[0001] Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
[0002] Anordnungen, die mindestens eine elektrische Wicklung aufweisen, sind bekannt. Zu
diesen gehören insbesondere Transformatoren und Drosseln, deren Wicklungen von einem
ferromagnetischen Kern getragen werden bzw. diesen umschließen. Beim Betrieb dieser
Anordnungen treten in den Wicklungen Verluste in Form von Wärme auf. Zusätzliche Wärmeverluste
treten infolge von Ummagnetisierungen in den Kernen auf; diese nehmen mit höherer
Frequenz zu. Bei ausgangsseitig an Umrichter angeschlossenen Drosseln entstehen aufgrund
der erforderlichen hohen Taktfrequenzen besonders große Wärmeverluste.
[0003] Da die Wärmeverluste innerhalb des Kerns maßgeblich das thermische Verhalten der
Anordnung bestimmen, ist man bestrebt, die Wärmeverluste in der Wicklung möglichst
klein zu halten, um einen entsprechenden Ausgleich zu schaffen.
[0004] Eine Reduzierung der Wärmeverluste innerhalb des Kerns lässt sich zwar durch Verringerung
der magnetischen Induktion im Kern erreichen, allerdings mit dem Nachteil, dass dies
mit einer Verringerung der Nennleistung verbunden ist.
[0005] Bekannt ist es, die Verlustwärme mittels zwangsgeführte Luftströme abzuführen. Dazu
wird die Anordnung häufig zur Vergrößerung der Gesamtoberfläche in einem Gehäuse vergossen,
was aufwendig ist und nicht immer den gewünschten Erfolg liefert. Ein zwangsgeführter
Luftstrom zur Kühlung ist immer dann besonders schwierig, wenn es um den gezielten
Abtransport der Verlustwärme geht. Die Verwendung von geschlossenen Flüssigkeitskreisläufen
(z.B. Wasserkreisläufe) verbessert die Kühlung in der Regel deutlich, ist aber auch
mit erheblichem Aufwand verbunden. Insbesondere ist die gesamte Konstruktion aufwendig,
wobei es oft auch noch erforderlich ist, spezielle Materialien zu verwenden. Auch
muss das Flüssigkeitskühlsystem zusätzlich gewartet werden. Dabei ist bei Drosseln
meist aggressives Reinstwasser erforderlich, um die Entstehung von Kurzschlusswindungen
zu verhindern.
[0006] Aus der
WO 96/31888 A1 ist ein Wandler bekannt, in dem zur Wärmeableitung eine Platte und mehrere Wärmerohre
vorgesehen sind. Die Wärmerohre liegen mit ihrer seitlichen Umfangsfläche an der Platte
50 an, welche als Wärmekollektor fungiert, dessen große Seitenfläche mit den seitlich
anliegenden Wärmerohren sich in Wärmekontakt befindet. Zur Isolation sind die Wicklung
und der Kern vollständig von einem dielektrischen Harz umgeben. Entsprechend findet
die Wärmeableitung über diese Isolationsschicht statt.
[0007] Ferner ist aus der
EP 1 641 003 A2 eine Kühlung einer Spulenanordnung einer elektrischen Komponente bekannt. Die Kühlung
weist Rohrleitungen auf, durch welche eine Kühlflüssigkeit zirkuliert. Die Kühlrohre
münden in eine Grundkühlplatte, welche von der Kühlflüssigkeit durchflossen wird.
[0008] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verlustwärme effektiver abzuführen und
dadurch insbesondere kleinere Anordnungen zu ermöglichen.
[0009] Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche entsprechen
vorteilhaften Ausgestaltungen.
[0010] Die Lösung sieht vor, dass die Mittel weiter einen Absorberblock umfassen, der zur
Ableitung der Wärme mit dem Wärmerohr (Heat-Pipe) verbunden ist, dessen Ende in dem
Absorberblock mündet. Der Einsatz von Wärmerohren ist im Vergleich zu wasserführenden
Kreisläufen technisch relativ einfach einzusetzen.
[0011] Vorteilhaft ist es, wenn die wärme absorbierenden Elemente im Bereich der Wicklung
und/oder, wenn die Wicklung von einem ferromagnetischen Kern getragen wird, im Bereich
des Kerns angeordnet sind.
[0012] Um das bei Verwendung eines Wärmerohrs erforderliche niedrige Temperaturniveau zu
erreichen, wird vorgeschlagen, dass das andere Ende des Wärmerohrs mit einer zur Kühlung
von Flüssigkeit durchströmten Kühlplatte verbunden ist. Derartige Kühlplatten werden
auch als Cold Plates bezeichnet. Da die Kühlplatten kombiniert mit einem Wärmerohr
mit normalem Industriewasser betrieben werden können, entfallen die bekannten Probleme
hinsichtlich einzuhaltendem Druckabfall, verfügbaren oder erforderlichen Durchflussmengen,
Wasserqualität usw. Die Lösung mit der Kühlplatte kann relativ frei dimensioniert
werden, wenn ausreichend Kühlleistung zur Verfügung steht. Bei entsprechenden örtlichen
Gegebenheiten kann zur Kühlung der Kühlplatte selbstverständlich auch ein Luftstrom
verwendet werden, allerdings mit dem Nachteil, dass dann eine weitere gezielte Wärmeleitung
nicht mehr möglich ist.
[0013] Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1
- eine Anordnung mit zwischen Wicklung und Kern angeordnetem wärme absorbierendem Element,
- Figur 2
- eine Anordnung mit im Kern angeordnetem wärme absorbierenden Element und
- Figur 3
- das wärme absorbierende Element mit Wärmerohr und Kühlplatte gemäß den Figuren 1 und
2.
[0014] Figur 1 zeigt eine Anordnung mit einer Drossel 1, die eine elektrische Wicklung 2
auf einem ferromagnetischen Kern 2a aufweist, wobei der Kern 2a von der Wicklung umschlossen
wird. Die Wicklung 2 gehört hier zu einer elektrischen Drossel 1, kann aber auch die
Wicklung eines Transformators und dergleichen sein.
[0015] Zwischen Wicklung 2 und Kern 2a ist ein wärme absorbierendes Element 3 in Form eines
Absorberblocks 3a angeordnet. Dabei ist der Absorberblock 3a an ein Ende 4a eines
Wärmerohrs 4 angeschlossen, dessen Ende sich (in Längsrichtung des Wärmerohrs 4) in
den Absorberblock 3a hinein erstreckt bzw. in dem Absorberblock 3a mündet, d.h. thermisch
leitend mit dem Absorberblock 3a verbunden ist. Das andere Ende 4b des Wärmerohrs
4 ist mit einer Kühlplatte 5 (sogenannte Cold Plate) verbunden, welche zur Kühlung
von einer nicht gezeigten Flüssigkeit durchströmt wird.
[0016] In Figur 2 ist eine gegenüber Figur 1 alternative Ausführungsform gezeigt. Bei dieser
befindet sich das wärme absorbierende Element 3, das hier ebenfalls als Absorberblock
ausgebildet ist, innerhalb des Kerns 2a und mit diesem zusammen innerhalb der Wicklung
2.
[0017] In Figur 3 ist das als Absorberblock 3a ausgebildete wärme absorbierende Element
3 ohne die Wicklung 2 und den Kern 2a zu sehen, angeschlossen an das Wärmerohr 4 und
über dieses thermisch verbunden mit der Kühlplatte 5.
[0018] Beim Betrieb der Anordnung erzeugt der durch die elektrische Wicklung 2 der Drossel
1 fließende Strom ein Magnetfeld. Die Verlustwärme entsteht durch den Stromfluss in
der Wicklung 2 sowie durch die ständigen Ummagnetisierungen im Kern 2a. Die Platte
5 wird mittels Flüssigkeit so gekühlt, dass zwischen den beiden Enden 4a, 4b des Wärmerohrs
4 eine ausreichende Temperaturdifferenz vorhanden ist. Diese bewirkt, dass die Wärme
mittels des Wärmerohrs 4 vom wärme absorbierenden Element 3a jeweils zur Platte 5
transportiert wird. Dabei kühlt sich das Element 3a solange entsprechend ab, bis die
absorbierte Wärmemenge gleich der vom Wärmerohrs 4 abgeführten Wärmemenge ist. In
Figur 1 wird die in der Wicklung 2 entstehende Wärme von der einen (oberen) Seite
und die des Kerns 2a von der anderen (unteren) Seite des Elements 3 aufgenommen und
über das Wärmerohr 4 abgeführt.
[0019] In Figur 2 erfolgt die Wärmeabfuhr vorzugsweise nur aus dem Kern 2a.
[0020] Die Kühlplatte 5 sorgt jeweils für das erforderliche niedrige Temperatur-Niveau,
das für die Wärmeabfuhr mittels Wärmerohr 4 erforderlich ist.
[0021] Der Einsatz des Wärmerohrs 4 in Verbindung mit wärme absorbierenden Elementen 3 in
Form von Absorberblöcken 3a lässt sich gezielt an kritischen Stellen einsetzen. Dies
ist beispielsweise bei Ausgangsdrosseln mit hohem Anteil an Kernverlusten direkt im
Zentrum des Kerns 2a (des Kernpakets) erforderlich, bei Hochstrom-Spulen direkt im
Bereich zwischen den einzelnen Windungen oder Wicklungslagen, aber auch im Bereich
zwischen Wicklung 2 und Kern 2a.
1. Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung (2), wobei Mittel (3, 4, 5) zur
Ableitung der im Betriebsfall entstehenden Wärme vorgesehen sind, welche ein Wärmerohr
(4) umfassen
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mittel (3, 4, 5) weiter einen Absorberblock (3a) umfassen, der zur Ableitung
der Wärme mit dem Wärmerohr (4) verbunden ist, dessen Ende in dem Absorberblock (3a)
mündet.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Absorberblock (3a) im Bereich der Wicklung (2) angeordnet ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Absorberblock (3a) im Bereich des ferromagnetischen Kerns (2a) oder im Bereich
zwischen dem ferromagnetischen Kern (2a) und der Wicklung (2) angeordnet ist, wenn
die Wicklung (2) vom Kern (2a) getragen wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Kern (2) um einen EI-Schnitt oder UI-Schnitt oder 3UI-Schnitt handelt.
5. Anordnung nach Anspruch 1 - 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Kern (2) um einen Schnitt mit unterschiedlichen Proportionen handelt.
6. Anordnung nach Anspruch 1 - 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Anordnung für einphasigen oder mehrphasigen Betrieb vorgesehen ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1 - 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem ferromagnetischen Material des Kerns (2) um Dynamoblech oder Ferritmaterial
oder Sintermetall oder Pulververbundwerkstoff handelt.
8. Anordnung nach Anspruch 1 - 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der die Wicklung (2) tragende Kern (2a) mit durch Luftspalten unterteilten Schenkeln
aufgebaut ist.
9. Anordnung nach Anspruch 1 - 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass das andere Ende (4b) des Wärmerohrs (4) mit einer zur Kühlung von Flüssigkeit durchströmten
Kühlplatte (5) verbunden ist.