wie in dem Falle von Netzfrequenz- Transformatoren). Die Dichte des Streuflusses, B&sub1;, kann eindeutig reduziert werden durch;
i) Vergrößerung von Lc, der Länge der Streustrecke, durch Angeben einer langen, dünnen, zylindrischen Anordnung oder eines niedrigen breiten Sandwichtransformators;
ii) Reduzierung der wirksamen Windungszahl N durch Verschachtelung von primären und sekundären Schichten, was zu einem modifizierten Diagramm der Magneto-EMK führt, so wie dasjenige nach Fig. 4);
iii) irgendeine Kombination aus den obengenannten Fällen.
Außerdem können Wirbelstromverluste dadurch auf ein Mindestmaß zurückgeführt werden, daß man Leiter zum Einsatz bringt, welche weniger dick sind als zweimal die Hauttiefe, oder mehrfache verseilte Leiter, wie zum Beispiel Litzendraht.
Für Transformatoren mit sehr niedrigem Verlust, insbesondere bei Radioausrüstungen, bringt man eine bifilare Wicklungsanordung zum Einsatz, in welcher die primären und die sekundären Wicklungen vor dem Wickeln zusammen verwunden werden. Dies stellt sicher, daß für eine Wicklung mit N Windungen, der Spitzenwert für die Magneto-EMK nie größer ist als ein Ntel von seinem Wert in einer einzelnen Schicht einer konventionellen Anordnung; d. h. jede primäre Windung ist mit einer sekundären Windung ineinandergewickelt. Solche Transformatoren werden normalerweise auf einen ringförmigen Kern gewickelt, um eine geschlossene Hauptflußwegstrecke zu ergeben und um Einheitswindungsverhältnisse zu haben.
Die Patentschrift US-A-4536733 offenbart einen konventionellen ringförmigen Transformator, der umgeändert worden ist, um eine auf eine niedrige Spannung und einen hohen Strom abgestellte sekundäre Wicklung zu umfassen, welche von einer gewissen Anzahl von Kupfersegmenten, die über eine herkömmlich gewickelte Primärwicklung angeordnet sind, dargestellt wird. Zwischenverbindungen zwischen den Segmenten werden durch gedruckte Leiterplatten (PCB = printed circuit board) hergestellt: diese Zwischenverbindungen erzielen verschiedene Windungsverhältnisse. Das Ziel dieser früheren Erfindung bestand darin, die Streuinduktivität zu verkleinern.
Man findet hier jedoch keine Offenbarung der Verschachtelung von Windungen der primären und der sekundären Wicklungen.
Die Patentschrift US-A-4103267 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Transformators unmittelbar auf ein Substrat, zwecks Anwendungen bei der Signalbearbeitung.
Die französische Patentschrift FR-A-2556493 offenbart die Verschachtelung von vollständigen Wicklungen über einen asymmetrischen Kern. Das Ziel dieser Erfindung bestand darin, Wärme aus den Wicklungen herauszuführen, jedoch stellt es sich heraus, daß die Verschachtelung der Windungen ein Zufall ist, ohne irgendeine Angabe eines Zweckes.
Die europäische Patentschrift EP-A-0071008 offenbart einen herkömmlichen Leistungstransformator von der Scheibenwicklungsbauart, dem in dem zweiten Abschnitt auf der ersten Seite der vorliegenden Beschreibung Rechnung getragen worden ist. Wicklungen werden in derselben Schicht und ebenfalls zwischen den Schichten ineinandergewickelt, in einem auf eine Spule gewickelten Transformator mit Mehrfachwicklungen. Diese Art der Wicklung hat eine Verminderung der Streuinduktivität zum Effekt.
Die Erfindung sieht einen Transformator oder eine gekoppelte Drosselspule vor, wie sie in den Ansprüchen 1 beziehungsweise 2 definiert werden; sowie Verfahren zur Herstellung, wie sie in den Ansprüchen 14 bis 17 definiert werden. Diese Mittel sind in der Lage eine optimale magnetische Kopplung, minimale Streufelder und unbedeutende Verluste durch Nachbarschaftseffekt zu geben. Vorzugsweise besteht jede Wicklung aus N physischen Windungen aus leitfähigem Material um einen Kern herum, welcher aus weichem magnetischem Material (z.B. Ferrit oder Eisenpulver) bestehen kann, wobei das elektrische Windungsverhältnis bestimmt wird durch eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung, oder durch eine Kombination aus Reihen- und Parallelschaltung der physischen Windungen einer jeden Wicklung. Während es bei konventionellen, bifilaren Wicklungen erfordert ist, dab das Verhältnis der primären zu den sekundären Windungen gleich eins ist, erlaubt es die Erfindung, daß das Verhältnis der elektrischen Windungen irgendeinen gewünschten Wert annimmt, einschließlich nicht ganzzahliger Werte.
Die Leiter für jede physische Windung sind vorzugsweise optimal dimensioniert, um die Wicklungsverluste auf einen Mindestwert zu reduzieren oder einzuregeln.
Es kann mehr als eine Schicht von ineinandergewickelten Wicklungen angewandt werden, wobei die primäre/sekundäre Verschachtelung vorzugsweise beide in jeder der Schichten vorkommen und ebenfalls von einer Schicht zu der darübergelagerten Schicht.
Jede Rel henschaltung, Parallel schaltung, beziehungsweise Kombination oder Gruppierung Reihenschaltung/Parallelschaltung von solchen Transformatoren oder gekoppelten Drosselspulen, kann gebraucht werden, um die Wärmeübertragung optimal zu gestalten oder um magnetische Streufelder zu kontrollieren.
In dem Transformator oder in der gekoppelten Drosselspule oder in einer Gruppierung solcher Transformatoren oder Drosselspulen, wird ein Abschnitt von jeder oder von irgendeiner physischen Windung, vorzugsweise von einem gedruckten, geätzten, plattierten oder auf eine andere Art und Weise auf einem Substratmaterial erzeugten Leiter gebildet.
Das Substrat kann ein flexibles oder ein vorgeformtes Substrat sein, Substrate mit mehrfachen Schichten sind vorteilhaft für etwas komplexere Wicklungen.
Ein Abschnitt einer jeden oder irgendeiner physischen Windung wird vorzugsweise von einem durch Ultraschall- oder Thermoschall-Schweißen, Löten, Silberlöten oder auf eine andere Art und Weise geschweißten oder befestigten Leiter gebildet, welcher als Schleife über einen Kern gelegt ist.
In einer Form des Verfahrens zur Herstellung eines Transformators oder einer gekoppelten Drosselspule, wird ein Abschnitt von wenigstens einer physischen Windung durch einen auf einem Substratmaterial geformten Leiter gebildet, und jede Wicklung besteht aus physischen Windungen eines leitfähigen Materials (z.B. aus Metalldraht oder -band ) um einen Kern herum, auch schließt sie den Schritt der Ausbildung eines Abschnittes einer jeden physischen Windung als eine Schleife aus dem leitfähigen Material über den Kern und der Verbindung desselben an seinen Enden mit den Leitern, die auf dem Substrat geformt werden (z.B. durch Ultraschallschweißen, Schweißen, Löten oder durch ein anderes geeignetes Verfahren) mit ein.
Die zu Schleifen gewundenen Leiter können in einer Isolierwickelschablone angeordnet werden, welche so ausgelegt ist, daß sie in Übereinstimmung mit nationalen und internationalen Normen bezüglich der Isolierung und der Sicherheitsisolierung steht.
In einem andern Falle ist es möglich, daß dieser Abschnitt einer jeden oder irgendeiner physischen Windung von einem gedruckten, geätzten, plattierten oder auf eine andere Art und Weise auf einem Kernmaterial erzeugten Leiter gebildet wird.
Bei jeder dieser Ausführungsformen kann ein Abschnitt einer jeden oder irgendeiner physischen Windung vorteilhafterweise aus einer gestanzten, gepreßten, plattierten oder auf eine andere Art und Weise hergestellten Vorform bestehen.
Desweiteren zieht man es bei jedem Transformator oder jeder gekoppelten Drosselspule oder einer Gruppierung derselben vor, einen ringförmigen Kern oder ringförmige Kerne zum Einsatz zu bringen.
In jedem Transformator oder jeder gekoppelten Drosselspule dieser Art, endet irgendwelche oder jede der Windungen vorzugsweise in dem Zentrum des Kerns, was eine optimale Stromverteilung in der Wicklung erlaubt und die Verluste reduziert. Dies ist besonders vorteilhaft in dem Falle von Wicklungen bei denen parallele Windungen zum Einsatz gelangen.
Eine oder mehrere Gleichrichterdioden auf der sekundären Seite und/oder irgendwelche andere Komponenten können im Zentrum des Kernes angeordnet sein, und die Wicklungen können zur Verbindung mit denselben angepaßt sein. Dies ist besonders von Bedeutung für einen Abwärtstransformator bzw. eine gekoppelte Drosselspule. Außerdem, wo parallele sekundäre Windungen eingesetzt werden, können mit jeder Windung, oder mit jeder Gruppe von Windungen, mit einer eigenen Stromaufteilung einzelne Gleichrichterdioden verwendet werden.
Jegliche Schaltvorrichtung auf der primären Seite und/oder jegliche andere Komponente kann im Zentrum des Kerns gelegen sein. Dies ist wieder einmal insbesondere von Bedeutung bei einem Aufwärtstransformator bzw. einer gekoppelten Drosselspule.
Das Kernmaterial ist vorteilhafterweise ein durchlässiger Ferrit, fakultativ mit verteilten "Luft"-strecken, wobei mit "Luft" irgendein Material, mit einer Permeabilität die geringer als diejenige des besagten Ferrits ist, gemeint ist.
Der Kern kann jedoch aus einem pulverisierten Eisen oder aus einem anderen pulverisierten durchlässigen Materialaufbau (z.B. Moly-Permalloy) bestehen; oder aus einem amorphen metallischen Material, zu Streifen gewunden oder als Festkörper.
Der Transformator oder die gekoppelte Drosselspule oder die Gruppierung derselben kann mit Luftkern sein oder kann auf eine nicht durchlässige Wickelschablone gewunden sein.
Mit irgendeiner dieser Kernkonstruktionen ist der Querschnitt des Kerns auf ideale Weise angeordnet, so daß die Herstellung der Komponente erleichtert wird, z.B. durch Verwendung einer gewölbten Form oder einer anderen konvexen Form.
Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr als bloße Beispiele beschrieben, wobei man sich desweiteren auf die begleitenden Zeichnungen bezieht, in welchen:
Fig. 1(a) und 1(b) sind Diagramme in einem axialsymmetrischen Querschnitt von konventionellen Wicklungstechnologien für Transformatoren, wobei Fig. 1(a) eine Wicklung von der Scheibenwicklungsart veranschaulicht und Fig. 1(b) eine zylindrische Wicklung zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das den Wechselstrom-Hauteffekt bei einem Standardleiter zeigt;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das den Nachbarschaftseffekt in einem Standardleiter zeigt, wobei der Strom in Richtung auf den unteren Rand des Leiters umverteilt wird;
Fig. 4 illustriert die Reduktion der Magneto-EMK und der Streuinduktivität durch Verschachtelung von Windungen in einem Transformator;
Fig. 5 zeigt die allgemeine Anordnung der primären und der sekundären Windungen in einem einfachen Falle von zwei Wicklungen;
Fig. 6 (a), 6 (b) und 6 (c) und 6 (d) zeigen mögliche verallgemeinerte Strukturen von Transformatoren, welche die vorliegende Erfindung verkörpern, wobei Fig. 6 (d) einen ineinandergewickelten planaren Spiraltransformator zeigt;
Fig. 7 ist ein Diagramm eines Teilstückes eines Transformators, welcher den Begriff des mehrfachen Schichtens illustriert;
Fig. 8(a) bis 8 (g), 9 (a) und 9 (b), 10 und 11 illustrieren Schemen von Wicklungen, welche die Erfindung für nicht ganzzahlige Windungsverhältnisse in einem Transformator verkörpern, während mehrfache sekundäre Windungen in den Fig. 10 und 11 dargestellt sind;
Fig. 12 ist ein Diagramm von drei verschiedenen möglichen Querschnitten von Kernen, welche das Wickeln erleichtern würden;
Fig. 13 (a) und 13 (b) zeigen eine ringförmige (in einer Draufsicht) und eine stabförmige (in perspektivischer Ansicht) Kernkonfiguration für eine zum Wickeln dienende Wicklungsschablone;
Fig. 14 (a) illustriert in einer Draufsicht ein Substrat eines Leitermusters für einen die Erfindung verkörpernden Transformator;
Fig. 14 (b) ist das Ersatzschaltbild des Transformators für das Muster gemäß der Fig. 14 (a);
Fig. 15 (a) zeigt mehrfache Litzen parallel nebeneinander auf einer Wicklungsschablone;
Fig. 15 (b) zeigt aus mehrfachen Folien/Bändern bestehende Leiter auf der gleichen Wicklungsschablone wie in Fig. 15 (a), zum Vergleich;
Fig. 16 (a) ist eine Draufsicht auf einen vollständigen Transformator mit Kern und Windungen;
Fig. 16 (b) ist ein Diagramm eines Ersatzschaltbildes des Transformators gemäß der Fig. 16 (a);
Fig. 17 (a) ist eine graphische Darstellung des Wechselstromwiderstandes (in Ohm) in Abhängigkeit von dem log, der Frequenz (auf der Basis 10) in Hz, in einem Kurzschlußtest mit einem im Handel erhältlichen planaren Spiraltransformator, der als 'MTX125 Power Transformer' bekannt ist;
Fig. 17 (b) ist eine graphische Darstellung, die der Fig. 17 (a) entspricht, die aber die Streuinduktivität in H darstellt;
Fig. 17 (c) und 17 (d) sind graphische Darstellungen, die den Fig. 17(a) und 17(b) entsprechen, jedoch für einen Kurzschlußtest mit dem die Erfindung verkörpernden ineinandergewickelten ringförmigen Transformator;
Fig. 18 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild für den Transformator der Fig. 16 (a), mit einer kurzgeschlossenen sekundären Wicklung,
Fig. 19 (a), und 19 (b) sind Diagramme, welche die mittlere Windungslänge eines konventionellen planaren Spiraltransformators beziehungsweise eines die Erfindung verkörpernden Transformators zeigen;
Fig. 20 (a), und 20 (b) illustriert die Dimensionen von beziehungsweise dem konventionellen planaren Spiraltransformator und dem die Erfindung verkörpernden Transformator;
Fig. 21 ist ein Diagramm eines Testkreises für den Vergleich von Leistungstransformatoren.
In Durchführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Primärwicklung oder -wicklungen und die Sekundärwicklung oder -wicklungen des Transformators ineinandergewickelt sein, wie bei einer bifilaren oder multifilaren Anordnung, z.B. eine primäre Windung grenzt an zwei sekundäre Windungen und umgekehrt (siehe Fig. 5). Durch Verbinden der Windungen in jeder Wicklung in einer passenden Reihen-/Parallelanordnung, ist jede vernünftige Kombination des Windungsverhältnisses und des Spitzenwertes der Magneto-EMK möglich. Auf diese Weise ist es klar, daß ein Nachbarschaftseffekt praktisch ausgeschlossen wird, da die Magneto-EMKs, die den Streufluß bewirken, belanglos werden, da die Anzahl der Windungen zunimmt. Desweiteren, wenn man in passender Weise dimensionierte Leiter für jede Windung wählt, können die Verluste durch den Hauteffekt ebenfalls kontrolliert werden; die gesamte Anzahl der Windungen kann eingestellt werden, um jeden erforderlichen Gleichstromwiderstand zu geben.
Zu beachten ist, daß der Ausdruck 'Anzahl der Windungen', wie er hier gebraucht wird, die physische Zahl der Windungen für jede Wicklung (welche die gleiche für alle Wicklungen sein kann) angibt und nicht die elektrische Nummer welche durch die Reihen-/Parallelverbindungen bestimmt wird.
Die optimale Form für den Kern des Transformators (der wahrscheinlich aus einem weichen magnetischen durchlässigen Material sein kann, möglicherweise Ferrit) ist ein Toroid. In solch einer Struktur ist die physische Beziehung von irgendeiner der Windungen zu all den anderen Windungen idealerweise identisch, d.h. die Summe der gegenseitigen Verbindungen des Streuflusses zwischen irgendeiner vorgebenen Windung und allen anderen Windungen ist identisch. In diesem Fall, vorausgesetzt die vervollständigten Transformatorwicklungen sind in einer symmetrischen Art verbunden, wird der Strom in perfekter Weise dann zwischen jeder Windung einer jeden parallel verbundenen Wicklung geteilt; auf diese Weise wird der Wicklungswiderstand auf einen Minimalwert zurückgeführt. Es gibt ebenfalls nicht optimale Fälle, bei welchen die primären oder die sekundären Windungen nicht symmetrisch angeordnet sind. In diesen Fällen kann trotzdem eine gute Teilung des Stromes erreicht werden.
Trotzdem kann die Technik ebenfalls in irgendeiner anderen Kernform, einschließlich der konventionelle oder planare spiralförmige Wicklungen benutzenden E-Kerne (siehe Fig. 6), von Vorteil sein. Der ineinandergewickelte planare spiralförmige Transformator nach Fig. 6 (d) ist besonders interessant; die Breite des Leiters kann geändert werden, um eine genaue Stromaufteilung in den sekundären Windungen zu geben, trotz Schwankungen der Windungslänge.
Das bis jetzt beschriebene Gerät ist ein Transformator, der aus nur einer Schicht von einer Wicklung besteht. Jedoch kann diese die Magneto-EMK ausgleichende Technik auf irgendeine Anzahl von Schichten angewandt werden (siehe Fig. 7); hier werden primäre und sekundäre Windungen beide in jeder Schicht zwischeneinandergelegt und ebenfalls in alternierenden Schichten, was zu einem minimalem Streufluß in jeder Achse führt. Außerdem kann dieses Verfahren auf gekoppelte Drosselspulen (auch als Zeilenkipptransformator bekannt) angewandt werden. In solch einem Fall leiten die primären und die sekundären Wicklungen abwechselnd, so daß ein Ausgleichen der Magneto-EMK nicht stattfindet, - dennoch wird die Kopplung zwischen den Wicklungen beträchtlich vergrößert und führt zu einer sehr niedrigen Streuinduktivität; weiterhin ist der eine jede Wicklung schneidende Streufluß identisch und ergibt gleiche primäre und sekundäre Leitungsverluste, die zu einem minimalen totalem Verlust führen. Im Fall der Drosselspule kann der Kern vorzugsweise aus einem magnetischen Material mit niedriger Permeabilität hergestellt werden, z.B. aus Eisenpulver, oder aus Ferrit mit hoher Permeabilität und mit verteilten Luftstrecken für die Speicherung von Energie. Genau wie bei dem Transformator, ist die optimale Form ein Toroid, obwohl irgendeine der Formen nach Fig. 6 möglich ist (z.B. die C-Form), in welchen das Zentrum des Kerns aus einem Material mit niedriger Permeabilität besteht, mit einem hoch durchlässigen magnetischen Shunt um die Außenseite herum.
Für höhere Leistungsdurchsatzebenen und höhere Frequenzen, wird die physische Größe von typischen Transformatoren und Drosselspulen derart, daß die Haupt-(Kern-)-Flußdichte deutlich unterhalb dem Sättigungsniveau des Materials gehalten werden muß, um die Temperaturzunahme im Kern während des Betriebes in annehmbaren Grenzen zu halten. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die gesamten Kernverluste, für eine gegebene Flußdichte, proportional zu dem Kernvolumen sind, während die Wärmeübertragung aus dem Kern direkt mit der Oberflächenausdehnung des Kerns zusammenhängt. Deshalb kann durch die Benutzung einer Reihen-/Parallelanordnung einer Anzahl von Transformatoren oder Drosselspulen die Oberflächenausdehnung für ein gegebenes Volumen vergrößert werden und das Material kann wirkungsvoller eingesetzt werden.

KEINE GANZEN ZAHLEN DARSTELLENDE WINDUNGSVERHÄLTNISSE UND MEHRFACHE SEKUNDÄRE WICKLUNGEN

Unter dem vorgeschlagenen System können die meisten Windungsverhältnisse erzielt werden, sowohl zum Herauf- als auch zum Herabtransformieren, durch Verwenden von Reihen-Parallel Kombinationen von Windungen. Beispiele für diese werden in Fig. 8 gegeben, in welcher, für Demonstrationszwecke, die primäre Wicklung zwölf in Reihe verbundene Windungen (Np = 12) aufweist.
Die 12:1 Anordnung ist eine einfache Angelegenheit des Verbindens der sekundären Windungen (Np derselben) in Parallele, wie es in Fig. 8 (b) gezeigt wird. Das 12:2 Verhältnis ist eine Angelegenheit der Parallelschaltung von sechs Windungen, zweimal, und des Verbindens der parallelen Sätze in Reihe. Es gibt zahlreiche Alternativen zur Auswahl der Windungen die parallel verbunden werden sollen, und es werden zwei Beispiele in Fig. 8 (c) gezeigt. Die physische Annehmlichkeit bei der Anordnung des Substrates ist aller Wahrscheinlichkeit nach von einem größeren Einfluß bei der Auswahl des am besten geeigneten Verbindungsmusters. Ähnliche Reihen- Parallel Systeme stehen für andere ganze Zahlen aufweisende Windungsverhältnisse zur Verfügung, nämlich für 12:3, 12:4 und 12:6 für den vorliegenden Fall, wie dies in Fig. 8 (d) gezeigt wird.
Für das keine ganze Zahl darstellende Windungsverhältnis 12:5, wird die Windung komplexer. Ein Verfahren besteht darin, fünf in Reihe verbundene Windungen in jedem Wicklungssegment unterzubringen und dieselben alle parallel zu verbinden, wie dies in Fig. 8 (e) gezeigt wird. Ein vereinfachtes, jedoch angenähertes Verfahren wird ebenfalls in Fig. 8 (e) gezeigt, in welcher zwei Windungen der Wicklung nicht gebraucht werden. Ähnliche Methoden können für die Verhältnisse 12:7 und 12:11 angewandt werden.
Weitere Methoden zur Reihen-Parallel Verbindung können für Verhältnisse wie etwa 12:8, 12:9 und 12:10 verwendet werden, wie dies in Fig. 8 (f) gezeigt wird. Für 12:8 gibt es zwei in Reihe verbundene Windungen pro Segment. Vier von diesen Segmenten sind in Reihe verbunden und drei solcher Sätze von in Reihe verbundenen Segmenten werden parallel geschaltet. Ähnliche Methoden werden in Fig. 8 (f) für 12:9 und 12:10 Verhältnisse gezeigt. Für ein Verhältnis nahe bei der Einheit, wie 12:11, besteht die am wahrscheinlichsten praktische Lösung darin, eine Windung ungenutzt zu lassen, wie in Fig. 8 (g) gezeigt.
Für einen Transformator mit mehr als einer sekundären Wicklung, zum Produzieren von verschiedenen Spannungen mit verschiedenen Windungsverhältnissen, kann man die in dem vorhergehenden Abschnitt beschriebene Wicklungsmethoden verwenden, um zufriedenstellende Wicklungsanordnungen zu erzielen. Ein formelles Verfahren um zu Wicklungsmustern zu gelangen, welche zum Heruntersetzen der Magneto-EMK auf einen Mindestwert für jede primäre Windung führen (optimale Verschachtelung), wird nachstehend angegeben.
(a) Definitionen
i) Anzahl von primären elektrischen Windungen, Np
ii) Anzahl von physischen primären Windungen, Tp = Np
iii) Anzahl von Windungssegmenten, S = Np
iv) Anzahl von elektrischen Windungen in der kten Sekundärwicklung Nk
v) Anzahl der physischen Windungen in der kten Sekundärwicklung Tk
vi) Anzahl von Reihenwindungen der kten Sekundärwicklung in jedem Wicklungssegment (Reihenfaktor), k
vii) Anzahl von in Reihe verbundenen Segmenten in jedem parallelen Satz (Segmentfaktor), k
viii) Anzahl von identischen Sätzen von Reihenwindungen, die parallel verbunden sind, um die kte Sekundärwicklung zu bilden (Parallelitätsfaktor), ψk
(b) Vorgehensweise
i) berechne Np nach den üblichen Verfahren
ii) berechne die Werte von Nk, für alle Sekundärwicklungen
iii) kürze das Windungsverhältnis
iv) berechne
v) berechne Tk = ψkNk = kNp
Offensichtlich ist in Fällen wo k eine Einheit darstellt (ganze Zahl für das Verhältnis der Windungen) Tk = Tp gegeben. Es ist von Vorteil um die Anzahl der Windungen auf eine Mindestzahl zurückzuführen. Daher kann im allgemeinen der Wert von Np so gewählt werden, daß er Mindestwerte für k erlaubt, für die erforderten Sekundärwicklungen Wenn man wiederum Np = 12 als ein Beispiel nimmt, dann wird ein k von einer Einheit erzielt für Nk = 1, 2, 3, 4, 6, 12, d.h. die Faktoren von Np. Andererseits, wenn Nk = 8, k = 2, ψk = 3, k = 4 und Tk = 24. Ebenso, wenn Nk = 5, k = 5, ψk = 12, k = 1, und Tk = 60. Es kann erwünscht sein bestimmte Werte von Nk zu vermeiden, oder nicht optimale Schemen der Verschachtelung mit solchen Sekundärwicklungen zu benutzen. Beispiele für Nk = 6 und Nk = 8 sind in beziehungsweise Fig. 9 (a) und (b) dargestellt.
Es ist zu beachten, daß die in Fig. 9 (a) und (b) verwendete Numerierung der Segmente willkürlich ist - Segmente können im Prinzip in jeder passenden Folge verbunden werden. Außerdem können die parallelen Verbindungen, die als punktierte Linien gezeigt werden, in einigen Anwendungen Vorteile mit sich bringen.
Für Transformatoren mit mehrfachen sekundären Wicklungen kann, unter Anwendung des oben beschriebenen Verfahrens, die Anzahl der sekundären Windungen berechnet werden und eine passende Anordnung entworfen werden. Dies führt zu Lösungen bei denen jedes Wicklungssegment Windungen von allem Wicklungen enthält. Dies sorgt für eine gute Stromaufteilung unter den Windungen und dient dazu den Wechselstromwiderstand auf ein Mindestmaß zu reduzieren. Ein Beispiel für diese Art von Anordnung wird in Fig. 10 angegeben, mit einer aus zwölf Windungen bestehenden Primärwicklung und Sekundärwicklungen die eine, drei und acht Windungen aufweisen. Dort findet ein Ausgleichen der Magneto-EMK jede 30º (π/6) statt.
Es bestehen ebenso alternative Wicklungssysteme in welchen die mehrfachen sekundären Wicklungen in solch einer Art angeordnet sind, daß einige sekundäre Wicklungen völlig oder teilweise in einigen Wicklungssegmenten abwesend sind. Ein Beispiel hierfür wird in Fig. 11 gezeigt, für eine Primärwicklung mit zwölf Windungen mit einer Sekundärwicklung aus 5 Windungen, eine Sekundärwicklung aus 2 Windungen mit Mittelanzapfung und eine Sekundärwicklung aus einer Windungen mit Mittelanzapfung. In diesen Systemen werden die Wicklungen normalerweise symmetrisch arrangiert, um eine gute Stromteilung sicherzustellen, jedoch werden der Streufluß innerhalb eines jeden Wicklungssegmentes und der Wechselstrom-Widerstand nicht auf einen Mindestwert reduziert: statt dessen wird die Magneto-EMK, die Streufluß bewirkt, für jedes χ Wicklungssegment auf ein Mindestmaß reduziert, wobei X eine ganze Zahl ist, während χ in dem Beispiel nach Fig. 11 gleich drei ist. Im allgemeinen wird darum die Magneto-EMK bei jedem (Xχ/S) auf den Mindestwert reduziert, 2π Radiant gibt π/6 für Fig. 10 (wie oben angegeben) und π/2 für Fig. 11. Für ein gegebenes Windungsverhältnis gilt, je höher der Wert von (S/χ), als Symmetriefaktor bekannt, desto niedriger der Spitzenwert der Magneto-EMK und daher desto niedriger die Streuinduktivität und der Wechselstromwiderstand des Transformators. Jedoch, in dem Maß wie (S/χ) zu nimmt, tut dies auch die Gesamtzahl von physischen Windungen Ttot, was zu einem Kompromiß der Gestaltung zwischen den beiden führt.
Zum Bereitstellen eines zusammengewickelten Netzes, das nicht in Fig. 10 gezeigt ist, werden zusätzliche Windungen mit einem geerdeten Ende und dem anderen nicht geerdeten Ende, zwischen die primären und die sekundären Leiter eingemischt; idealerweise auf jeder Seite einer jeden primären Windung gelegen.

HERSTELLUNGSMETHODEN

Ein Transformator oder eine Drosselspule, wie sie beschrieben worden sind, können hergestellt werden durch starkes Filmdrucken, Plattieren oder Ätzen eines Musters eines Leiters (z.B. Kupfers) auf ein Substratmaterial, das elektrisch isolierend, aber vorzugsweise thermisch leitfähig ist (z.B. Aluminiumoxid, Berylliumoxid, Aluminiumnitrid). Wenn das Substrat kein guter thermischer Leiter ist, wie FR4 oder Kapton, dann können thermische leitende Wege im Hinblick auf gute thermische Eigenschaften vorgesehen werden. Solch ein Muster oder die mehrschichtigen Muster können die Stromleitungsenden für den Transformator oder die Drosselspule einschließen und die Reihen- oder Parallelverbindungen der einzelnen Windungen bestimmen. Eine oder mehrere passende Isolierungsschichten können dann auf der Oberseite dieser Leiter angeordnet werden, auf welchen der Kern selbst angeordnet ist. Die Windungen werden dann über dem Kern vervollständigt - diese können in der Form von verbindenden Zuleitungen aus leitfähigem Draht, Band oder Folie vorliegen, oder von gedruckten, plattierten oder geätzten Leitern, die direkt an dem Kern oder an einem flexiblen Substrat angeschlossen werden können; außerdem, besonders im Falle einer einzelnen elektrischen Windung einer Primärwicklung oder einer Sekundärwicklung können die parallelen Windungen aus einem einzigen leitfähigen Preßstück oder aus einer geätzten, plattierten oder gedruckten Vorform bestehen. Der Querschnitt des Kerns, über den die Windungen angeordnet werden, kann vorteilhafterweise so geformt sein, daß das 'Wickeln' des Gerätes erleichtert wird, zum Beispiel mit einem gewölbten Profil (Fig. 12). Außerdem kann man eine oder mehrere Wicklungsschablonen benutzen, auf welche die "Windung/Windungen" verlegt werden, und welche so geformt sind, daß sie über den Kern passen, was nicht nur helfen kann die Leiter während der Herstellung zu leiten, sondern auch eine elektrische Isolierung (z.B. Fig. 13) zu liefern. Solch eine Wicklungsschablone kann ausgelegt sein um die notwendigen Distanzen der Kriechstrecken und Zwischenräume zu beschaffen welche in Hinblick auf die Sicherheits- und andere Isolations/Isolierungsnormen notwendig sind. Eine gewisse Anzahl von solchen Wicklungsschablonen, die gegenseitig die eine auf der Oberseite der anderen gestellt sind, können in dem Falle von mehrfachen Schichten zum Einsatz kommen. Die beschriebene Wicklungsschablone kann als Teil des Kernes selbst integriert werden, obwohl dies vom elektromagnetischen Standpunkt aus wahrscheinlich weniger zufriedenstellend ist. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, eine oder mehrere Windungen mit konventionellen Methoden direkt auf den Kern oder auf die Wicklungsschablone anzuordnen, bevor sie an dem Substrat befestigt werden, besonders dort wo viele elektrische Windungen impliziert sind.
Für ein besseres Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um zu zeigen wie sie in die Wirklichkeit umgesetzt werden kann, bezieht man sich jetzt, über den Weg eines Beispiels, auf die Konstruktion eines ringförmigen Transformators mit einer Primärwicklung aus 12 Windungen und einer Sekundärwicklung mit einer Mittelanzapfung einer einzelnen Windung, so wie dies in den begleitenden Zeichnungen ausführlich dargestellt ist.
In Fig. 14 (a) wird ein Mustern aus geätzten, plattierten oder gedruckten leitfähigen Bahnen (in diesem Fall geätztes Kupfer) auf einem Substratmaterial (z.B. Aluminiumoxid) gebildet. Die Dicke des Leitermaterials ist normalerweise 1,5 bis 2 mal größer als die Hauttiefe bei der gewünschten Frequenz (in diesem Fall 70 µm Kupfer, entsprechend 1,5 Hauttiefen bei 2 MHz). Es ist zu beachten, daß die Windungen aus dem primären Wicklungsbereich nicht miteinander verbunden sind, denn sie werden alle elektrisch in Reihe geschaltet, während die sekundären Wicklungen alle parallel auf dem Substrat liegen. Die sekundären Windungen können alle im Innern der Ringspule durch kreisförmige Leiter (Ringe) miteinander verbunden sein, so wie es gezeigt wird. In diesem Fall kann der äußere der drei Ringe, als C gekennzeichnet, gedruckt, plattiert oder geätzt sein, und zwar auf eine andere Schicht des Ringes B, möglicherweise mit Wegen (zwischen-schichten Verbindungen) an den Punkten D. In einem anderen Fall kann eine gedruckte, gesprühte oder anhaftende Isolierung gebraucht werden, entweder über das ganze Substrat (außer für Anschlußflächen) oder lediglich an den mit E markierten Überkreuzungen (an welchen die leitfähigen Pfade einander kreuzen). Ansonsten kann der Ring C aus Draht- oder aus Bandverbindungen mit oder ohne Isolierung an den Überkreuzungspunkten E gebildet werden. Eine andere Option besteht darin, von diesen Ringen insgesamt abzusehen und Leiter mit mehrfachen Verbindungen von jedem parallel geschalteten radialen Leiter zu entsprechenden Anschlußflächen im Zentrum der Ringspule zu führen (z.B. direkte Verbindung zu Gleichrichterdioden). Ebenso kann man einen oder mehrere Leiterringe an parallel geschalteten Leitern außerhalb der Ringspule benutzen; dies kann für Anschlußzwecke nützlich sein, wo eine vorgeformte sekundäre Wicklung angewandt wird. Die Größe des leitfähigen Musters hängt ab von dem gewünschten Wicklungswiderstand, den Dimensionen des Kerns und dem erforderten minimalen Abstand (für die elektrische Isolierung) zwischen den primären und sekundären Leitern. (Gegenwärtig muß diese für eine Sicherheitsisolierung von Netzanschlüssen größer als 400 µm sein). Ein durchlässiger weicher magnetischer Kern (in diesem Fall eine im Handel erhältliche Toroidspule aus Ferrit, mit einer Isolierung überzogen) befindet sich auf der Oberseite des Substrates. In der Praxis können gedruckte, gesprühte oder anhaftende Schichten von dielektrischen Isolierungen auf das Leitmuster aufgebracht werden bevor der Kern angeordnet wird, wobei passende Anschlußflächen zum Verbinden bleiben. Der Kern kann haftend an dem Substrat angeschlossen werden (z.B. mit einem thermisch leitfähigen Klebstoff), um mechanischen Widerstand und eine gute Wärmeübertragung zu verleihen. Mittel zur Vervollständigung der Windungen (z.B. Ausrüstungen zum Verbinden von Draht oder Band durch Ultraschall, Thermoschall, Thermokompression oder zum Löten mit Lötzinn/Silber, zum Widerstands- oder Laserschweißen) werden dann eingesetzt (in diesem Fall wird gelöteter Kupferdraht benutzt). Wenn Folien- oder Bandleiter gebraucht werden, dann ist die Dicke wieder normalerweise 1,5 bis 2 mal so groß als die Hauttiefe. Die Breite der Leiter hängt von dem erforderlichen Widerstand und dem Minimalabstand ab. Wenn kreisförmige Drahtleiter zum Einsatz gelangen, dann ist der Durchmesser der Leiter normalerweise zweimal so groß wie die Hauttiefe (der Außendurchmesser mit einer Emailleisolierung beträgt in diesem Fall grob 130 µm). Es ist zu beachten, daß wenn man den Widerstand mit kreisförmigem Draht reduzieren will (Fig. 15 (a)) dann können mehrfache Litzen innerhalb einer einzelnen Windung parallel verbunden werden, um in etwa einer breiten Folie oder einem Band zu entsprechen (Fig. 15 (b)). (Idealerweise sollte jede Windung ein einzelner Draht mit abwechselnden primären und sekundären Windungen sein; jedoch kann dies oft in der Praxis nicht mehr durchgeführt werden, wegen der Erfordernisse eines minimalen Abstandes und der zusätzlichen Komplexität einer Kombination von primären Reihen- und Parallelwindungen. In dem vorliegenden Fall ist die Reduktion des Spitzenwertes der Magneto-EMK, die Streufluß bewirkt, auf eine Zwölftel seines üblichen Wertes ausreichend, um die Verluste durch den Nachbarschaftseffekt unbedeutend zu machen). Natürlich könnte auch eine Kombination der Methoden nach Fig. 15 (a) und 15 (b) eingesetzt werden.
Der fertiggestellte Transformator (Fig. 16 (a)) besteht jetzt aus 12 primären Windungen P, alle in Reihe geschaltet, mit Verbindungen außerhalb der Ringspule, und aus zwei sekundären Wicklungen, S&sub1;, S&sub2;, jede mit 12 parallelen Windungen, die mit der Primärwicklung ineinandergewickelt sind, mit einer gemeinsamen Verbindung C der Mittelanzapfung, die im Zentrum der Ringspule endet, um eine optimale Stromaufteilung in jeder sekundären Windung zu geben. (Nicht gezeigte) Gleichrichterdioden können in dem Zentrum des Transformators untergebracht werden, so daß der Raum ausgenutzt wird und der Gleichstrom herausgeführt werden kann.
Ein Kurzschlußtest ist mit der besonderen Verwirklichung der vorliegenden Erfindung, so wie sie hier beschrieben ist, durchgeführt worden, und zwar über einen geeigneten Frequenzbereich und die Ergebnisse für den Wicklungswiderstand (Fig. 17(c)) und die Streuinduktivität (Fig. 17 (d)) werden jetzt verglichen mit den Ergebnissen eines im Handel erhältlichen 'planar magnetischen' Gerätes; (Fig. 17 (a) und 17 (b) beziehungsweise). (Der Kurzschlußtest eines Transformators ist in der elektrischen Technik gut bekannt und er mißt die Werte der verteilten Bestandteile die in dem äquivalentem Kreis (Fig. 18) gezeigt werden. 'Planar magnetische' Anordnungen in welchen der Transformator die Form eines sehr flachen sandwichartigen Gerätes annimmt, wie dies bereits weiter oben beschrieben worden ist, mit spiralförmigen Wicklungen, werden gegenwärtig als zum Stand der Technik für Hochfrequenz-Leistungstransformatoren gehörend angesehen.) Zu beachten ist, daß solche spiralförmigen Wicklungen im allgemeinen nicht in einer Schicht ineinandergewickelt sind, obwohl sie dies gemäß dieser Erfindung sein können (siehe Fig. 6 (d)).
Der planare Transformator hat sechs primäre Windungen und eine sekundäre Windung. Deshalb beläuft sich das Quadrat von dem primären zu dem sekundären Windungsverhältnis, das die Streuinduktivität bestimmt, auf 36 im Gegensatz zu 144 für das vorliegende Gerät. Dennoch ist bei 1 MHz die Streuinduktivität des vorliegenden Transformators lediglich das doppelte von derjenigen der planaren Struktur, was eine zwei-zu-eins Verbesserung anzeigt.
Der Serienwiderstand der planaren Komponente beträgt 0,35 Ω bei 1 MHz, und steigt steil auf 8 Ω bei 10 MHz an, infolge ausgesprochener Verluste durch den Nachbarschaftseffekt. Es ist zu beachten, daß infolge das Hauteffektes nur der Widerstand um einen Faktor von 10 (= 3,16) ansteigen sollte, während er in der Tat um fast das 23fache zunimmt. Mit dem vorliegenden Transformator beläuft sich der Widerstand bei 1 MHz auf 0,59 Ω. Mit zweimal so vielen primären Windungen würde man einen viermal höheren Widerstand erwarten, folglich stellt dies ein besseres Resultat als eine zweifache Verbesserung dar. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die mittlere Windungslänge in dem vorliegenden Gerät geringer ist als diejenige in dem Falle der planaren Spirale (Fig. 19). Bei 10 MHz ist dieser Widerstand auf 1,61 Ω angestiegen, eine Zunahme von 2,73 mal, was ganz dem Hauteffekt zugeschrieben werden muß, und die mit der vorliegenden Erfindung zu erzielende wirksame Ausschaltung des Nachbarschaftseffektes verdeutlicht.
Allgemeine dimensionale Zeichnungen von den zwei Transformatoren sind in (Fig. 20) gegeben worden. Diese Zeichnungen geben eine 'Fußabdruck'- Oberfläche von 1210 mm² an, sowie ein Volumen von 11492 mm³ für den planaren Teil, während das vorliegende Gerät 707 mm² einnimmt, (oder 900 mm² wenn man die quadratische Fläche in Betracht zieht) und 5656 mm³ (oder 7200 mm³ wenn man das kubische Volumen in Betracht zieht). Weiterhin können Fläche/Volumen im Zentrum des vorliegenden Gerätes (in den Figuren einbezogen) für andere Komponenten verwendet werden (z.B. Gleichrichterdioden). Beide Transformatoren sind dafür ausgelegt worden, bei Frequenzen um etwa 1 MHz herum mit einem Leistungsdurchsatz von etwa 150 W betrieben zu werden. Nimmt man den Kreis aus Fig. 21 mit einer sekundären Spannung (effektiver Mittelwert der Spannung)(RMS = root mean square) von 6 V für eine 5 V Leistung, und nimmt man einen 0,5 V Diodenabfalles an, so hat man einen sekundären Strom (Rechteckwelle) von 25 A. Die primäre Spannung für die planare Komponente ist 36 V (Windungsverhältnis = 6), während sie 72 V (effektiver Mittelwert der Spannung) für das vorliegende Gerät beträgt. Folglich hat der Transformator 6 V pro Windung mit den primären Strömen von beziehungsweise 4,16 A und 2,083 A.
Bei Anwendung des Faraday'schen Gesetzes hat man:
Hauptfluß, Spitzenflußdichte
wobei Ae = 129 mm², planare Ausführung gegenüber 39 mm² vorliegende Ausführung ergibt B planare Ausführung = 10,47 mT, vorliegende Ausführung = 34,63 mT.
Für einen typischen Hochfrequenz-Leistungsferriten, wird der spezifische Leistungsverlust bei 1 MHz dann 5 mW pro Gramm betragen, planare Ausführung, 88 mW pro Gramm, vorliegende Ausführung. Der planare Transformator hat ein Kernvolumen von 4920 mm³, während das vorliegende Kernvolumen 2140 mm³ beträgt. Mit einer typischen Ferritdichte von 4,7 x 10&supmin;³ gm&supmin;³, sind die totalen Kernverluste 116 mW und 885 mW beziehungsweise. Die totalen Windungsverluste (I²R) sind 6,08 und 2,56 W, was allgemeine Verluste von beziehungsweise 6,2 und 3,45 W ergibt. Der vorliegende Transformator hat eindeutig eine höhere Wirksamkeit in dieser Anwendung, und trotz seiner kleineren 'Fußabdruck'-Fläche, hat er ein ähnliches Verhältnis von Wärmeableitung zu 'Fußabdruck' (etwa 5 mW pro mm²).
Wenn wir die zwei bei 10 MHz betriebenen Transformatoren in Betracht ziehen, dann werden die Kernverluste unbedeutend (beziehungsweise 14 mW und 109 mW) weil die Flußdichte abnimmt. Jedoch werden die Wicklungsverluste jetzt beziehungsweise 139 W und 6,9 W, was anzeigt, daß das vorliegende Gerät immer noch gebraucht werden kann, während die planare Komponente vollkommen ungeeignet ist.
Um deshalb zu resümieren, die Vorteile der Erfindung beruhen auf einem Leistungstransformator oder einer gekoppelten Drosselspule, bei welchen eine Verschachtelung von einzelnen primären und sekundären physischen Windungen auf einer oder mehreren Schichten um einen durchlässigen Kern oder Luftkern herum zur Anwendung kommen, um eine optimale Kopplung und einen minimalen magnetischen Verlust zu ergeben, mit der daraus resultierenden virtuellen Ausschaltung von Verlusten durch den Nachbarschaftseffekt. In einer Form eines Leistungstransformators oder einer gekoppelten Drosselspule, wie beschrieben, sind ihre physischen Windungen passend dimensioniert, so daß Verluste durch den Hauteffekt ausgeschlossen werden. Solch ein Transformator oder eine gekoppelte Drossel spule verwenden vorzugsweise einen ringförmigen Kern auf welchem die Summe der gegenseitigen magnetischen Kopplungen zwischen irgendeiner physischen Windung und allen anderen Windungen, für jede Windung identisch ist, was zu einer optimaler Stromverteilung in den Wicklungen führt. Außerdem ist in dem Transformator oder der gekoppelten Drosselspule, die einen ringförmigen Kern benutzen oder auch nicht, der Kern vorzugsweise so geformt, daß das 'Wickeln' erleichtert wird, und vorzugsweise bilden gedruckte, geätzte, plattierte oder auf sonst eine Art geformte leitfähige Bahnen auf einem Substrat einen Teil der Wicklungen, wobei die Windungen durch leitfähige Drähte oder Bandverbindungen (welche entweder auf eine isolierende Wicklungsschablone aufgebracht werden oder auch nicht) vervollständigt werden oder durch leitfähige gestanzte, geätzte oder sonstwie gebildete Vorformen oder durch gedruckte, geätzte, plattierte oder sonstwie geformte Leiter auf einem geformten oder flexiblen Substrat. In einem anderen Fall wird ein Teil oder alles von jeder oder von irgendeiner Windung durch bedruckte, geätzte, plattierte oder sonstwie entworfene Leiter auf dem Kern selbst gebildet. Weiterhin, kann ein Abwärtstransformator oder eine gekoppelte Drosselspule, welche die Erfindung verkörpern, vorzugsweise mit einem ringförmigen Kern, eine aus mehrfachen Windungen bestehende Primärwicklung (z.B. N Windungen in Serie) und eine aus einer einzelnen Windung bestehende Sekundärwicklung (z.B. N parallele Windungen) aufweisen, wobei die Sekundärwicklung in dem Zentrum der Ringspule endet (z.B. durch eine oder mehrere Gleichrichterdioden), um eine optimale Stromverteilung in den parallel geschalteten sekundären Windungen zu ergeben. Außerdem können auch mehrfache Windungen und mehrfache sekundäre Wicklungen hergestellt werden, wobei man Reihen- und Parallelkombinationen von Windungen verwendet mit einem auf ein Minimum reduzierten Streufluß und einem Wechselstromwiderstand. Nicht optimale Lösungen, die für praktische Anwendungen geeigneter sein können, bestehen ebenfalls. In anderen Fällen wird in dem Aufwärtstransformator oder der gekoppelten Drosselspule die Primärwicklung in die Mitte des Kernes (z.B. durch ein oder mehrere Umschaltgeräte) hereingeführt.

REFERENZ

[1] P. L. Dowell: "Effects of Eddy Currents in Transformer Windings (Wirkung von Kriechströmen in Transformatorwicklungen)", Proceedings of the IEE. Vol 113, Nr 8, August 1968, Seiten 1387-1394.

Claims

1. Transformator mit beliebigem Windungsverhältnis, wobei die physischen Primär-(P-) und Sekundär-(S-)Windungen nicht bifilar sind und wobei die Primär- und die Sekundärwindungen über Abschnitte eines Kerns des Transformators verteilt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die physischen Primär- und Sekundärwindungen in der gleichen Wicklungslage ineinandergewickelt sind, wobei jeder Abschnitt des Kerns Windungen von allen Wicklungen des Transformators enthält, so daß bei Verwendung in jedem Abschnitt die magnetomotorische Kraft, die Streufluß bewirkt, minimiert wird.

2. Gekoppelte Drosselspule mit beliebigem Windungsverhältnis, wobei die physischen Primär- und Sekundärwindungen nicht bifilar sind und in der gleichen Wicklungsschicht ineinandergewickelt sind und bei der die Primär- (P-) und die Sekundär-(S-)Windungen über Abschnitte eines Kerns der Drosselspule verteilt sind, wobei jeder Abschnitt Windungen von allen Wicklungen der Drosselspule enthält, so daß, wenn die Drosselspule als Transformator verwendet werden sollte, in jedem Abschnitt die magnetomotorische Kraft, die Streufluß bewirkt, minimiert wird.

3. Transformator nach Anspruch 1, wobei der Kern ringförmig ist und die Abschnitte gleichwinklige Sektoren desselben sind.

4. Gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 2, wobei der Kern ringförmig ist und die Abschnitte gleichwinklige Sektoren desselben sind.

5. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei bzw. der das Windungsverhältnis nicht ganzzahlig ist.

6. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Windungsverhältnis anders als eins ist.

7. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Primär- und die Sekundärwindungen um einen magnetisch leitfähigen oder einen Luftkern herum ineinandergewickelt sind.

8. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Wicklung aus physischen Windungen aus leitfähigem Material um einen Kern herum besteht und wobei das elektrische Windungsverhältnis durch Reihen- oder Parallel- oder kombinierte Reihen-Parallel-Schaltung der physischen Windungen jeder Wicklung bestimmt wird.

9. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 1 oder 2, wobei mehr als eine solche Lage von ineinandergewickelten Windungen vorgesehen ist.

10. Transformator oder gekoppelte Drossel spule nach Anspruch 9, wobei die physischen Primär- und Sekundärwindungen sowohl innerhalb jeder der Lagen als auch von Lage zu darüberliegender Lage ineinandergewickelt sind.

11. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 1, 2 oder 10, wobei ein Abschnitt mindestens einer physischen Windung durch einen Leiter gebildet wird, der auf einem Substratmaterial ausgebildet ist.

12. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 1, 2 oder 10, wobei mindestens eine der Wicklungen in einem Bereich abgeschlossen ist, der von ihrem Kern umgeben ist, um den herum die Primär- und Sekundärwindungen dieser Wicklungen ineinandergewickelt sind.

13. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer zusätzlichen elektronischen Schaltungskomponente oder zusätzlichen elektronischen Schaltungskomponenten, die in einem Bereich angeordnet ist bzw. sind, der von einem Kern des Transformators oder der gekoppelten Drosselspule umgeben ist, und wobei die Wicklungen, die die Windungen aufweisen, für eine Verbindung mit der oder jeder Schaltungskomponente geeignet sind.

14. Verfahren zur Herstellung eines Transformators oder einer gekoppelten Drossel spule nach Anspruch 1, 2, 10 oder 13, mit dem Schritt des Ausbildens eines Abschnitts jeder physischen Windung auf einem Substratmaterial durch Aufdrucken, Ätzen oder galvanisches Aufbringen von leitfähigem Material.

15. Verfahren zur Herstellung eines Transformators oder einer gekoppelten Drosselspule nach Anspruch 1, 2, 10 oder 13, mit dem Schritt des Ausbildens eines Abschnitts jeder physischen Windung auf jeder von einer Anzahl von Substratlagen und des Bereitstellens von thermisch leitenden Wegen (D. Fig. 14(a)), um die verschiedenen Schichten zu verbinden.

16. Verfahren zur Herstellung eines Transformators oder einer gekoppelten Drosselspule nach Anspruch 1, 2, 10 oder 13, mit dem Schritt des Ausbildens eines Abschnitts mindestens einer physischen Windung als Leiter auf einem Kern, um den herum die Primär- und die Sekundärwindungen ineinandergewickelt sind.

17. Verfahren zur Herstellung eines Transformators oder einer gekoppelten Drosselspule nach Anspruch 11, mit dem Schritt des Ausbildens eines Abschnitts der physischen Windung als Schleife aus leitfähigem Material über dem Kern, wobei solches Material an jedem Ende mit dem entsprechenden Leiter verbunden wird, der auf dem Substrat ausgebildet ist.

18. Transformator oder gekoppelte Drosselspule nach Anspruch 1, 2, 10 oder 13, wobei eine Vielzahl der Sekundärwicklungen vorhanden ist, die aus zweckmäßig miteinander verbundenen entsprechenden Windungen der ineinandergewickelten physischen Sekundärwindungen ausgebildet sind.