DE10164090A1

DE10164090A1 - Choke and transformer device has cooling gap for carrying heat from inner region of choke and transformer to outside region

Info

Publication number: DE10164090A1
Application number: DE2001164090
Authority: DE
Inventors: Traugott Funk
Original assignee: Netec AG
Current assignee: Cont-T Ekfr 51429 Bergisch Gladbach De
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2002-08-08

Abstract

The device comprises a coil and a core (1) that amplifies the effect of the magnetic field lines. The core is divided, with division planes lying parallel to the magnetic field lines. At least one cooling gap (5) is provided in the division planes for carrying heat from the inner region of the choke and transformer device to the outside.

Description

Die Erfindung betrifft elektro-magnetische Drossel- und Trans formationseinrichtungen, bestehend aus Spule und Kern, der die Wirkung der magnetischen Feldlinien verstärkt.The invention relates to electromagnetic throttle and trans formation devices, consisting of coil and core, which the Effect of the magnetic field lines intensified.

Zur Strom- und Spannungswandlung sowie zur Speicherung elekt rischer Energie werden in der Elektrotechnik u. a. Stromwand ler, Spannungswandler und Drosseln eingesetzt. Besonders leis tungsfähige Transformationseinrichtungen bestehen aus mehreren Spulen und aus einem metallischen oder ferromagnetischen Kern, der die Spulen magnetisch miteinander koppelt und hierdurch gestattet, aus einem Netz mit gegebener Wechselspannung elekt rische Leistung über das gemeinsame Wechselfeld auf einen Stromkreis mit anderer Spannung zu übertragen. Die dabei auf tretenden Verluste werden als "Kupferverluste" der Spule oder als "Kernverluste" bezeichnet und führen zu einer Erwärmung des gesamten Bauteiles.For current and voltage conversion and for storing elect rischer energy in electrical engineering u. a. current wall voltage converter and chokes. Particularly quiet transformable facilities consist of several Coils and of a metallic or ferromagnetic core, which magnetically couples the coils together and thereby allowed to elect from a network with a given AC voltage performance over the common alternating field on one Transfer circuit with a different voltage. The on occurring losses are called "copper losses" of the coil or referred to as "core losses" and lead to warming of the entire component.

Da die Wärmeverteilung in den Spulen meistens inhomogen ist, können in bestimmten Bereichen der Drossel- und Transformati onseinrichtung höhere Temperaturen, sogenannte "hot-spots", auftreten. Unter ungünstigen Umständen können sich die hot spots überlagern, so dass es zu unzulässig hohen Betriebstem peraturen kommt. Dabei entstehen thermisch gefährdete Berei che, z. B. bei sogenannten E-Kernen im Bereich des Kernmittel jochs bzw. im Innern der Spulenwickel, die zu Aufschmelzungen oder Anschmelzungen der Wickelungen bzw. Isolierungen führen können.Since the heat distribution in the coils is mostly inhomogeneous, can in certain areas of choke and transformi onseinrichtung higher temperatures, so-called "hot spots", occur. Under unfavorable circumstances, the hot overlap spots so that it leads to impermissibly high operating temperatures temperatures come. This creates thermally endangered areas che, e.g. B. in so-called E-cores in the area of the core agent yokes or inside the coil winding, which leads to melting or melt the windings or insulation can.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Leistungsaus beute bei elektromagnetischen Drossel- und Transformations einrichtungen zu verbessern und die Leistungsdichte durch Ver ringerung der Bauteilabmessungen zu vergrößern, wobei eine gleichmäßige Temperaturverteilung erzielt und das Auftreten von hot-spots vermieden werden soll.The object of the present invention is the power output loot with electromagnetic throttling and transformation to improve facilities and the power density by Ver decrease in component dimensions, with a uniform temperature distribution achieved and the occurrence hot spots should be avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentan sprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, daß durch eine Teilung des Kerns parallel zu den magnetischen Flusslinien die Wärme aus dem Innern der Drossel- und Trans formationseinrichtung besser abgeführt werden kann. Eine be sonders intensive Kühlung kann durch eine Flüssigkeitskühlung im Bereich des von einem hot-spot erwärmten, geteilten Kerns erreicht werden. Vorzugsweise werden in diesem Bereich des ge teilten Kerns mehrere Kühlspalte eingeformt, wobei durch eine Konvektionskühlung oder durch einen intensiven Kühlmittelstrom ein Temperaturausgleich zwischen den kälteren und heißeren Be reichen erzielt wird.This object is achieved by the in the patent characteristics specified resolved. It has been shown that by dividing the core parallel to the magnetic Flow lines the heat from inside the throttle and trans formation device can be better discharged. A be particularly intensive cooling can be achieved by liquid cooling in the area of the split core heated by a hot spot can be achieved. Preferably in this area of ge divided core formed several cooling gaps, with one Convection cooling or through an intense coolant flow a temperature balance between the colder and hotter be is achieved.

Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungs beispiele näher erläutert. Es zeigenThe invention is based on several embodiments examples explained in more detail. Show it

Fig. 1.1-1.4 Querschnitte durch einstellbare Luft- bzw. Kühlspalte von Transformationseinrichtungen mit E-Kern und Doppel-E-Kern; Fig. 1.1-1.4 Cross sections through adjustable air or cooling gaps of transformation devices with E-core and double E-core;

Fig. 2 Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausge bildete Transformationseinrichtung; Fig. 2 is a cross-section through the present invention been made transform means;

Fig. 3 Schnitt entlang BB von Fig. 2; Fig. 3 section along BB of Fig. 2;

Fig. 4 Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Transfor mationseinheit mit Doppel-E-Kern; Fig. 4 side view of a transformation unit according to the invention with double E core;

Fig. 5 Schnitt entlang C-C gemäß Fig. 4; Fig. 5 is sectional view taken along CC of FIG. 4;

Fig. 6 Temperaturentwicklung und -verteilung einer Drossel in Abhängigkeit von der Kernbreite bei ein, zwei und drei Kühlspaltanordnungen; Fig. 6 temperature development and distribution of a throttle as a function of the core width at one, two and three cooling gap assemblies;

Aus Fig. 1 ist die Anordnung der Luft- bzw. Kühlspalte bei erfindungsgemäßen Drossel- und Transformationseinrichtungen mit Kernen in E-Form und Doppel E-Form erkennbar. Über Dis tanzstücke 3 ist die Spaltbreite einstellbar. In Fig. 1.1-1.3 ist der Kern in der Bildebene und senkrecht zur Bildebene ge teilt, wobei die Wärmeabfuhr durch den Spalt 5 bzw. durch die Teilungsebenen erfolgt.From FIG. 1, the arrangement of the air or cooling gaps in the invention throttle and transformation means with nuclei in E-shape and a double-E shape is visible. The gap width can be adjusted via distance pieces 3 . In Fig. 1.1-1.3 the core is divided in the image plane and perpendicular to the image plane, the heat being dissipated through the gap 5 or through the parting planes.

Wie eingangs erläutert, besteht in der Mitte des Kerns und im Innern der Spule Überhitzungsgefahr, hervorgerufen durch die Verlustleistung (Kupferverluste und Kernverluste). Über die Distanzstücke 3 kann der Kühlspalt nun so reguliert werden, daß ein Temperaturausgleich durch Konvektionskühlung erfolgt. Die Distanzstücke können als separate Teile oder in einem Stück für mehrere Spalte geformt werden. Sie können auch als Teil des oder der Kerne ausgebildet sein, wodurch sich eine breite Palette an Kühlspaltformen ergibt.As explained at the beginning, there is a risk of overheating in the center of the core and inside the coil, caused by the power loss (copper losses and core losses). The cooling gap can now be regulated via the spacers 3 in such a way that temperature compensation takes place by convection cooling. The spacers can be formed as separate parts or in one piece for multiple gaps. They can also be designed as part of the core or cores, which results in a wide range of cooling gap shapes.

Aus Fig. 2 und 3 ist erkennbar, dass zusätzlich im Bereich des Kühlspaltes ein Kühlfinger 4a angeordnet ist, der mit dem Kühlkörper 4 in Verbindung steht. Hierdurch ergibt sich ein intensiver Kühlmittelstrom in das Innere des Kerns, gebildet durch die beiden dargestellten Abschnitte 1a und 1b zweier E-förmiger Kernhälften. Die zugehörigen E-förmigen Kernhälften 1c, 1d sind in diesen Schnittdarstellungen nicht erkennbar. Durch den Kühlkörper 4 wird somit im Bereich der höchsten zu erwartenden Erwärmung intensiv gekühlt und dadurch die Bela stungsgrenze stärker ausgenutzt als bei einem durchgehenden, ungeteilten Kern ohne Kühlspalt. Gleichzeitig wird die Erwär mung von benachbarten Bauteilen reduziert und dadurch die Ko stenbelastung für Wärmeabschirmmaßnahmen etc. verringert. So mit kann auch die Bauteilabmessung um ca. 20% verringert wer den.From FIGS. 2 and 3 it can be seen that a cooling finger 4 a is also arranged in the area of the cooling gap and is connected to the cooling body 4 . This results in an intensive coolant flow into the interior of the core, formed by the two sections 1 a and 1 b of two E-shaped core halves shown. The associated E-shaped core halves 1 c, 1 d cannot be seen in these sectional representations. Through the heat sink 4 is thus intensively cooled in the area of the highest expected warming and thereby the load limit is more utilized than in a continuous, undivided core without a cooling gap. At the same time, the heating of neighboring components is reduced, thereby reducing the cost of heat shielding measures, etc. The component size can also be reduced by approx. 20%.

Die Seitenansichten von Fig. 4 und Fig. 5 zeigen die erfin dungsgemäße Drossel- und Transformationseinrichtung mit außen liegendem Kühlkörper 4. Der Kühlkörper 4 besteht aus einem nicht-magnetischen Material hoher Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Aluminium oder Aluminiumlegierungen. Er sorgt dafür, dass die im Inneren aus Verlustleistungen entstehende Wärme nach Außen abgeführt wird. Um dies zu beschleunigen, können die Oberflä chen der Kühlkörper 4 besonders gestaltet werden, z. B. durch Kühlrippen etc.. Es ist auch möglich, die Wärme über eine Kon taktzone eines Gehäuseteiles der Transformationseinrichtung (nicht dargestellt) nach Außen abzuleiten.The side views of Figs. 4 and Fig. 5 show the dung OF INVENTION proper throttling and transformation means with an external heat sink 4. The heat sink 4 consists of a non-magnetic material with high thermal conductivity such. B. aluminum or aluminum alloys. It ensures that the heat generated inside from heat losses is dissipated to the outside. In order to accelerate this, the surface of the heat sink 4 can be specially designed, for. B. by cooling fins etc. It is also possible to dissipate the heat via a contact zone Kon a housing part of the transformation device (not shown) to the outside.

Vergleichsmessungen haben ergeben, daß sich die Lebensdauer der optimal gekühlten Drossel- und Transformationseinrichtun gen etwa verdoppelt. Dieses gilt insbesondere bei hochbelaste ten Transformationseinrichtungen, wie z. B. bei Leistungstrans formatoren oder Mehrphasentransformatoren. Comparative measurements have shown that the service life the optimally cooled throttle and transformation device gene approximately doubled. This applies in particular to high loads th transformation facilities such. B. in power trans transformers or multiphase transformers.

Für den allgemeinen Fall einer Drossel- oder Transformations einrichtung mit n Spalten lässt sich der Einfluss der Kühl spalte auf die Bauteiltemperatur T_B wie folgt überschlägig be rechnen:
Die Anzahl der Temperatursenken S entspricht der Anzahl n der Kühlspalte. Die mittlere Bauteiltemperatur T_M zwischen den Kernteilen ist dann umgekehrt proportional zur Anzahl n und Breite B der Kühlspalte.
In the general case of a throttling or transformation device with n gaps, the influence of the cooling gaps on the component temperature T _B can be roughly calculated as follows:
The number of temperature sinks S corresponds to the number n of cooling gaps. The average component temperature T _M between the core parts is then inversely proportional to the number n and width B of the cooling gaps.

T_M = (n.B)^-1.T_B T _M = (nB) ^-1 .T _B

Die Zusammenhänge sind anhand von Fig. 6 schematisch erläu tert. Es werden drei Temperaturverläufe für jeweils drei ver schiedene Kerngeometrien angegeben. Im ersten Fall handelt es sich um einen ungeteilten Kern mit einem typischen Temperatur verlauf, dessen Maximum in der Kernmitte liegt (Fig. 6.1).The interrelationships are schematically explained with reference to FIG. 6. Three temperature profiles are given for three different core geometries each. In the first case there is an undivided core of a typical temperature profile whose maximum is located (Fig. 6.1) in the core center.

Im zweiten Fall (Fig. 6.2) handelt es sich um einen geteilten Kern mit einem Spalt etwa in der geometrischen Mitte des Kerns. Dies führt zu einer Temperatursenke S1 im Mittelbereich des Kerns und zwei benachbarten Temperaturextremwerten f|| max, die jedoch im Vergleich zum ersten Fall f| max abgeschwächt sind.In the second case ( Fig. 6.2) it is a split core with a gap approximately in the geometric center of the core. This leads to a temperature sink S1 in the central region of the core and two adjacent temperature extreme values f || max, which, however, compared to the first case f | max are weakened.

Im dritten Fall besteht der Kern (gemäß Fig. 3.3) aus vier Tei len, die jeweils durch einen Kühlspalt voneinander getrennt sind. Demzufolge sind auch drei Temperatursenken S2-S4 vorhan den, die zu einem ausgeglicheneren Temperaturverlauf f||| max führen. Man erkennt, daß in Abhängigkeit von der Anzahl der gekühlten Kernspalte das Temperaturniveau im Kern abge senkt und die Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Kern bereichen deutlich herabgesetzt wird.In the third case, the core (according to Fig. 3.3) consists of four parts, each separated by a cooling gap. As a result, there are also three temperature sinks S2-S4, which lead to a more even temperature curve f ||| max lead. It can be seen that, depending on the number of cooled core gaps, the temperature level in the core is lowered and the temperature difference between the individual core areas is significantly reduced.

Claims

1. throttle and transformation device, consisting of coil ( 2 ) and core ( 1 ), which enhances the effect of the magnetic field lines, characterized in that the core ( 1 ) is divided, the division planes ver parallel to the magnetic field lines substantially run, and that there is at least one cooling gap ( 5 ) in the parting planes, which is guided for heat dissipation from the inner region of the throttle and transformation device into the outer region.

2. Throttle and transformation device according to claim 1, characterized in that the core is designed as a multi-part iron body and the core parts are kept at a distance by means of spacers ( 3 ) to form a variably adjustable cooling gap.

3. Throttle and transformation device according to one of the preceding claims, characterized in that one or more cooling bodies ( 4 ) are used in the cooling gap ( 5 ).

4. throttle and transformation means according to any one of the preceding claims, characterized in that the cooling body (4) comprises one or more cold finger (4 a).

5. Throttle and transformation device according to one of the preceding claims, characterized in that each heat sink ( 4 ) or cooling finger ( 4 a) from the group of non-magnetic materials high thermal conductivity ability namely aluminum or other light metal alloys is selected.

6. Throttle and transformation device according to one of the preceding claims, characterized in that convection cooling takes place in the cooling gap ( 5 ).

7. Throttle and transformation device according to one of the preceding claims, characterized in that the core ( 1 ) from at least two E-shaped, opposing sections ( 1 a, 1 c) or. ( 1 b, 1 d) is composed.

8. Throttle and transformation device according to one of the preceding claims, characterized in that the E-shaped sections ( 1 a, 1 c) or ( 1 b, 1 d) each have a core center yoke ( 6 ), in the division plane of which cooling gaps ( 5 ) are arranged.