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Die vorliegende Vorrichtung betrifft einen isolierten Draht für eine Wicklung, die sich
für einen Hochfrequenztransformator, einen Hochfrequenzreaktor oder eine
Hochfrequenzspule eignet, die in derartigen Vorrichtungen, z. B. bei Schaltnetzteilen,
verwendet werden.
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Im allgemeinen wurde ein Magnetdraht, der durch Bilden einer Isolierschicht aus einem
Material wie Polyurethanharz oder Polyesterharz auf einem Eindrahtleiter hergestellt
wurde, als isolierter Draht für eine Wicklung eines Schaltnetzteils verwendet.
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Ein Sicherheitstransformator für eine Vorrichtung wie ein Schaltnetzteil muß den
folgenden Kriterien der IEC (International Electrotechnical Commission) oder UL
(Standards of Underwriter's Laboratories, Inc.) sowie verschiedenen anderen Arten von
Sicherheitsnormen entsprechen:
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(1) Ein Isolierwiderstand muß zwischen Schichten eines elektrischen Drahts oder
zwischen der primären und sekundären Wicklung mit Hilfe eines bestimmten
Isolierfilms vorgesehen sein.
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(2) Um den Kriechweg zwischen einer Wicklung und einem Kern zu sichern, muß eine
Raumisolierung mit einer Isolierbarriere zwischen der Wicklung und dem Kern
vorgesehen sein.
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(3) Es ist erforderlich, Maßnahmen für die Isolierung zu treffen, indem ein Material wie
z. B. ein Isolierrohr verwendet wird, wenn ein Anschlußdraht mit einem Stiftanschluß
verbunden wird.
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Aufgrund der durch die obigen Sicherheitsnormen erforderlichen Einschränkungen ist
der Benutzer bei Verwendung eines Magnetdrahts manchmal mit vielen Problemen
konfrontiert, z. B. mit der Schwierigkeit der Minimierung eines Transformators, der
Notwendigkeit bei Komponenten bzw. Verfahren, verschiedene Arten der Verarbeitung
für die Isolierung durchzuführen, oder Schwierigkeiten bei der Herstellung eines
kompakten, leistungsfähigen Transformators. Zur Lösung dieser Probleme wurde
vorgeschlagen, einen dreilagigen isolierten Draht für eine Wicklung für einen
Transformator zu verwenden (siehe die japanischen Gebrauchsmusteranmeldungen Nr.
49802/1990 und 49801/1990, sowie die Patentanmeldung Nr. 150174/1990;
mittlerweile ist es möglich, die Sicherheitsnormen wie z. B. IEC oder UL zu erfüllen.
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GB-A-2230208 offenbart einen weiteren Leiter zur Verwendung in einer
Transformatorwicklung.
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In einem Schaltnetzteil wird nun eine hohe Schaltfrequenz im Bereich von mehreren
Dutzend KHz bis zu mehreren Hundert KHz verwendet, damit die Schalteffizienz
verbessert werden kann.
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In einem solchen Hochfrequenzbandbereich steigen jedoch die Wirbelstromverluste in
einem Leiter einer Transformatorwicklung und ein Verlust aufgrund des Skineffekts stark
an, wodurch Wärmeabstrahlung aus einem Transformator bewirkt wird und die
Eigenschaften nicht nur eines isolierten elektrischen Wicklungsdrahts, sondern auch des
Transformators selbst beeinträchtigt werden können.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, die obigen Probleme zu lösen und
einen isolierten elektrischen Draht für eine in einem Transformator zu verwendende
Wicklung bereitzustellen, der die verschiedenen oben beschriebenen
Sicherheitsnormen erfüllt und zu einer Redukton der Wärmeabstrahlung aus einem Transformator
beitragen kann, selbst wenn sich die Schaltfrequenz in einem
Hochfrequenzbandbereich befindet.
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Zur Erzielung des obigen Ziels bietet die vorliegende Erfindung einen mehrlagigen
isolierten elektrischen Draht für eine in einem Hochfrequenztransformator zu
verwendende Wicklung, umfassend:
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zumindest drei Isolierschichten, von denen jede eine Schicht aus einem
hitzebeständigen Kunststoffilm umfaßt, wobei beliebige zwei der drei Isolierschichten
eine Minute lang eine Isolationsfestigkeit von 3,75 kV bieten, dadurch gekennzeichnet,
daß:
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der Draht zur Verwendung in einem Schaltnetzteiltransformator geeignet ist;
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der Draht eine Vielzahl an Leitern umfaßt, die fast parallel zueinander angeordnet sind,
um einen gebündelten Leiter mit einem runden Querschnitt zu bilden;
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jede der Isolierschichten eine schraubenförmig gewickelte Schicht aus Kunststoffilm
umfaßt, die um den gebündelten Leiter gewunden ist; und
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jede der Isolierschichten unabhängig voneinander und von den anderen Schichten
trennbar ist.
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Bei einem ersten mehrlagigen isolierten Draht für eine in einem
Hochfrequenztransformator zu verwendende Wicklung wird ein Leiter mit kleinem Durchmesser, z. B.
ein Kupferdraht, ein Kupferlegierungsdraht oder ein zinn- bzw. lötplattierter Kupferdraht
im allgemeinen als Leiter für den Elementendraht verwendet. Der Durchmesser des
Leiters wird von Fall zu Fall gemäß der Spezifikation des Transformators ausgewählt,
doch im allgemeinen verwendet man einen Leiter mit einer Querschnittsfläche von
etwa 0,032 mm² (AWG 32) bis 0,52 mm² (AWG 20), wobei die
Hochfrequenzeigenschaften eines gebündelten Leiters berücksichtigt werden. Der Grund, weshalb
eine Vielzahl dieser Leiter mit geringem Durchmesser fast parallel zueinander zu einem
gebündelten Leiter mit einem runden Querschnitt gebündelt ist, besteht darin, daß ein
Wirbeistromverlust in einem gebündelten Leiter oder ein Verlust aufgrund des
Skineffekts bei hoher Frequenz verringert wird, indem der Kontaktwiderstand mittels
Reduzierung des Kontakts zwischen Elementdrähten, die einander in einem
gebündelten Leiter berühren, erhöht wird.
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Als Isolierschicht für einen mehrlagigen isolierten Draht verwendet man eine gewickelte
Schicht, die durch Wickeln eines hitzebeständigen Kunststoffilms, z. B. eines
Polyimidfilms, eines aromatischen Polyamidfilms, eines Polyetheretherketonfilms, eines
Polyphenylensulfidfilms (PPS) oder eines Polyesterfilms in überlappender Beziehung
entsteht. Eine auf Wärme ansprechende Klebeschicht kann auf dem obigen
hitzebeständigen Kunststoffilm angeordnet sein; nach dem Wickeln des Films um einen
Leiter kann Wärme zugeführt werden, um die auf Wärme ansprechende Klebeschicht
mit dem hitzebeständigen Film zu verbinden. Falls erforderlich, können Filme
unterschiedlicher Farbe für jede Schicht verwendet werden, oder jede Schicht kann
unterschiedlich eingefärbt werden, indem ein Verfahren wie z. B. die Zugabe eines
spezifischen Farbstoffs zu jeder auf Wärme ansprechenden Klebeschicht (bei einem
Film mit einer auf Wärme ansprechenden Klebeschicht) angewendet wird, um jede
Schicht anders einzufärben, so daß jede Isolierschicht klar identifiziert ist.
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Die Bedingung, daß jede der drei Isolierschichten unabhängig ist und von den anderen
Schichten getrennt werden kann, bedeutet, daß jede Schicht von anderen Schichten
getrennt werden und als eine unabhängige Schicht bestehen kann. Als Mittel zur
Trennung einer Isolierschicht eignen sich folgende Vorgangsweisen: Verwendung eines
Abstreifers, Entfernen einer Isolierschicht, indem man sie mit einem Schlitzfehler
versieht. Entfernen einer Isolierschicht durch Brennen und Schneiden der Isolierschicht
mit einem erhitzten Messer oder Zurückwickeln eines gewickelten Films. Hingegen
wird ein Überzug für einen Magnetdraht durch mehrmaliges Aufbringen von
Isolierlacken um einen Leiter und Brennen der Lacke gebildet, wobei keine Schicht von
den anderen getrennt werden kann, so daß ein Magnetdraht manchmal nicht als
mehrlagiger isolierter Draht erkannt wird.
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Ein erfindungsgemäßer gebündelter Leiter wird durch Bündeln einer Vielzahl an Leitern
mit kleinem Durchmesser fast parallel zueinander zu einem Leiter mit rundem
Querschnitt hergestellt, so daß Elementdrähte, die einander im gebündelten Leiter
berühren, eine Punktkontaktkontinuität im Querschnitt davon bilden. Aus diesem Grund
ist der elektrische Widerstand der Wirbelstromkreise hoch, und die Erzeugung von
Wirbelstrom wird unterdrückt, so daß die Zunahme des Hochfrequenzwiderstands, die
den Wirbelstromverlust begleitet, verhindert werden kann. Da die Leiteroberfläche
eines gebündelten Leiters viel größer als jene eines Einzeldrahtleiters ist, können
Verluststeigerungen aufgrund des Skineffekts größtenteils vermieden werden.
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Im mehrlagigen isolierten Draht sind zumindest drei unabhängige Isolierschichten, die
jeweils aus einem um einen Kern gewickelten wärmebeständigen Kunststoffilm
bestehen, angeordnet, und es ist eine gemäß den Sicherheitsnormen erforderliche
Isolationsfestigkeit (3,75 kV im Falle von IEC 950) vorgesehen, die durch beliebige zwei
der drei Schichten aufrechterhalten wird, so daß er als isolierter Draht für eine Wicklung
mit geeigneten, den Sicherheitsnormen entsprechenden Isoliereigenschaften annehmbar
und frei von vielen der obigen Einschränkungen ist, die für die herkömmlichen
Transformatortypen gelten.
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Zur Erreichung des oben beschriebenen Ziels bietet die vorliegende Erfindung einen
mehrlagigen isolierten elektrischen Draht (nachstehend als mehrlagiger isolierter Draht
bezeichnet), worin zumindest drei Isolierschichten angeordnet sind, die jeweils einen
hitzebeständigen Kunststoffilm umfassen, der um einen gebündelten Leiter gewickelt ist,
der durch Bündeln einer Vielzahl an Magnetdrähten entsteht, worin die erforderliche
Spannungsfestigkeit vorgesehen ist und durch beliebige zwei der drei obigen Schichten
aufrechterhalten wird und worin jede der drei Schichten jeweils unabhängig ist und von
anderen Schichten getrennt werden kann.
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Als Leiter eines zweiten mehrlagigen isolierten Drahts für eine in einem
Hochfrequenztransformator zu verwendende Wicklung eignet sich ein Draht, der durch
Bilden einer Isolierschicht aus einem Material wie Polyurethanharz oder Polyesterharz
auf einem Einzeldrahtleiter wie z. B. einem Kupferdraht, einem Kupferlegierungsdraht
oder einem zinn- bzw. lötplattierten Kupferdraht hergestellt wird. Der Aufbau des
Leiters richtet sich nach der Spezifikation des Transformators, doch im allgemeinen wird
ein Leiter mit einer Vielzahl an Magnetdrähten und einer Querschnittsfläche von 0,032
mm² (AWG 32) bis 0,52 mm² (AWG 20) verwendet. Der erfindungsgemäße gebündelte
Leiter kann durch fast paralleles Bündeln einer Vielzahl der obigen Magnetdrähte zu
einem Leiter mit einem runden Querschnitt gebildet werden.
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Als Isolierschicht für einen mehrlagigen isolierten Draht eignet sich eine Schicht, die
durch Wickeln eines hitzebeständigen Kunststoffilms wie z. B. eines Polyimidfilms, eines
aromatischen Polyamidfilms, eines Polyetheretherketonfilms, eines
Polyphenylensulfidfilms (PPS) oder eines Polyesterfilms in überlappter Beziehung
entsteht. Eine auf Wärme ansprechende Klebeschicht kann auf dem obigen
hitzebeständigen Kunststoffilm angeordnet werden; nach dem Wickeln des Films um
einen Leiter kann Wärme zugeführt werden, um die auf Wärme ansprechende
Klebeschicht mit dem hitzebeständigen Film zu kombinieren. Falls erforderlich, können
Filme mit unterschiedlichen Farben für jede Schicht verwendet werden, oder jede
Schicht kann durch Zugeben eines spezifischen Farbstoffs zur auf Wärme
ansprechenden Klebeschicht (bei einem Film mit einer auf Wärme ansprechenden
Klebeschicht) eingefärbt werden, um jede Schicht unterschiedlich einzufärben und jede
Isolierschicht klar zu identifizieren.
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Die Bedingung, daß jede Schicht von drei Isolierschichten unabhängig ist und von
anderen Schichten getrennt werden kann, bedeutet, daß jede Schicht von anderen
Schichten getrennt werden und als eine unabhängige Schicht bestehen kann. Als Mittel
zum Trennen einer Isolierschicht eignen sich folgende Verfahren: Verwendung eines
Abstreifers, Entfernen einer Isolierschicht, indem man sie mit einem Schlitzfehler
versieht, Entfernen einer Isolierschicht durch Brennen und Schneiden der Isolierschicht
mit einem erhitzten Messer oder Zurückwickeln eines gewickelten Films.
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Ein Überzug wird durch mehrmaliges Aufbringen von Isolierlacken um einen Leiter und
Brennen der Lacke gebildet, doch es entsteht eine einzelne Isolierschicht, sodaß die
Schichten nicht voneinander getrennt werden können und der isolierte Draht nicht als
mehrlagiger isolierter Draht erkannt wird. Gemäß der Erfindung wird ein Magnetdraht
verwendet, doch er wird nicht in einem Zustand eines einzelnen Drahts als mehrlagiger
Draht, sondern als isolierter Elementendraht verwendet, der einen gebündelten Leiter
bildet.
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Der erfindungsgemäße gebündelte Leiter wird durch fast paralleles Bündeln einer
Vielzahl an Magnetdrähten zu einem Leiter mit rundem Querschnitt gebildet; die
Erzeugung von Wirbelstrom kann stark eingeschränkt werden, da jeder Elementleiter
des Magnetdrahts isoliert ist, so daß die Zunahme des Hochfrequenzwiderstands, die
mit einem Wirbelstromverlust Hand in Hand geht, verhindert werden kann. Weiters ist
in einem gebündelten Leiter die Gesamtoberfläche des Leiters größer als jene eines
Einzeldrahtleiters, und die Verluststeigerungen aufgrund des Skineffekts können somit
größtenteils vermieden werden.
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Im mehrlagigen isolierten Draht sind zumindest drei unabhängige Isolierschichten
angeordnet, die jeweils aus einem wärmebeständigen Kunststoffilm bestehen und um
einen Leiter gewickelt sind; die gemäß den Sicherheitsnormen vorgeschriebene
Isolationsfestigkeit (3,75 kV im Falle von IEC 950) ist gegeben und wird durch beliebige
zwei der drei Schichten aufrechterhalten, sodaß der mehrlagige isolierte Draht als
Isolierdraht für eine Wicklung mit geeigneter, den Sicherheitsnormen entsprechender
Isolationsfestigkeit annehmbar und frei von vielen der Einschränkungen ist, die für
herkömmliche Transformatortypen gelten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
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Fig. 1 ist eine Abbildung, die einen Querschnitt eines ersten erfindungsgemäßen
mehrlagigen isolierten Drahts für eine in einem Transformator zu verwendende
Wicklung darstellt.
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Fig. 2 ist eine Abbildung eines Querschnitts eines zweiten erfindungsgemäßen
mehrlagigen isolierten Drahts für eine in einem Transformator zu verwendende
Wicklung.
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Es folgt eine Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der
beigelegten Abbildungen.
Ausführungsform 1-1
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Fig. 1 ist eine Abbildung eines Querschnitts einer ersten Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen mehrlagigen Drahts. Ein Kupferdraht mit einem Durchmesser von
0,12 mm wurde als Elementdrahtleiter 1 verwendet, wobei 19 Litzen dieses Drahts fast
parallel zu einem gebündelten Leiter 2 mit rundem Querschnitt und einem
Außendurchmesser von 0,60 mm gebündelt wurden. Danach wurde ein mehrlagiger
isolierter Draht 4 durch Wickeln eines roten PPS-Films (3,5 mm breit · 0,03 mm dick)
mit ¹/&sub2; Lagen um diesen gebündelten Leiter 2 hergestellt, um eine erste isolierte Schicht
3a zu bilden; danach wurde ein weißer PPS-Film (3,5 mm breit · 0,03 mm dick) mit ¹/&sub2;
Lagen als zweite Isolierschicht 3b um die erste Isolierschicht 3a gewickelt und ein
blauer PPS-Film (3,5 mm breit · 0/03 mm dick) mit ¹/&sub2; Lagen als dritte Isolierschicht 3c
um die zweite Isolierschicht 3b gewickelt. Jede Schicht einer Isolierschicht 3 dieses
mehrtägigen isolierten Drahts 4 könnte durch jeweiliges Zurückwickeln der Filme von
den anderen getrennt werden.
Spannungsfestigkeitseigenschaften
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Die Ergebnisse der Spannungsfestigkeit der mehrlagigen Drähte der Ausführungsform
1-1 erfolgten unter Verwendung von Proben mit den obigen Isolierschichten und sind in
Tabelle 1 veranschaulicht.
Tabelle 1
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(1) kennzeichnet ein Ergebnis einer Durchbruchsspannung, die gemessen wird, indem
jeder Draht um einen Dorn mit einem Durchmesser von 10 mm (mit 15 Windungen)
gewickelt wurde.
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Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, konnte der isolierte Draht mit dem oben beschriebenen
Aufbau die gemäß IEC erforderlichen Spannungsfestigkeitseigenschaften (3,75 kV, 1
Minute lang) erfüllen.
Temperaturanstiegsversuch in einem Transformator
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Ein Schalttransformator, worin ein dreilagiger isolierter Draht gemäß der
Ausführungsform 1-1 der vorliegenden Erfindung als Sekundärwicklung verwendet
wurde, und ein Schalttransformator, worin ein mit 0/038 mm Polyurethan beschichteter
Kupferdraht mit einem Durchmesser von 0,60 mm als Sekundärwicklung verwendet
wurde, wurden unter Verwendung exakt der gleichen Teile und Komponenten für die
übrigen Abschnitte hergestellt. Zum Testen eines Schalttransformators mit einer
Schwingungsfrequenz von 50 kHz mittels eines Schaltnetzteils mit einer Leistung von
136 W wurden diese Schalttransformatoren unter den Bedingungen einer
Ausgangsspannung von 161 V und eines Ausgangsstroms von 0,5 A betrieben und die
Oberflächentemperatur der Wicklung in jedem Transformator mittels eines Thermistor-
Thermometers gemessen. Die Ergebnisse sind aus Tabelle 2 ersichtlich.
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Wie deutlich aus Tabelle 2 hervorgeht, war im Schalttransformator, in dem sich die
erfindungsgemäße mehrlagige Isolierung befand, die Temperatur um 6,3ºC niedriger als
im Transformator mit einem herkömmlichen Kupfereinzeldraht.
Tabelle 2
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Im mehrlagigen isolierten Draht wird ein gebündelter Leiter verwendet, der hergestellt
wird, indem viele Leiter mit kleinem Durchmesser fast parallel zu einem Leiter mit
rundem Querschnitt gebündelt werden, so daß die Wärmeabstrahlung aufgrund eines
Wirbelstromverlusts oder des Skineffekts im Leiter größtenteils vermieden werden kann;
aufgrund dieses Effekts ist es möglich, die Wärmeabstrahlung von einem
Schalttransformator selbst dann zu unterdrücken, wenn die Schaltfrequenz hoch ist, was
zur Verbesserung der Effizienz eines Schaltnetzteils beiträgt.
Ausführungsform 2-1
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Fig. 2 ist eine Abbildung eines Querschnitts eines mehrlagigen isolierten Drahts gemäß
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Ein Polyurethan-Kupferdraht der Klasse 2
mit einem Durchmesser von 0,10 mm und einem Enddurchmesser von 0,120 mm
wurde als Magnetdraht 51 verwendet und 19 Litzen dieses Polyurethan-Kupferdrahts
parallel zu einem gebündelten isolierten Leiter 52 mit einem Durchmesser von 0,60 mm
gebündelt. Danach wurde ein mehrlagiger isolierter Draht 64 folgendermaßen
hergestellt: durch Anordnen einer Schicht, die durch Wickeln eines roten PPS-Films mit
einer Breite von 3,5 mm und einer Dicke von 0,003 mm in ¹/&sub2; Lagen als erste
Isolierschicht um diesen gebündelten isolierten Leiter 52 gebildet wurde. Anordnen
einer Schicht, die durch Wickeln eines weißen PPS-Films mit einer Breite von 3,5 mm
und einer Dicke von 0/03 mm in ¹/&sub2; Lagen als zweite Isolierschicht 3b um diese erste
Isolierschicht 3a gebildet wurde, und Anordnen einer Schicht, die durch Wickeln eines
blauen PPS-Films mit einer Breite von 3,5 mm und einer Dicke von 0,3 mm in ¹/&sub2; Lagen
als dritte Isolierschicht 3c um die zweite Isolierschicht 3b gebildet wurde.
Bezugszeichen 3 in Fig. 2 stellt eine Isolierschicht dar. Jede Schicht in diesem mehrlagigen
isolierten Draht 64 könnte durch Zurückwickeln jedes Films von den anderen getrennt
werden.
Spannungsfestigkeitseigenschaften
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Die Ergebnisse der Spannungsfestigkeitstests für die mehrlagigen isolierten Drähte in
Ausführungsform 2-1, die durchgeführt wurde, um die Beziehung zwischen dem
Außendurchmesser des Drahts und den Spannungsfestigkeitseigenschaften unter
Verwendung von Proben mit den oben beschriebenen Schichten zu identifizieren, sind
in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 3
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(1) kennzeichnet ein Ergebnis der Durchbruchsspannung, die durch Wickeln jedes
Drahts (mit 15 Windungen) um einen Dorn mit einem Durchmesser von 10 mm
gemessen wird. Wie deutlich aus Tabelle 3 ersichtlich, konnte der isolierte Draht mit
dem oben beschriebenen Aufbau die gemäß IEC 950 vorgeschriebenen
Spannungsfestigkeitseigenschaften (3/75 kV, 1 Minute lang) erfüllen.
Temperaturanstiegsversuch in einem Transformator
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Ein Schalttransformator, bei dem ein dreilagiger isolierter Draht gemäß der
Ausführungsform 2-1 der vorliegenden Erfindung als Sekundärwicklung verwendet wurde, und ein
Schalttransformator, bei dem ein mit 0,038 mm Polyurethan beschichteter Kupferdraht
mit einem Durchmesser von 0,60 mm als Sekundärwicklung verwendet wurde, wurden
unter Verwendung der gleichen Teile und Komponenten für die anderen Abschnitte
hergestellt. Zum Testen eines Schalttransformators mit einer Schwingungsfrequenz von
50 kHz mittels eines Schaltnetzteils mit einer Leistung von 136 W wurden diese
Schalttransformatoren unter den Bedingungen einer Ausgangsspannung von 161 V und
eines Ausgangsstroms von 0,5 A betrieben und die Oberflächentemperatur der
Wicklung in Jedem Transformator mittels eines Thermistor-Thermometers gemessen.
Die Ergebnisse sind aus Tabelle 4 ersichtlich.
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Wie deutlich aus Tabelle 4 hervorgeht, war im Schalttransformator, in dem sich die
erfindungsgemäße mehrlagige Isolierung befand, die Temperatur um 7,5ºC niedriger als
im Transformator mit einem herkömmlichen Kupfereinzeldraht.
Tabelle 4
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Im erfindungsgemäßen mehrlagigen isolierten Draht kann ein gebündelter Leiter mit
rundem Querschnitt, der durch Bündeln einer Vielzahl an Magnetdrähten hergestellt
wird, verwendet werden, so daß die Wärmeabstrahlung aufgrund eines
Wirbelstromverlusts und eines äußeren Skineffekts im Leiter größtenteils unterdrückt werden kann;
aufgrund dieses Effekts ist es auch möglich, die Wärmeabstrahlung in einem
Hochfrequenzschalttransformator zu unterdrücken, was zur Verbesserung der
Schalteffizienz beitragen kann.