DE102008004342B3 - Arrangement with at least one electrical winding - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung (2), wobei Mittel (3, 4, 5) zur Ableitung der Wärme vorgesehen sind, die im Betriebsfall entsteht. Um die Verlustwärme effektiver abzuführen und dadurch insbesondere kleinere Anordnungen zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass ein Wärme absorbierendes Element (3), insbesondere als Absorberblock (3a), vorgesehen ist, das zur Ableitung der Wärme mit einem Wärmerohr (4) verbunden ist.The invention relates to an arrangement with at least one electrical winding (2), wherein means (3, 4, 5) are provided for dissipating the heat that arises during operation. In order to dissipate the heat loss more effectively and thereby enable in particular smaller arrangements, it is proposed that a heat-absorbing element (3), in particular as absorber block (3a) is provided, which is connected to a heat pipe (4) for dissipating the heat.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an arrangement with at least one electrical Winding according to the preamble of claim 1.

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.arrangements, which have at least one electrical winding are known. Belong to these in particular transformers and chokes whose windings of be worn or enclose a ferromagnetic core. At the Operation of these arrangements occur in the windings losses Form of heat on. additional heat loss occur as a result of magnetic reversals in the cores; take these with higher Frequency too. For chokes connected to the inverter on the output side arise due to the required high clock frequencies especially size Heat losses.

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.There the heat losses within the core determine the thermal behavior of the arrangement, one endeavors the heat losses in the winding as possible to keep small in order to create a balance.

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.A Reduction of heat loss within the core though by reducing the magnetic induction in the core achieve, albeit with the disadvantage that this with a reduction the rated power is connected.

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.Known it is, the heat loss by means of force-guided airflows dissipate. For this, the arrangement becomes frequent to enlarge the total surface in a housing shed what is elaborate and not always the desired Success delivers. A compulsorily led Airflow for cooling is always particularly difficult when it comes to targeted removal the heat loss goes. The use of closed fluid circuits (eg. B. water cycles) improves cooling usually clear, but also associated with considerable effort. In particular, the entire construction is expensive, often being It is also necessary to use special materials. Also, the liquid cooling system needs additionally being repaired. At chokes is usually aggressive ultrapure water required to prevent the formation of short-circuit windings.

Aus der WO 96/31888 A1 ist ein Wandler bekannt, in dem eine Platte und mehrere Wärmerohre zur Wärmeableitung vorgesehen sind. Die Wärmerohre liegen seitlich an der großen Seitenfläche einer Platte 50 an, welche als Wärmekollektor fungiert. Zur Isolation sind die Wicklung und der Kern vollständig in einem dielektrischen Harz eingebettet, so dass die Wärmeableitung jeweils über diese Isolationsschicht stattfindet.From the WO 96/31888 A1 a converter is known in which a plate and a plurality of heat pipes are provided for heat dissipation. The heat pipes bear on the side of the large side surface of a plate 50, which acts as a heat collector. For insulation, the winding and the core are completely embedded in a dielectric resin, so that the heat dissipation takes place in each case via this insulating layer.

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 einer Grundkühlplatte, welche von der Kühlflüssigkeit durchflossen wird.Furthermore, from the EP 1 641 003 A2 cooling a coil assembly of an electrical component known. The cooling has pipelines through which a cooling fluid circulates. The cooling tubes open into a base cooling plate, which is traversed by the cooling liquid.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Verlustwärme effektiver abzuführen und dadurch insbesondere kleinere Anordnungen zu ermöglichen.The The object of the invention is the heat loss more effectively dissipate and thereby enable in particular smaller arrangements.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen.The The object is solved by the features of claim 1; the under claims correspond to advantageous embodiments.

Die Lösung sieht vor, dass die Mittel einen Absorberblock umfassen, der zur Ableitung der Wärme mit dem Wärmerohr verbunden ist, dessen Ende in Wärmerohr-Längsrichtung auf den Absorberblock trifft und mit dem Absorberblock verbunden ist. Der Einsatz von Wärmerohren (Heat-Pipes) ist im Vergleich zu Wasser führenden Kreisläufen technisch relativ einfach einzusetzen.The solution provides that the means comprise an absorber block, which is used for Dissipation of heat with the heat pipe is connected, the end in heat pipe longitudinal direction hits the absorber block and connected to the absorber block is. The use of heat pipes (Heat pipes) is compared to water leading circuits technical relatively easy to use.

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.Advantageous it is when the heat absorbing elements in the region of the winding and / or, if the Winding is carried by a ferromagnetic core, in the area of the core are arranged.

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 Kühl platten 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.Around the required when using a heat pipe to reach low temperature level, it is suggested that the other end of the heat pipe with one for cooling of liquid perfused cooling plate connected is. Such cooling plates are also referred to as cold plates. Because the cooling plates combined with a heat pipe can be operated with normal industrial water, eliminating the known Problems regarding pressure drop to be maintained, available or required Flow rates, water quality, etc. The solution with the cooling plate can be relatively freely dimensioned, if sufficient cooling capacity for disposal stands. In appropriate local conditions can for cooling of course, also the cooling plate an air flow can be used, but with the disadvantage that then another targeted heat conduction not possible anymore is.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft beschrieben. Es zeigen:The Invention will be described below by way of example. Show it:

1 eine Anordnung mit zwischen Wicklung und Kern angeordnetem wärme absorbierendem Element, 1 an arrangement with winding-core disposed heat-absorbing element,

2 eine Anordnung mit im Kern angeordnetem wärme absorbierenden Element und 2 an arrangement with core arranged heat absorbing element and

3 das wärme absorbierende Element mit Wärmerohr und Kühlplatte gemäß den 1 und 2. 3 the heat-absorbing element with heat pipe and cooling plate according to 1 and 2 ,

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. 1 shows an arrangement with a throttle 1 that has an electrical winding 2 on a ferromagnetic core 2a having, wherein the core 2a is enclosed by the winding. The winding 2 belongs here to an electric throttle 1 but may also be the winding of a transformer and the like.

Zwischen Wicklung 2 und Kern 2a ist ein wärme absorbierendes Element 3 in Form eines Absorberblocks 3a angeordnet. Dabei ist das Element 3 an ein Ende 4a eines Wärmerohrs 4 angeschlossen, d. h. thermisch leitend mit dem Element 3 verbun den. 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.Between winding 2 and core 2a is a heat-absorbing element 3 in the form of an absorber block 3a arranged. Here is the element 3 to an end 4a a heat pipe 4 connected, ie thermally conductive with the element 3 connected. The other end 4b of the heat pipe 4 is with a cooling plate 5 (Cold Plate) connected, which is flowed through for cooling by a liquid, not shown.

In 2 ist eine gegenüber 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.In 2 is one opposite 1 alternative embodiment shown. In this is the heat-absorbing element 3 , which is also designed here as an absorber block, within the core 2a and with this together inside the winding 2 ,

In 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.In 3 this is as an absorber block 3a formed heat-absorbing element 3 without the winding 2 and the core 2a to see, connected to the heat pipe 4 and via this thermally connected to the cooling plate 5 ,

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 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.In the operation of the device generates the by the electric winding 2 the throttle 1 flowing electricity a magnetic field. The heat loss is caused by the current flow in the winding 2 as well as the permanent re-magnetizations in the core 2a , The plate 5 is cooled by liquid so that between the two ends 4a . 4b of the heat pipe 4 a sufficient temperature difference is present. This causes the heat by means of the heat pipe 4 from the heat-absorbing element 3a each to the plate 5 is transported. The element cools down 3a as long as accordingly, until the absorbed amount of heat equal to that of the heat pipe 4 dissipated amount of heat. In 1 will be in the winding 2 resulting heat from the one (upper) side and the core 2a from the other (lower) side of the element 3 taken and over the heat pipe 4 dissipated.

In 2 erfolgt die Wärmeabfuhr vorzugsweise nur aus dem Kern 2a.In 2 the heat removal is preferably only from the core 2a ,

Die Kühlplatte 5 sorgt jeweils für das erforderliche niedrige Temperatur-Niveau, das für die Wärmeabfuhr mittels Wärmerohr 4 erforderlich ist.The cooling plate 5 each ensures the required low temperature level, which is responsible for the heat dissipation by means of heat pipe 4 is required.

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.The use of the heat pipe 4 in conjunction with heat-absorbing elements 3 in the form of absorber blocks 3a can be used specifically in critical areas. This is the case, for example, with output reactors with a high proportion of core losses directly in the center of the core 2a (of the core package) required for high-current coils directly in the area between the individual windings or winding layers, but also in the area between winding 2 and core 2a ,

Claims (9)

Anordnung mit mindestens einer elektrischen Wicklung (2), in der Mittel (3, 4, 5) zur Ableitung der im Betriebsfall entstehenden Wärme vorgesehen sind, wobei die Wärmeableitung mittels eines Wärmerohrs (4) erfolgt, 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 Wärmerohr-Längsrichtung auf den Absorberblock (3a) trifft und mit dem Absorberblock (3a) verbunden ist.Arrangement with at least one electrical winding ( 2 ), in the middle ( 3 . 4 . 5 ) are provided for the derivation of the heat generated during operation, wherein the heat dissipation by means of a heat pipe ( 4 ), characterized in that the means ( 3 . 4 . 5 ) further an absorber block ( 3a ), which is used to dissipate the heat with the heat pipe ( 4 ) whose end in heat pipe longitudinal direction on the absorber block ( 3a ) and with the absorber block ( 3a ) connected is. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberblock (3a) im Bereich der Wicklung (2) angeordnet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the absorber block ( 3a ) in the area of the winding ( 2 ) is arranged. 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.Arrangement according to claim 1, characterized in that the absorber block ( 3a ) in the region of the ferromagnetic core ( 2a ) or in the region between the ferromagnetic core ( 2a ) and the winding ( 2 ) is arranged when the winding ( 2 ) from the core ( 2a ) will be carried. 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.Arrangement according to claim 1-3, characterized in that it is at the core ( 2 ) is an EI cut or UI cut or 3UI cut. Anordnung nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Kern (2) um einen Schnitt mit unterschiedlichen Proportionen handelt.Arrangement according to claim 1-4, characterized in that it is at the core ( 2 ) is a cut with different proportions. Anordnung nach Anspruch 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung für einphasigen oder mehrphasigen Betrieb vorgesehen ist.Arrangement according to claims 1-5, characterized that the arrangement for one-phase or multi-phase operation is provided. 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.Arrangement according to claims 1-6, characterized in that it is in the ferromagnetic material of the core ( 2 ) is dynamo sheet or ferrite material or sintered metal or powder composite material. Anordnung nach Anspruch 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der die Wicklung (2) tragende Kern (2a) mit durch Luftspalten unterteilten Schenkeln aufgebaut ist.Arrangement according to claims 1-7, characterized in that the winding ( 2 ) core ( 2a ) is constructed with subdivided by air gaps legs. 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.Arrangement according to claims 1-8, characterized in that the other end ( 4b ) of the heat pipe ( 4 ) with a cooling plate for cooling liquid flow through ( 5 ) connected is.
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