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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper für eine Drossel oder einen Transformator, wobei
der Kühlkörper eine
Kühlkontaktseite
zur Wärmeankopplung
an einen Kern der Drossel oder des Transformators aufweist, sowie
eine Drossel und einen Transformator mit einem derartigen Kühlkörper.
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Ein
wichtiges Kriterium zur Leistungsfähigkeit beispielsweise einer
elektromagnetischen Drossel (oder eines Transformators) stellt die
Abfuhr der beim Betrieb entstehenden Verlustleistung dar. Die Verlustleistung
ergibt sich durch Hysterese- und Wirbelstromverluste im Eisenblech
des Kerns der Drossel, aber auch durch Wicklungsverluste und Wirbelstromverluste
(Zusatzverluste) im Wickelgut. Über Konvektion
und Strahlung wird die Verlustleistung dabei in Form von Wärme an die
Umgebung abgegeben, die hierdurch stark aufgeheizt werden kann. Eine
Erhöhung
der Umgebungstemperatur führt
dabei im Allgemeinen zu einer Erhöhung der thermischen Beanspruchung
und Belastung für
die Drossel selbst, was auch für
benachbarte Gerätschaften
gilt. Zudem drohen bei einer erhöhten
Umgebungstemperatur höhere
Verluste, sowie eine beschleunigte Alterung. Es kann zum Ausfall
der Drossel oder benachbarter Komponenten kommen. Hinzu kommt, dass
mit einer deutlichen Erhöhung
der Umgebungstemperatur eine Erhöhung
der Brandgefahr einhergehen kann.
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Ein
bekannter Ansatz, um eine gewünschte Kühlung von
Drosseln oder Transformatoren zu erzielen, besteht darin, diese
mit umlaufenden Luftkanälen
zwischen den Wicklungslagen versehen, durch die ein Luftstrom hindurchfließen kann. Über eine Zwangsbelüftung kann
die Konvektion dabei erhöht und
eine Kühlung
der Drossel oder des Transformators erreicht werden.
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Das
Einbringen von Luftkanälen
erhöht
aber zwangsläufig
den Radius der Wicklung, so dass mehr Wickelgut benötigt wird,
um eine bestimmte Anzahl an Windungen in der Drossel bzw. dem Transformator
realisieren zu können.
Hierdurch steigt wiederum der Ohmsche Widerstand an, so dass zusätzliche Verluste
entstehen. Des Weiteren erhöhen
sich die Baukosten durch den größeren Materialbedarf,
das erhöhte
Gesamtgewicht sowie die größeren Abmessungen
der Drossel. Ein weiterer Nachteil bleibt bei der luftgekühlten Drossel
ungelöst:
die Verlustleistung wird nach wie vor durch den Luftstrom an die
direkte Umgebung abgegeben. Mit dem direkten Kontakt mit Umgebungsluft
ergeben sich schließlich
auch Korrosions- und Betriebsbeständigkeitsprobleme, wenn mit
der zur Kühlung
verwendeten Luft Feuchtigkeit oder Schmutzpartikel eingebracht werden
oder die Luft salz- oder säurehaltig
ist.
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Mit
einem weiteren bekannten Ansatz, der Flüssigkeitskühlung, könne die mit der Luftkühlung verbundenen
Probleme teilweise umgangen oder gemindert werden. Eine durch die
Drossel fließende Kühlflüssigkeit
transportiert die hier entstehende Verlustleistung aus der Drossel
heraus und beispielsweise über
eine Schlauchverbindung zu einem Wärmetauschersystem, wo die Wärme gezielt
und kontrolliert in eine unkritische Umgebung abgegeben werden kann.
Entsprechendes gilt auch für
Transformatoren
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Da
Kühlflüssigkeiten,
wie z. B. Wasser oder Wasser-Glykol-Ethylen-Mischungen im Vergleich
zu eine wesentlich höhere
Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit
haben, kann eine beträchtlich
höhere Wärmeenergiemenge über eine
Flüssigkeitskühlung abgeführt werden.
Dieses ermöglicht
eine höhere Beanspruchung
der Drosselkomponenten. Da eine höhere Verlustleistung abtransportiert
werden kann, kann zudem beispielsweise der Eisenblechkern der Drossel
wesentlich kompakter ausgelegt werden, woraus eine höhere magnetische
Flussdichte resultiert, die jedoch auch zu höheren Ummagnetisierungsverlusten
führen
kann. Hierbei kann allerdings eine enorme Materialmenge eingespart
und die Abmessungen und das Gewicht der Drossel stark reduziert
werden.
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Die
Anbindung der Flüssigkeitskühlung an die
Drossel bzw. den Transformator wird in der Regel über Rohre
und/oder Bohrungen bewerkstelligt, die durch massive Metallkörper hindurch
laufen. Da Metalle eine sehr gute thermische Leitfähigkeit
und eine hohe Wärmekapazität besitzen,
stellen sie eine bevorzugte Ankopplung zu anderen Komponenten der Drossel
oder des Transformators dar, insbesondere zu der Wicklung oder dem
Eisenkernpaket.
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Bei
bekannten Realisierungen werden häufig massive Aluminium-Barren
(oder aus auch AlMgSi-Verbindungen) verwendet, die mit mehreren Kühlkanälen durchsetzt
sind, durch die die Kühlflüssigkeit
hindurchströmen
kann. Diese werden dann meist in und um die Nähe des Eisenkerns der Drossel positioniert.
Somit können
gleichzeitig Verluste aus dem Kern und aus der den Eisenkern und
die Kühlbarren
umlaufenden Wicklung an das Kühlmedium abgegeben
werden.
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Bei
der Flüssigkeitskühlung tritt
allerdings ein anderes Problem auf. Drosseln benötigen im magnetischen Hauptkreis
teilweise eine beträchtliche Luftspaltweite,
um eine geforderte Induktivität
erreichen zu können.
Insbesondere im Bereich um einen Luftspalt treten Streufelder auf,
die Zusatzverluste mit sich bringen. Bisher werden diese Streufelder
bisweilen dadurch minimiert, dass der Eisenkreis im Bereich der
Schenkel in mehrere Einzelluftspalte unterteilt wird. Trotz dieser
Maßnahme
können
jedoch bei einer bekannten Flüssigkeitskühlung gegenüber einem
Fall, bei dem nur auf eine Luftkühlung
zurückgegriffen
wird, auch starke parasitäre
Verluste auftreten, die den zuvor diskutierten Vorteil einer Flüssigkeitskühlung gegenüber der
Luftkühlung,
nämlich
die verbesserte Abfuhr von Wärme
aus der Drossel, reduzieren und in Einzelfällen sogar ganz aufheben können.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter grundsätzlicher
Beibehaltung der Vorteile einer Flüssigkeitskühlung weitgehend zu erreichen, dass
die bei Drosseln, insbesondere mit einem oder mehren Luftspalten,
oder Transformatoren auftretenden Verluste verringert werden. Insbesondere
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkörper der
eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem eine gewünschte Abkopplung
der Kühlung
von der direkten Umgebung der Drossel bzw. des Transformators und
eine gute Verlustleistungs- bzw. Wärmeabfuhr aus der Drossel erreicht
werden kann, und bei dessen Verwendung gegenüber einer herkömmlichen
Flüssigkeitskühlung geringere
Verlustleistungen auftreten.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe adressiert mit einem erfindungsgemäßen Kühlkörper für eine Drossel oder einen Transformator,
wobei der Kühlkörper eine
Kühlkontaktseite
zur Wärmeankopplung
an einen Kern der Drossel oder des Transformators aufweist, wobei
der Kühlkörper auf
der Kühlkontaktseite
mit wenigstens einer Ausnehmung und/oder einem Sperrbereich versehen
ist, der ein Material aufweist, dessen elektrische Leitfähigkeit
geringer ist als die des Kühlkörpermaterials
außerhalb
des Sperrbereichs. Die Aufgabe wird ferner mit einer Drossel und
einen Transformator mit einem derartigen Kühlkörper adressiert.
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Im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde zunächst gefunden,
dass, wenn Kühlbarren
in direkter Nähe
des Eisenkerns positioniert sind und diese damit auch die Luftspalte
im Kern überspannen,
auch bei einer starken Aufteilung des Drosselluftspalts in Einzelluftspalte
noch immer ein Streufeld im Bereich der Luftspalte vorhanden ist
und dieses die metallischen Kühlbarren
durchsetzt. Im Fall eines magnetischen Wechselfeldes (also bei allen
AC-Applikationen, aber auch bei oberschwingungsbehafteten DC-Applikationen) entstehen
hierdurch in den Kühlbarren
hohe Wirbelströme,
die extrem hohe zusätzliche
parasitäre
Verluste erzeugen. Dies führt
zu einer suboptimalen Ausnutzung der Flüssigkeitskühlung und zu einer unter Umständen deutlichen
Verschlechterung des Wirkungsgrades der Drossel oder des Transformators.
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Durch
die vorliegende Erfindung können
die Wirbelstromverluste unter Wahrung einer gewünschten thermischen Ankopplung
des Kühlkörpers an
die Drossel stark minimiert werden. Hierdurch erhöht sich
sowohl der Wirkungsgrad der Drossel als auch die Effektivität der Flüssigkeitskühlung beträchtlich. Es
wurde gefunden, dass bei einer Drossel mit massiven Kühlbarren
je nach Anordnung und Menge u. U. ein wesentlicher Anteil der Gesamtverluste
durch Wirbelströme
innerhalb der Kühlbarren
verursacht werden können.
Dies führt
zu einer Absenkung des Wirkungsgrades der Drossel und einer höheren Belastung
des Kühlsystems,
da diese zusätzlichen
Verluste über
eine höhere
Durchflussmenge, bzw. über einen
höheren
Druck abgeführt
werden müssen. Demgegenüber wird
mit der vorliegenden Erfindung der Wirkungsgrad der Drossel in dieser
Hinsicht erhöht,
wenn die Verluste in den Kühlbarren
absinken.
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Mit
der vorliegenden Erfindung kann bei ansonsten gleichen Leistungsdaten
das anzuschließende
Kühlsystem,
ebenso wie die Kühlbarren
in der Drossel bzw. dem Transformator selbst, erheblich kleiner
dimensioniert werden, da mit den reduzierten Verlustleistungen auch
weniger Wärme
abzuführen ist.
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Wird
die Dimensionierung des Kühlsystems beibehalten,
kann die Drossel bzw. der Transformator nun noch kompakter gestaltet
werden, wodurch erhebliche Materialkosten, sowie Baugewicht eingespart
werden können.
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Für den Betreiber
stellt ein höherer
Wirkungsgrad zudem geringere Betriebskosten dar, im Falle des Einsatzes
in Anlagen zur Energieeinspeisung (z. B. bei Windkraftanlagen) erhöht sich
der Profit für
den Betreiber, da er nun mehr Leistung ins Netz einspeisen kann.
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Die
Erfindung beruht auf der Einsicht, dass im Vergleich zu den vormals
massiven und nur mit Kühlkanälen bzw.
Kühlrohren
durchzogenen Kühlbarren
bei einem Kühlkörper, der
an einer den zu den Luftspalten der Schenkel zugewandten Seite des Kühlkörpers Ausnehmungen
oder auch Nuten aufweist, die beispielsweise eingefräst oder
eingebohrt sind oder der einen Sperrbereich aufweist, der aufgrund
seiner geringeren elektrischen Leitfähigkeit nur geringere Wirbelströme zulässt, deutlich
geringere Verluste auftreten. Der Sperrbereich kann hierbei insbesondere
dadurch realisiert sein, dass eine oder mehrere Ausnehmungen mit
einem elektrisch wenig leitfähigen
oder gar isolierendem Material gefüllt werden. Eine gewünschte thermische
Ankopplung des Kühlkörpers wird
im Fall von Ausnehmungen (unabhängig
ob gefüllt
oder nicht) durch die in direktem Kontakt zum Kern stehenden Bereich
zwischen den Ausnehmungen erreicht. Andererseits kann der Sperrbereich
auch den kompletten Bereich zwischen einem Kühlblock mit den Kühlkanälen zur
Abfuhr von Wärme
und dem Kern ausfüllen,
beispielsweise in Form eines zwischen dem Kühlblock und dem Kern angeordneten
Bleches oder Blechpakets, wobei dessen Material im Vergleich zum
Material des Kühlblocks
einen größeren Widerstand
gegenüber
Wirbelströmen
aufweist, wobei die gewünschte
Wärmekopplung
durch einen entsprechenden Wärmeleitwert
des Sperrbereichs eingestellt wird.
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Die
Ausnehmungen oder Nuten verlaufen dabei bevorzugt parallel über den
Luftspalten. Die Ausnehmungen oder Nuten können dabei auch die gleiche
Breite wie die Luftspalte in den Schenkelpaketen haben. Es wurde
zudem gefunden, dass sich Wirbelstromverluste noch weiter reduzieren
lassen, wenn die Ausnehmungen eine Breite haben, die größer ist
als die der Luftspalte.
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Es
wurde allerdings ebenfalls gefunden, dass auch Ausnehmungen, Nuten
oder auch Sperrbereiche, die nicht parallel zu den Luftspalten verlaufen,
also beispielsweise quer dazu, zu positiven Ergebnissen führen. Es
wird angenommen, dass eine Ausnehmung bzw. ein Sperrbereich als
Hindernis für die
Ausbreitung von Wirbelströmen
innerhalb des Kühlkörpers dienen.
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Auch
Bohrungen oder Schrägungen
sind als Form der Ausnehmung im Querschnitt denkbar. Erfindungsgemäß ist es
ebenfalls möglich,
die Ausnehmung dadurch zu realisieren, dass durchbrochene Zwischenelemente
aus Aluminium oder bevorzugt Zink zwischen einem Kühlblock
und dem Kern vorgesehen werden. Die Durchbrüche bzw. Zwischenräume der
Zwischenelemente stellen hierbei dann die Ausnehmung(en) des so
zusammengesetzen Kühlkörpers dar.
Zink oder auch nichtmagnetischer Stahl haben eine ähnlich hohe
thermische Leitfähigkeit
wie Aluminium. Da aber z. B. Zink-Klötze oder Zink-Blechstreifen unter
den Aluminium-Kühlkörpern einen
höheren
elektrischen Widerstand aufweisen als Aluminium, werden insbesondere
die hohen Wirbelstromverluste direkt in Luftspaltnähe erheblich
reduziert, ohne dass gravierende Nachteile hinsichtlich der Wärmeübertragung
in Kauf genommen werden müssten.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmung und/oder der
Sperrbereich so angeordnet, dass ihre Position in einem Einbauzustand des
Kühlkörpers in
der Drossel oder dem Transformator mit einem Luftspalt des Kerns
ausgerichtet sind.
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Wie
schon zuvor diskutiert, reduziert eine Anordnung, bei der das in
direkter Nähe
zum Luftspalt befindliche Material des Kühlkörpers elektrisch isolierend
oder zumindest im Vergleich zum Kühlkörper als Ganzem (bzw. dem Kühlblock)
weniger leitfähig
ist oder bei der im Bereich direkt um den Luftspalt kein Material
(also eine Ausnehmung) vorgesehen ist, die Bildung von Wirbelströmen im Kühlkörper, die
beispielsweise durch die mit dem Luftspalt verbundenen Streufelder
verbunden sind.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmung und/oder
der Sperrbereich derart ausgestaltet, dass sich sie im Einbauzustand
entlang des Luftspalts erstrecken, insbesondere über eine gesamte Breite bzw.
Länge des
Kühlkörpers.
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Eine
möglichst
weitgehende Reduktion der Verluste, die durch die Einbringung von
Wirbelströmen
in den Kühlkörper entstehen,
lässt sich
durch eine durchgehende Zurücknahme
des Kühlkörpers gegenüber dem
Luftspalt bzw. dem Kern erreichen.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Ausnehmung
und/oder der Sperrbereich eine Vielzahl von voneinander getrennten Teilausnehmungen
bzw. Teilsperrbereichen, die jeweils in einer Reihe angeordnet sind,
insbesondere derart dass die Reihe sich im Einbauzustand entlang des
Luftspalts erstreckt.
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Gegenüber den
zuvor genannten Ausgestaltungen der Erfindung ist das Vorsehen von
voneinander getrennten Teilausnehmungen insofern von Nachteil, als
dass in den nahe am Luftspalt bzw. am Kern angeordneten Bereichen,
in denen keine Ausnehmung vorgesehen ist, die diskutierten Verluste – wenn auch über den
Kühlkörpers als
ganzes reduziert – noch
immer auftreten können.
Dieser Nachteil kann jedoch unter Umständen in Kauf genommen werden,
wenn es beispielsweise die Stabilität des Kühlkörpers als Ganzes wünschenswert
erscheinen lässt,
im Bereich der Ausnehmung teilweise Verstärkungen verbleiben zu lassen.
Zudem kann bei gleichbleibender Dicke des Kühlkörpers ein größerer gewünschter
Durchmesser eines Kühlmittel
führenden Kanals
im Inneren des Kühlkörpers eingestellt
werden, wenn der Kanal durch den Bereich zwischen den Teilausnehmungen
führt.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sperrbereich
eine Ausnehmung des Kühlkörpers, in
der das Material vorgesehen ist, dessen elektrische Leitfähigkeit
geringer ist als die des Kühlkörpermaterials
außerhalb
des Sperrbereichs, wobei die Ausnehmung insbesondere zumindest teilweise
mit einem elektrischen Isolator gefüllt ist.
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Ist
die im Kühlkörper vorgesehene
Ausnehmung mit einem Material versehen, das im Vergleich zum umgebenden
Material des Kühlkörpers elektrisch
weniger leitfähig
oder gar elektrisch isolierend ist, kann sich bei einen entsprechenden
Füllungsmaterial
im Vergleich mit einer ungefüllten
Ausnehmung eine verbesserte Wärmeübertragung
vom Kern an den Kühlkörper ergeben,
da das Füllungsmaterial ebenfalls
zur Wärmeabfuhr
beitragt.
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Bei
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Kühlkörper einstückig ausgestaltet.
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Eine
einstückige
Bauweise des Kühlkörpers erlaubt
durch die Reduzierung der Anzahl von zu handhabenden Bauteilen eine
einfache und damit kostengünstige
Montage, die zudem weniger fehleranfällig ist. Ein erfindungsgemäß und einstückig ausgestalteter
Kühlkörper kann
beispielsweise im Strangpressverfahren hergestellt werden, wobei
in einem nachfolgenden Bearbeitungsprozess die Ausnehmung in den
Kühlkörper eingefräst oder
gebohrt wird. Bei einer Ausnehmung, die längs, also entlang von durch
den Kühlkörper verlaufenden
Kühlkanälen durch
den Kühlkörper verläuft, kann
diese Ausnehmung ebenfalls bereits im Strangpressverfahren mit hergestellt
werden.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der
Kühlkörper einen
Kühlblock
mit wenigstens einem Kanal zur Durchführung von Kühlmittel und ein Zwischenelement
als Sperrbereich auf, wobei das Zwischenelement zur Anordnung im
Einbauzustand zwischen dem Kühlblock
und dem Kern und zur Wärmeleitung
vom Kern zum Kühlblock
ausgestaltet ist.
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Die
Ausgestaltung in zwei oder mehr Teilelementen erlaubt eine größere Flexibilität in Hinsicht auf
die jeweils optimale Einstellung von Materialeigenschaften, auch
wenn damit unter Umständen
ein größerer Montageaufwand
verbunden sein kann. Das Zwischenelement kann beispielsweise in
seinem Material speziell auf einen Widerstand gegenüber eingebrachten
Wirbelströmen
ausgewählt
werden, während
hierbei keine Rücksicht
auf beispielsweise eine gute thermische Ankopplung an das Kühlmittel oder
eine Korrosionsresistenz gegenüber
dem Kühlmittel
geachtet werden müsste.
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Bei
einer spezielleren Ausgestaltung weist das Zwischenelement eine
Aussparung als Ausnehmung des Kühlkörpers aufweist.
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Die
Aussparung des Kühlkörpers als
Ganzen lässt
sich in einfacher Weise durch das Vorsehen beispielsweise eines
Langloches im Zwischenelement erreichen.
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Bei
einer spezielleren Ausgestaltung weist das Zwischenelement ein nichtmagnetisches
Blechelement auf, insbesondere eine Blechelement mit wenigstens
zwei Schichten.
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Das
Zwischenelement und damit der Sperrbereich ist bei dieser Ausgestaltung
als nichtmagnetisches Blech realisiert, das im Einbauzustand zwischen
restlichen Kühlkörper und
dem Kern angeordnet wird. Damit ergibt sich eine Schicht mit reduzierter
elektrischer Leitfähigkeit
zwischen dem Kühlblock und
dem Kern, in der im Vergleich zu einem bekannten massiven Kühlkörper ohne
Ausnehmungen oder Sperrbereiche weniger Verluste durch Wirbelströme auftreten.
Es wurde gefunden, dass eine Sandwichstruktur des Zwischenelement
hier zudem weitere Vorteile erlaubt.
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Bei
einer weiteren spezielleren Ausgestaltung umfasst das Zwischenelement
eine Vielzahl von Einzelzwischenelementen, die im Einbauzustand voneinander
beabstandet angeordnet werden können,
wobei sich die Ausnehmung des Kühlkörpers mit
dem Freiraum zwischen den Einzelzwischenelementen ergibt.
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Das
Zwischenelement als solches muss nicht zusammenhängend realisiert werden, wobei
mit der Beabstandung von Teilzwischenelementen ohne eine gesonderte
Bearbeitung lediglich durch deren Anordnung der Kühlkörper mit
der erfindungsgemäßen Ausnehmung
versehen werden kann.
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Bei
einer anderen spezielleren Ausgestaltung umfasst der Kühlblock
Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung, wobei das Zwischenelement Zink,
Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder ein nichtmagnetisches
Material, insbesondere einen nichtmagnetischen Stahl, umfasst.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kühlkörper wenigstens
zwei Teilkühlblöcke mit
jeweils wenigstens einem Teilkanal zur Durchführung von Kühlmittel, wobei die Teilkühlblöcke voneinander
beabstandet sind und die Teilkanäle
miteinander durch Durchführung
von Kühlmittel verbunden
sind.
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Eine
Möglichkeit,
Ausnehmungen im Kühlkörper vorzusehen,
besteht darin, mehrere an sich voneinander separate Teilkühlkörper (oder
-blöcke) vorzusehen,
wobei die Ausnehmungen dann durch die Zwischenräume zwischen den Teilkühlkörpern gebildet
werden. Eine zuverlässige
Durchleitung von Kühlmittel
kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass als Kanäle zur Durchführung von
Kühlmittel
Rohre, beispielsweise aus Kupfer oder Edelstahl, vorgesehen sind,
die sich durch die Teilkühlkörper erstrecken
und die von den Teilkühlkörpern aufgenommene
Wärme an
das Kühlmittel übertragen.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis von Breite der Ausnehmung
bzw. des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts im Bereich von 1/2
bis 10/1, bevorzugt im Bereich von 3/1 bis 8/1.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis von Tiefe der Ausnehmung
bzw. Dicke des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts im Bereich
von 1/2 zu 5/2, bevorzugt im Bereich von 3/4 zu 3/2.
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Es
wurde gefunden, dass in den genannten Bereichen, insbesondere in
den engeren Bereichen, eine gute Balance zwischen einander wiedersprechenden
Anforderungen erreicht wird. Bei einer gegenüber dem Luftspalt reduzierten
Breite ergeben sich teilweise unerwünschte Verluste, während die verringerte
Spaltbreite mit einer größeren Wärmeaufnahme
des Kühlkörpers verbunden
ist. Wird die Breite der Ausnehmung größer gewählt als die des Luftspalts,
so können
die Verluste zudem weiter reduziert werden. Allerdings verringert
sich mit größerer Breite
der Ausnehmung die Kontaktfläche
zwischen Kühlkörper und
Kern, womit die Wärmeaufnahme
des Kühlkörpers aus
dem Kern erschwert wird. Eine größere Tiefe
der Ausnehmung bzw. Dicke des Sperrbereichs führt zu geringeren Wirbelströmen, wobei
allerdings mit einer größeren Tiefe
bzw. Dicke auch eine geringere Stabilität des Kühlkörpers einhergeht und weniger
Platz für
eine Durchführung von
Kühlmittel
verbleibt.
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Bei
einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Ausnehmung und/oder
der Trennbereich einen rechteckigen, halbrunden, halbovalen, dreieckigen
und/oder trapezförmigen
Querschnitt oder einen Querschnitt in einer Form auf, die sich durch
eine Fase und/oder Abrundung von Ecken oder Kanten dieser Querschnitte
ergibt.
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Im
Folgenden werden bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der
vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
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Hierbei
zeigen
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1 einen
schematischen Querschnitt einer bekannten dreiphasigen Netzdrossel
mit Kühlbarren
zum Anschluss einer Flüssigkeitskühlung.
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2 einen
schematischen Querschnitt einer bekannten Anordnung von Schenkelpaketen
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlbarren.
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3 einen
schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpaketen mit
Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 einen
schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpaketen mit
Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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5 eine
schematische Perspektivansicht einer Anordnung von Schenkelpaketen
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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6 eine
vergrößerte schematische
Perspektivansicht einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten
und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung.
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7a einen
schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit
Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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7b eine
schematische Querschnittsexplosionsansicht der Anordnung von Schenkelpakten mit
Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung aus 7a.
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8 einen
schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit
Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung.
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9 einen
schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit
Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer
fünften Ausführungsform
der Erfindung.
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Bei
den verwendeten Bezugszeichen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen in unterschiedlichen
Ausführungsformen
aufeinander entsprechende Elemente, wobei bei der detaillierten
Beschreibung unterschiedliche Ausführungsformen teilweise eine
Beschreibung bereits vorher diskutierter Elemente bzw. deren Entsprechungen
ausgelassen wird.
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1 zeigt
einen schematischen Querschnitt einer bekannten dreiphasigen Netzdrossel
mit Kühlbarren
zum Anschluss einer Flüssigkeitskühlung. Die
Drossel 105 umfasst drei (Teil-)Kerne 120, die – wie in 1 angedeutet – durch
ein Joch miteinander verbunden sind. Um die Kerne 120 herum sind
jeweils vier Kühlbarren 30 mit
darin vorgesehenen Kühlkanälen 35 angeordnet.
Da der Fachmann vorliegend mit dem Konzept einer Flüssigkeitskühlung und
den entsprechenden Details, insbesondere der Details der Kühlbarren
als solchen und der der Kühlkanäle, gut
vertraut ist, kann auf eine weitere Erläuterung hierzu verzichtet werden.
Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf
die beispielsweis in den Ausführungsformen
dargestellten Ausführungen
von Kühlkörpern beschränkt ist.
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2 zeigt
einen schematischen Querschnitt einer bekannten Anordnung von Schenkelpaketen
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlbarren. Die Querschnittsdarstellung
in 2 entspricht einer Teil-Darstellung der Drossel 105,
wie sie in 1 illustriert ist, wobei allerdings
die Zeichnungsebenen von 1 und 2 zueinander
senkrecht stehen.
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Der
Kühlbarren 30 ist
in 2 als auf dem Teilpaketen des Kerns 120 aufliegend
dargestellt, wobei zwischen den Teilpakten des Kerns 120 jeweils Luftspalte 122 vorgesehen
sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass
insbesondere im Bereich der Luftspalte 122 ein Streufeld aus
den Luftspalten 122 in den Bereich des Kühlbarrens 30 einwirkt
und dort Wirbelströme
mit entsprechenden Wärmeverlusten
hervorruft.
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3 zeigt
einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpaketen
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung. Die Darstellung von 3 entspricht
im Grundsatz der Darstellung von 2. Allerdings
weist der erfindungsgemäße Kühlkörper 400 der
ersten Ausführungsform im
Bereich der Luftspalte 122 Ausnehmungen 415 auf,
die auf der an den Kern 120 anstoßenden Kühlkontaktseite 410 des
Kühlkörpers anordnet
sind. Erfindungsgemäß wurde
gefunden, dass sich mit den hier beschriebenen Ausnehmungen 415 der
Einfluss des Streufeldes aus den Luftspalten 422 auf den Kühlkörper 400 reduzieren
lässt.
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Werden
die Ausnehmungen 415, wie es in 3 dargestellt
ist, in ihrem Querschnitt konstant durch den gesamten Kühlkörper 400 vorgesehen,
so ergibt sich zunächst
eine Beschränkung
der Tiefe der Ausnehmungen 415, da die Kühlmittel
führenden
Kanäle
einen gewissen Raum innerhalb des Kühlkörpers 400 beanspruchen
und zudem eine gewisse Wandstärke
dieser Kanäle
gewünscht
ist. Allerdings kann die Erfindung auch beispielsweise dadurch realisiert
werden, dass der Kühlkörper aus
einer Vielzahl von einzelnen Teilkühlkörpern zusammengesetzt ist, deren
Ausdehnung in der Zeichnungsebene von 3 sich an
den Luftspalten 122 orientiert, wobei die Luftspalte durch
den Abstand zwischen den Teilkühlkörpern gewissermaßen fortgesetzt
werden. Eine Durchströmung
der Teilkühlkörper würde dann beispielsweise
durch eine Führung
eines oder mehrerer kühlmittelführender
Rohre (z. B. aus Kupfer oder Edelstahl), wie sich bereits in herkömmlichen Kühlbarren
verwendet werden, durch die Teilkühlkörper und die Zwischenräume dazwischen
gewährleistet
werden können.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpaketen
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Die zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der in 3 dargestellten
ersten Ausführungsform
insbesondere dadurch, dass anstelle der Ausnehmungen 415 ein
Zwischenelement 420 mit der Funktion eines Sperrbereichs 420 zwischen
einem Kühlblock 425 des
Kühlkörpers 500 und
den Paketen des Kerns 120 vorgesehen ist. Insbesondere
aus Kosten- und Gewichtsgründen
sowie angesichts des vergleichsweise einfachen Herstellungsverfahrens
des Strangpressens werden Kühlkörper oder
Kühlbarren
für Drosseln
und Transformatoren oft aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
wie AlMgSi hergestellt. Der Sperrbereich 420 weist eine
elektrische Leitfähigkeit
auf, die geringer ist als die des Kühlkörpermaterials außerhalb
des Sperrbereichs, also hier die des Kühlblocks 425. Wird
für den
Kühlblock 425 nun
Aluminium oder AlMgSi verwandt, so wurde als bevorzugtes Material
für den
Sperrbereich ein Blech aus Zink und/oder einem nichtmagnetischen
Werkstoff wie nichtmagnetischem Stahl gefunden. Allerdings schließt die vorliegende
Erfindung auch die Verwendung eines anderen nichtmagnetischen Werkstoffs
nicht aus, wobei sich lediglich durch eine gewünschte Wärmeleitung durch den Sperrbereich hindurch
eine Einschränkung
hinsichtlich der Materialwahl und der Dimensionierung ergeben kann.
Der Sperrbereich 420 kann insbesondere in Sandwich-Bauweise
aus zwei oder mehreren Blechen aus dem gleichen oder unterschiedlichen
Werkstoffen hergestellt werden, wobei zwischen den Blechen zusätzliche
Schichten, beispielsweise Wärmeleitkleber vorgesehen
werden kann.
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In 4 ist
zudem beispielhaft gezeigt, dass sich der Sperrbereich 420 bzw.
das Zwischenelement 420 auch über die Ausdehnung des Kühlblocks 425 hinaus
erstrecken kann. Dies erlaubt eine zusätzliche Wärmeabfuhr über das Zwischenelement 420 an
den Kühlblock 425 und
damit an das Kühlmittel
auch aus den Bereichen, die sich nicht in direkter Nähe zum Kühlblock 425 befinden.
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5 zeigt
eine schematische Perspektivansicht einer Anordnung von Schenkelpaketen
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung. 6 zeigt zudem eine vergrößerte schematische
Perspektivansicht einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten
und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung. in den Darstellungen von 5 und 6 ist
die Anordnung des erfindungsgemäßen Kühlkörper 400 auf
den Paketen des Kerns 120 mit den Luftspalten 122,
also letztlich der Einbauzustand des Kühlkörpers gegenüber dem Kern zu erkennen, wenn
auch die Wicklung mit den Anschlüssen,
die Zu- und Abführung
von Kühlmittel
und sonstige Bauelemente aus Gründen der Übersichtlichkeit
nicht dargestellt sind. Zudem sind in den 5 und 6 die
durch den Kühlkörper 400 verlaufenden
Kühlkanäle 130 zu
erkennen.
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7a zeigt
einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung. 7b zeigt eine schematische Querschnittsexplosionsansicht
der Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem
Kühlkörper gemäß der dritten
Ausführungsform
der Erfindung aus 7a. In der dritten Ausführungsform
sind die Elemente Ausnehmung und Sperrschicht miteinander kombiniert.
Der Kühlkörper 600 umfasst
einen Kühlblock 425,
wobei im in 7a dargestellten Einbauzustand zwischen
dem Kühlblock 425 und
dem Kern 120 mehrere Teilsperrbereiche 430 angeordnet
sind. Die Teilsperrbereiche 430 sind – angepasst an die Luftspalte 122 des
Kerns 120 – voneinander
beabstandet, so dass sich damit Ausnehmungen 415 des Kühlkörpers 600 ergeben.
Diese Ausführungsform kombiniert
die Vorteile der ersten beiden Ausführungsformen miteinander, wobei
hinzukommt, dass der Bearbeitungsschritt zur Herstellung der Ausnehmungen
im Kühlkörper durch
das Vorsehen der separaten Teilsperrbereiche 430 unnötig wird.
Es kann allerdings durchaus vorgesehen werden, anstelle des in 7a und 7b dargestellten
Kühlblocks 425 ohne
Ausnehmungen auch einen Kühlblock
zu verwenden, der wie der in 3, 5 und 6 gezeigte
Kühlkörper seinerseits
mit Ausnehmungen versehen ist. Zudem ist es auch möglich, den
Sperrbereich 420 nicht in Form von vielen Teilsperrbereichen 430 sondern
als zusammenhängenden
Sperrbereich 420 oder einstückiges Zwischenelement 420 vorzusehen,
wobei dieser wiederum mit Ausnehmungen entsprechend den Ausnehmungen
des Kühlkörpers 400 versehen
ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
(nicht dargestellt) ist der erfindungsgemäße Kühlkörper mehrteilig ausgestaltet. Ähnlich zu
der in 7a und 7b dargestellten
Ausführungsform
ist ein Kühlblock
vorgesehen, wobei im Einbauzustand zwischen den Kühlblock
und den Kern Zwischenelemente vorgesehen sind, die aus dem gleichen
oder einem vergleichbaren Material hergestellt sind, wie das des Kühlblocks.
Obgleich, insbesondere wenn das gleiche Material für Kühlblock
und Zwischenmaterialien verwendet wird, die Zwischenelemente nicht
als Trennschicht wirken, so ergibt sich dennoch insofern ein möglicher
Vorteil gegenüber
einer Ausführungsform,
wie sie in 3 dargestellt ist, dass zusätzliche Bearbeitungsschritte
zur Herstellung der Ausnehmungen wegfallen, wenn die Ausnehmungen
durch Vorsehen einer Vielzahl von Zwischenelementen realisiert werden,
die voneinander beabstandet sind.
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Abweichend
von den hier dargestellten Ausführungsformen
können
die Ausnehmungen oder Beabstandungen der Zwischenelemente auch in
jeder anderen Richtung durch den Kühlkörper verlaufen. Wenn beispielsweise
Ausnehmungen in Längsrichtung,
d. h. im Wesentlichen parallel zu den Kühlkanälen (vgl. 4 und 5),
vorgesehen sind und der Kühlkörper durch
ein Strangpressen oder ein ähnliches
Verfahren hergestellt wird, so können
die Ausnehmungen bereits beim Herstellungsprozess vorgesehen werden,
ohne dass dann zusätzliche
Bearbeitungsschritte zur Herstellung der damit bereits erzeugten
Ausnehmungen nötig
wären.
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Bei
der hier beschriebenen Ausführungsform,
wie auch bei den anderen Ausführungsformen der
Erfindung, bei der Bauteile aneinander angeordnet werden, wobei
ein guter Wärmeübergang
zwischen den Bauteilen gewünscht
ist, kann Wärmeleitpaste
oder Wärmekleber
zwischen den Bauteilen vorgesehen werden. Ein Wärmekleber erreicht zudem eine
Fixierung der Bauteile zueinander, wobei eine solche Fixierung auch
durch sonstiges Verkleben oder auch Verschrauben oder andere entsprechende
Methoden erreicht werden kann.
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8 zeigt
einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer vierten Ausführungsform
der Erfindung. Bei der in 8 gezeigten
Ausführungsform
sind wie bei der Ausführungsform
in den 7a und 7b Teilzwischenelemente 430 zwischen
dem Kühlblock 425 und
den Paketen des Kerns 120 vorgesehen. Die zur dritten Ausführungsform
(7a, 7b) vorgebrachten Erläuterungen
gelten insofern auch für
die vierte Ausführungsform.
Der Kühlkörper 600,
der in 8 illustriert ist, unterscheidet sich allerdings
von dem der dritten Ausführungsform
dadurch, dass die Ausnehmungen 415, die sich durch die
Abstände
der Teilzwischenelemente 430 ergeben, in ihrer Breite größer sind
als die Luftspalte 122, so dass sie sich jeweils über den
Bereich der Luftspalte 122 hinaus auch in die Bereich erstrecken,
in denen die Pakete des Kerns 120 und der Kühlblock 425 einander
gegenüberliegen.
Es wurde gefunden, dass durch eine entsprechende Verbreiterung der
Ausnehmungen 415 im Vergleich zur dritten Ausführungsform
Verluste, die im Kühlkörper 600 auftreten,
weiter gesenkt werden können.
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Auch
wenn in der Darstellung in 8 die Breite
der Ausnehmungen 415 jeweils etwa doppelt so groß ist wie
die der Luftspalte 122, stellt dies lediglich eine nicht
beschränkende
Möglichkeit
der Auswahl des Breitenverhältnisses
dar. Es wurde gefunden, dass erfindungsgemäße Vorteile insbesondere auch
mit einem Verhältnis
von Breite der Ausnehmung bzw. des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts
im Bereich von 1/2 bis 10/1 erreicht werden können, wobei ein Bereich von
3/1 bis 8/1 besonders bevorzugt wird.
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Hinzu
kommt, dass auch durch die Wahl der Tiefe der Ausnehmung bzw. die
Dicke des Sperrbereichs Einfluss auf die im Kühlkörper auftretenden Verluste
genommen werden kann. Erfindungsgemäß wird ein Verhältnis von
Tiefe der Ausnehmung bzw. Dicke des Sperrbereichs zu Breite des
Luftspalts im Bereich von 1/2 zu 5/2 bevorzugt, wobei ein Bereich von
3/4 zu 3/2 besonders bevorzugt wird.
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9 zeigt
einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten
mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Der Kühlkörper 400,
der in 9 gezeigt ist, entspricht weitgehend dem Kühlkörper, der
in 3 gezeigt ist, wobei die aus der Kühlkontaktseite 410 vorgesehenen
Ausnehmungen 415, die ähnlich
wie bei 8 über die Breite der Luftspalte 122 zwischen
den Pakten des Kerns 120 hinausgehen, anders als bei den vorherigen
Ausführungsformen
halbrund ausgeführt sind,
wobei die Mittelpunkte der Halbkreise, die durch die Form der Ausnehmungen 415 jeweils
beschrieben werden, in der Ebene der Kontaktfläche mit dem Kern 120 liegen.
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Es
ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten
rechteckigen oder halbkreisförmigen
Querschnitte der Ausnehmungen, die jeweils zur Verbesserung eines
Wärmeübergangs
auch mit einem Material gefüllt
werden können,
dessen Wärmeleitfähigkeit
besser als die von Luft ist und das besonders bevorzugt elektrisch
isolierend ist, beschränkt
ist, und auch eine Vielzahl anderer Formen möglich ist, insbesondere halbovale, dreieckige
und/oder trapezförmige
Querschnitte oder Querschnitte in einer Form, die sich durch eine
Fase und/oder Abrundung von Ecken oder Kanten dieser Querschnitte
ergibt, sowie Kombinationen aus diesen Querschnitten.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
beziehen sich zwar jeweils auf eine Anordnung, bei der der erfindungsgemäße Kühlkörper letztlich
zusammen mit einer Drossel mit einem Luftspalt vorgesehen ist. Die
vorliegende Erfindung ist allerdings nicht darauf beschränkt und
bezieht sich ebenfalls auf einen Kühlkörper für einen Transformator sowie
auf einen Kühlkörper für eine Drossel
oder einen Transformator ohne Luftspalt.
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Es
ist zudem zu bemerken, dass die Darstellung in den Figuren nicht
maßstabsgerecht
ist.