DE102011076227A1 - Inductive component for smoothing voltage in electrical conductor for e.g. power supply in electrically operated equipment, has heat conducting cushions that are arranged between coils and housings - Google Patents
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Abstract
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement, beispielsweise mit einer Drosselspule, wie es etwa zur Glättung der Spannung in einem elektrischen Leiter eingesetzt wird. The invention relates to an inductive component, for example with a choke coil, as used for example for smoothing the voltage in an electrical conductor.
Bei elektrischen Leitern zur Stromversorgung, zur Übertragung von Signalen oder dgl. können Störungen die anliegende Spannung beeinflussen, die von innerhalb oder außerhalb des Netzes herrühren, mit dem der elektrische Leiter verbunden ist. Um Schäden elektrisch betriebener Geräte infolge eines gestörten Spannungsverlaufs zu vermeiden, werden induktive Bauelemente eingesetzt. Diese können Ringkerninduktivitäten umfassen, bspw. eine Drosselspule mit Kern.In electrical conductors for power supply, for transmitting signals or the like. Interference may affect the voltage applied, which originate from inside or outside the network to which the electrical conductor is connected. In order to avoid damage to electrically operated devices due to a faulty voltage curve, inductive components are used. These may comprise toroidal inductors, for example a choke coil with a core.
Die Entwärmung (passiver oder aktiver) induktiver Bauelemente kann über die Umgebungsluft erfolgen, wobei auf diese Weise i.d.R. nur eine schlechte thermische Anbindung realisiert werden kann. Es ist auch bekannt, das Bauelement zu vergießen, jedoch sind derartige Verfahren teuer. Ebenso erweist sich auch eine mechanische Fixierung zur thermischen Anbindung nicht vergossener Spulen, etwa in der Leistungselektronik, als aufwendig. The cooling (passive or active) of inductive components can be done via the ambient air, in this way i.d.R. only a poor thermal connection can be realized. It is also known to shed the device, but such methods are expensive. Similarly, a mechanical fixation for the thermal connection of non-encapsulated coils, such as in power electronics, proves to be expensive.
Konkret haben außengewickelte Drosseln meist eine große Toleranz bezüglich ihrer Außenabmessungen. Deshalb werden solche Drosseln meist vollständig vergossen. Beispielsweise kann eine Drossel in einem Gehäuse montiert und dort vergossen werden (die Befestigung der Drossel erfolgt dann über das Gehäuse). Die Wärmeableitung erfolgt von der Drossel (d.h. zum Beispiel Kern und Draht) über den Verguss, das Gehäuse, und meist noch ein weiteres Wärmeleitmedium auf einen Kühlkörper wie etwa eine Kühlplatte. Specifically, externally wound reactors usually have a large tolerance in terms of their external dimensions. Therefore, such chokes are usually completely shed. For example, a throttle can be mounted in a housing and potted there (the attachment of the throttle then takes place via the housing). Heat dissipation is from the choke (i.e., core and wire, for example) via the potting, housing, and most often, another heat transfer medium to a heat sink, such as a cooling plate.
Bei der beschriebenen Anordnung ist der Wärmeleitpfad lang, d.h. erfolgt über viele unterschiedliche, mehr oder weniger gut wärmeleitende Materialien. Es ergeben sich entsprechende Schwierigkeiten bei der Wärmeabfuhr, die aufwendige und komplexe Lösungen erfordern. Darüber hinaus kann es zur Delamination des Vergusses infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen der Materialien von der Wandung des Gehäuses und vom Draht der Drossel kommen. Dadurch wird die Wärmeabfuhr bzw. ein Wärmeübergang an Grenzflächen weiter verschlechtert und auch die mechanische Stabilität kann negativ beeinflusst werden.In the described arrangement, the heat conduction path is long, i. takes place over many different, more or less good heat conducting materials. There are corresponding difficulties in heat dissipation, which require complex and complex solutions. In addition, due to different thermal expansion of the materials, the encapsulation may delaminate from the wall of the housing and from the wire of the choke. As a result, the heat dissipation or heat transfer at interfaces is further deteriorated and also the mechanical stability can be adversely affected.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein induktives Bauelement mit einer Spule vorgeschlagen. Die Spule umfasst eine stromleitende Drahtwicklung. Die Spule ist in einem Gehäuse aufgenommen. Zwischen Spule und Gehäuse ist mindestens ein wärmeleitendes Kissen angeordnet.According to the invention, an inductive component with a coil is proposed. The coil comprises an electrically conductive wire winding. The coil is accommodated in a housing. Between coil and housing at least one heat-conducting pad is arranged.
Die Spule kann neben stromleitenden Wicklungen auch offene Wicklungen aufweisen. Das wärmeleitende Kissen kann ein kompressibles Material umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das wärmeleitende Kissen ein Wärmeleitpad umfassen. The coil can also have open windings in addition to current-conducting windings. The thermally conductive pad may comprise a compressible material. Additionally or alternatively, the thermally conductive pad may include a thermal pad.
Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements ist das wärmeleitende Kissen mehrschichtig aufgebaut.In certain embodiments of the inductive component according to the invention, the thermally conductive pad is constructed in multiple layers.
Das wärmeleitende Kissen kann aus einem Material bestehen oder aus mehreren Materialien aufgebaut sein. Vorzugsweise werden Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Zu solchen Materialien, die eine gute thermische Performance bieten, zählen beispielsweise PCM("Phase Change Materials“)-Materialien, Thermopads, Materialien mit gelartiger Konsistenz oder Gap-Filler-Materialien. The thermally conductive pad may be made of a material or composed of several materials. Preferably, materials having high thermal conductivity are used. Materials that offer good thermal performance include, for example, PCM (Phase Change Materials) materials, thermal pads, gel-like materials, or gap filler materials.
PCM-Materialien sind als solche bekannt. Ein solches Material ist bspw. bei normalen Raumtemperaturen formstabil, d.h. das Material befindet sich in einer festen, halbfesten, glasartigen oder kristallinen, ersten Phase. Das Material kann durch eine Temperaturerhöhung in eine flüssige, zähflüssige oder sonst wie viskose zweite Phase transformiert werden. Der Phasenübergang geeigneter Materialien findet bevorzugt beim oder vor dem Erreichen der Betriebstemperatur des erfindungsgemäßen Bauelementes statt. Befindet sich das PCM in seiner zweiten, bspw. zähflüssigen Phase, trägt das Material zur hohen Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Kissens auch durch seine Anformbarkeit an die Spule einerseits sowie Gehäuse(teile) andererseits bei. PCM materials are known as such. Such a material is dimensionally stable, for example, at normal room temperatures, ie, the material is in a solid, semi-solid, glassy or crystalline, first phase. The material can be transformed by a temperature increase in a liquid, viscous or otherwise viscous second phase. The phase transition of suitable materials preferably takes place during or before reaching the operating temperature of the component according to the invention. If the PCM is in its second, for example, viscous phase, the material contributes to the high thermal conductivity of the heat-conducting pad also by its conformability to the coil on the one hand and housing (parts) on the other hand.
Gel-artige wärmeleitende Materialien können bspw. eine elektrisch isolierende, wärmeleitende, hochelastische Elastomerschicht umfassen. Derartige Materialien können sich infolge ihrer Gel-Charakteristik dauerhaft an eine unebene Oberflächenstruktur bspw. einer Drosselspule anformen. Dies gewährleistet maximale Kontaktflächen und so einen guten Wärmeübergang.Gel-like heat-conducting materials may comprise, for example, an electrically insulating, heat-conducting, highly elastic elastomer layer. As a result of their gel characteristics, such materials can be permanently molded onto an uneven surface structure, for example, of a choke coil. This ensures maximum contact surfaces and thus a good heat transfer.
Gap-Filler-Materialien können bspw. aus einem Schaumstoff bestehen, das aus einem gelartigen, hoch wärmeleitfähigem Material besteht. Gap-Filler zeichnen sich somit durch hohe Wärmeleitfähigkeit und hohes Formanpassungsvermögen aus. Gap-filler materials may, for example, consist of a foam which consists of a gel-like, highly thermally conductive material. Gap fillers are thus characterized by high thermal conductivity and high conformability.
Das Gehäuse des induktiven Bauelements kann einen Deckel und ein Kühlelement umfassen. Das wärmeleitende Kissen kann sich zwischen Spule und Deckel, sowie zwischen Spule und Kühlelement befinden. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das induktive Bauelement mehrere Kissen. Hierbei kann ein erstes wärmeleitendes Kissen zwischen der Spule und dem Deckel angeordnet sein, und ein zweites wärmeleitendes Kissen kann zwischen der Spule und dem Kühlelement angeordnet sein. The housing of the inductive component may comprise a cover and a cooling element. The thermally conductive pad may be located between the coil and the cover, as well as between the coil and the cooling element. In another embodiment of the invention, the inductive component comprises a plurality of pads. Here, a first thermally conductive pad may be disposed between the spool and the lid, and a second thermally conductive pad may be disposed between the spool and the cooling element.
Das wärmeleitende Kissen kann Zwischenräume zwischen Wicklungen der Spule ausfüllen. The thermally conductive pad may fill gaps between coils of the coil.
Das erfindungsgemäße induktive Bauelement kann eine Ringkerninduktivität umfassen, die bspw. in einem Innenraum der Spule einen magnetischen Kern in Ringform aufweist.The inductive component according to the invention may comprise a toroidal inductance having, for example, in an inner space of the coil, a magnetic core in ring form.
Es kann eine Befestigung der Spule über das Gehäuse vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Gehäuse Befestigungsmittel umfassen, mittels derer das induktive Element angebracht, montiert, etc. werden kann. Das erfindungsgemäße induktive Bauelement kann bspw. als Pressverbund hergestellt werden.There may be provided an attachment of the coil over the housing. For example, the housing may comprise fastening means by means of which the inductive element can be attached, mounted, etc. The inductive component according to the invention can be produced, for example, as a press fit.
Vorteile der Erfindung Advantages of the invention
Die einleitend beschriebenen Entwärmungskonzepte induktiver Bauelemente sind nachteilig, weil bspw. eine Entwärmung über die Umgebungsluft einen geringen Wirkungsgrad hat und gleichzeitig eine aufwendige mechanische Fixierung des Bauelements vorgesehen werden muss. Wird eine Spule oder sonstiges induktives Element vergossen, in bzw. mit oder auch ohne ein umgebendes Gehäuse, ergibt sich ein relativ langer Wärmeableitungspfad über eine Mehrzahl unterschiedlicher und unterschiedlich gut leitfähiger Materialien. Bei aufwendig herzustellenden, vergossenen Bauelementen besteht zudem die Gefahr dass sich der Verguss aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen löst, wodurch sich die Wärmeleitung über die Wandung des Gehäuses und über die Spulenwicklungen dann deutlich verschlechtert. The initially described Entwärmungskonzepte inductive components are disadvantageous because, for example, a cooling over the ambient air has a low efficiency and at the same time a complex mechanical fixation of the device must be provided. If a coil or other inductive element is potted, in or with or even without a surrounding housing, the result is a relatively long heat dissipation path over a plurality of different and differently well conductive materials. In the case of expensive to manufacture, molded components there is also the danger that the potting solves due to different thermal expansions, which then significantly deteriorates the heat conduction through the wall of the housing and the coil windings.
Erfindungsgemäß können induktive Bauelemente vorgesehen werden, die kostengünstig herstellbar sind, und dennoch eine gute und zuverlässige Wärmeableitung ermöglichen. According to the invention inductive components can be provided which are inexpensive to produce, and still allow a good and reliable heat dissipation.
Die kostengünstige Herstellung ergibt sich unter anderem daraus, dass auf ein teures Vergießen wirksamer Elemente wie einer Spule verzichtet werden kann. Auch kann eine aufwendige mechanische Fixierung einer Spule entfallen, wenn diese mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen, wärmeleitenden Kissen in ihrem Gehäuse sicher untergebracht sind. The cost-effective production arises inter alia from the fact that can be dispensed with an expensive casting effective elements such as a coil. Also, a complex mechanical fixation of a coil can be omitted if they are safely housed in their housing by means of the inventively proposed, heat-conducting cushion.
Die Wärmeleitung erfolgt von den Wicklungen der Spule über das oder die wärmeleitenden Kissen und über das Gehäuse an die Umgebung. Die Wärmeleitung durch das Kissen wie auch über die Übergänge zwischen Spulenwicklungen und Kissen, sowie zwischen Kissen und Gehäuse können durch geeignete Ausbildung des Kissen, bspw. geeignete Materialwahl für das Kissen, optimiert werden. So kann ein Kissen kompressibel sein, und/oder kann bspw. aus einem Gap-Filler-Material, PCM-Material oder gelartigem Material hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. Ein solches Kissen formt sich den Wicklungen der Spule gut an, dringt sogar teilweise in die Zwischenräume zwischen den Wicklungen ein, und gewährleistet so einen optimierten Wärmeübergang auch bei Spulen bzw. Drosseln mit großer Außentoleranz. Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements als Pressverbund sichert auf kostengünstige Weise eine gute Anlagerung des Kissens an die Spule, sowie an Gehäuseteile. The heat conduction takes place from the windings of the coil via the heat-conducting cushion or pads and over the housing to the environment. The heat conduction through the cushion as well as the transitions between coil windings and cushions, as well as between the cushion and the housing can be optimized by suitable design of the cushion, for example. Suitable choice of material for the cushion. Thus, a pillow may be compressible, and / or may, for example, consist of a gap filler material, PCM material or gel material of high thermal conductivity. Such a pillow forms the windings of the coil well, even partially penetrates into the spaces between the windings, thus ensuring an optimized heat transfer even with coils or chokes with great external tolerance. Production of the component according to the invention as a press fit ensures in a cost effective manner a good attachment of the pad to the coil, as well as to housing parts.
Geeignete Materialien und/oder eine geeignete mechanische Fügung der Komponenten des Bauelements, insbesondere des Kissens mit der Spule, stellt eine dauerhaft zuverlässige Wärmeleitung sicher. Wird das Kissen an die Spule angepresst, kommt es nicht wie bei einem Verguss zu Ablösungen der Komponenten untereinander. Auch ein Kleben oder sonstige weitere Befestigung des Kissens wird dabei in der Regel entfallen können, was den Herstellungsprozess kostengünstig hält und die Nachteile wie allmähliches Lösen der Komponenten vermeidet. Insoweit das wärmeleitende Kissen verschiebbar gegenüber den Spulenwicklungen bleibt, ist eine zuverlässige, optimierte Wärmeableitung auch bei mechanischen Erschütterungen des Bauelements gewährleistet; mechanische Spannungen am induktiven Bauelement können minimiert werden. Suitable materials and / or a suitable mechanical joining of the components of the component, in particular of the cushion with the coil, ensure a permanently reliable heat conduction. Will the pillow to the coil Pressed, it comes not like a potting to detachment of the components with each other. Gluing or other further attachment of the pad will usually be omitted, which keeps the manufacturing process cost and avoids the disadvantages such as gradual release of the components. Insofar as the thermally conductive pad remains displaceable relative to the coil windings, a reliable, optimized heat dissipation is ensured even with mechanical vibrations of the component; Mechanical stresses on the inductive component can be minimized.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figur eingehender beschrieben. Die
Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention
Die Drahtwicklungen
Bei den Kissen
Die Drossel mit den Wicklungen
Wie beschrieben, kann der ganze Aufbau als Pressverbund hergestellt werden. Mittels der kompressiblen Kissen
Während bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zwei wärmeleitende Kissen
Auch andere Bauelemente als Ringkerninduktivitäten, bspw. Bauelemente mit einem stabförmigen magnetischen Kern oder einem magnetischen Kern in Form eines von einem Luftspalt unterbrochenen Rings können auf die erfindungsgemäße Weise gekühlt werden.Other components than toroidal inductors, for example components with a rod-shaped magnetic core or a magnetic core in the form of a ring interrupted by an air gap, can be cooled in the manner according to the invention.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.The invention is not limited to the embodiments described herein and the aspects highlighted therein; Rather, within the scope given by the appended claims a variety of modifications are possible, which are within the scope of expert action.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |