DE102011082045A1

DE102011082045A1 - Drossel und zugehöriges Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102011082045A1
Application number: DE102011082045A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schekulin Dirk; Chriss Härtsch; Thomas Bisig; Alex ITTEN; Piere Cavin; Silvia Gross-Käufler
Original assignee: Schmidhauser AG
Current assignee: Bucher Hydraulics AG
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-07
Also published as: CN109637774A; US10699836B2; WO2013030029A1; CN104040653A; EP2751815B1; US20140327505A1; EP2751815A1

Abstract

Bei einer Drossel (1) mit einem magnetisierbaren Kern (2) mit einer Wicklungsachse (3) und mindestens einer Wicklung (4), die durch einen Leiter (5) gebildet ist, der die Wicklungsachse des Kerns zumindest teilweise umschließt, ist die mindestens eine Wicklung einlagig gebildet und ein Querschnitt des Leiters ist rechteckförmig, insbesondere quadratisch.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drossel und ein zugehöriges Herstellungsverfahren.
Drosseln bzw. Speicherdrosseln werden vorzugsweise zur Integration getakteter Spannungssignale z.B. in Gleichstromstellern eingesetzt. Insbesondere bei hohen mittleren Strömen mit signifikanter Stromwelligkeit ergeben sich erhebliche Probleme in Hinblick auf Verluste und Kühlung der Wicklung.
Herkömmliche Wicklungen von Speicherdrosseln sind beispielsweise aus geschichteten Blechkonstruktionen, Flachdrahthochkantwicklungen und Kupferbandwicklungen gebildet. Als Kernmaterialien kommen Materialien aus Ferrit, amorphem Metallglas, nanokristallinen Bänder oder Metallpulvern zu Einsatz.
Allen oben genannten Lösungen gemein ist das Problem einer effizienten Kühlung der Drossel. Beispielsweise ist in einem geschlossenen Gehäuse typisch eine definierte Kühlung mittels einer durch ein Kühlmedium durchströmten Platte erforderlich.
Die Wärme entsteht jedoch bei induktiven Bauelementen allgemein in einem Volumen, so dass in der Regel aufwendige Kühlkonzepte erforderlich sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drossel sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, die eine effiziente Kühlung der Drossel mit möglichst geringem Aufwand ermöglichen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Drossel nach Anspruch 1 und ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 13. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche, deren Wortlaut hiermit zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.
Die Drossel, insbesondere in Form einer so genannten Speicher- oder Hochstromdrossel, weist einen magnetisierbaren Kern mit mindestens einer Wicklungsachse und mindestens eine Wicklung auf, die durch einen Leiter gebildet ist, der die mindestens eine Wicklungsachse des Kerns bzw. einen Schenkel des Kerns, durch den die mindestens eine Wicklungsachse verläuft, zumindest teilweise, insbesondere mit möglichst geringem Abstand, umschließt. Die mindestens eine Wicklung ist einlagig gebildet, d.h. durch den Leiter gebildete Windungen verlaufen nur benachbart und sind nicht geschichtet. Ein Querschnitt des Leiters in Wicklungsrichtung ist rechteckförmig, insbesondere quadratisch. Aufgrund des Querschnitts und der dadurch bedingten Außenkontur kann die Wicklung sehr einfach und mit geringem thermischem Widerstand beispielsweise an eine kühlende Fläche angekoppelt werden. Der Querschnitt der insbesondere massiven Wicklung bzw. des massiven Leiters wird dabei bewusst überdimensioniert, so dass ein effizienter Wärmefluss innerhalb der Wicklung möglich ist.
In einer Weiterbildung ist der Leiter massiv ausgebildet, d.h. er ist beispielsweise nicht durch Litzen oder dergleichen aufgebaut.
In einer Weiterbildung ist die mindestens eine Wicklung aus einem Profilrohr, insbesondere einem Rechteckprofilrohr, gebildet, welches zur Bildung des Leiters strukturiert ist, insbesondere durch ein materialabtragendes Bearbeiten strukturiert ist, insbesondere durch Bohren, Sägen, Fräsen und/oder Funkenerodieren strukturiert ist. Alternativ ist die mindestens eine Wicklung aus einem Druckgussformteil gebildet.
In einer Weiterbildung weist die Drossel eine Nenn-Strombelastbarkeit auf, wobei der Querschnitt des Leiters derart dimensioniert ist, dass eine Strombelastbarkeit des Leiters größer ist als die Nenn-Strombelastbarkeit, d.h. der Querschnitt des Leiters ist bezogen auf die Nenn-Strombelastbarkeit überdimensioniert. Zusätzlich oder alternativ können die Wicklung und der Kern derart dimensioniert sein, dass bei einer Belastung der Drossel mit ihrer Nenn-Strombelastbarkeit die Wicklungsverluste größer sind als die Kernverluste, so dass aufgrund der optimierten Kühlbarkeit der Wicklung insgesamt eine effizient Kühlung sichergestellt werden kann.
In einer Weiterbildung besteht der Leiter aus Kupfer oder Titan, besonders bevorzugt aus Aluminium.
In einer Weiterbildung ist ein flächiges Kühlelement vorgesehen, welches thermisch mit der Wicklung, insbesondere mit der von der Wicklungsachse des Kerns abgewandten Seite bzw. Oberfläche der Wicklung, gekoppelt ist. Bevorzugt ist ein wärmeleitender elektrischer Isolator vorgesehen, der zwischen dem Kühlelement und der Wicklung angeordnet ist. Der elektrische Isolator ist bevorzugt eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie.
In einer Weiterbildung bildet die Wicklung einen Kühlkörper.
In einer Weiterbildung ist ein Abstand zwischen Wicklung und Kern derart gewählt, dass die Verluste durch Streufelder minimiert sind.
Bei dem Verfahren zur Herstellung der oben genannten Drossel wird die Wicklung aus einem Profilrohr, insbesondere aus einem Rechteckprofilrohr gebildet, welches zur Bildung des Leiters strukturiert wird, insbesondere durch materialabtragendes Bearbeiten in Form von Bohren, Sägen, Fräsen und/oder Funkenerodieren des Profilrohrs.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Hierbei zeigt schematisch:
1 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Drossel mit Kühlelement und
2 eine Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten Drossel.
1 zeigt eine Speicherdrossel 1 für hohe Ströme, beispielsweise 200 Ampere oder mehr, mit einem E-I-förmigen, magnetisierbaren Kern 2, beispielsweise aus Ferrit, amorphem Metallglas, nanokristallinen Bändern oder Metallpulvern als Kernmaterial, mit einem Schenkel, der eine Wicklungsachse 3 definiert, und einer einlagigen Wicklung 4, die durch einen massiven Leiter 5 aus Aluminium mit rechteckförmigem Querschnitt gebildet ist, der die Wicklungsachse 3 des Kerns 2 ringförmig umschließt.
Die Drossel 1 weist eine Nenn-Strombelastbarkeit von nominal 200 A mittlerem Strom auf, wobei der Querschnitt des Leiters 5 derart dimensioniert ist, dass dieser mehr als den Nominalstrom führen kann. Die Wicklung 4 und der Kern 2 sind derart dimensioniert, dass bei einer Belastung der Drossel 1 mit dem Nominalstrom Wicklungsverluste größer sind als Kernverluste, so dass mittels einer Kühlung der Wicklung 4, die wesentlich einfacher als eine Kühlung des Kerns 2 gestaltet werden kann, die im Betrieb entstehende Wärme einfach abführbar ist.
Zur effizienten Kühlung ist weiter ein flächiges Kühlelement 7 vorgesehen, welches thermisch mit der von der Wicklungsachse 3 des Kerns 2 abgewandten Seite bzw. Oberfläche der Wicklung 4 zu koppeln ist, wobei zwischen dem Kühlelement 7 und der Wicklung 4 ein wärmeleitender elektrischer Isolator in Form einer elektrisch isolierenden Wärmeleitfolie 8 vorgesehen ist. Entsprechende Kühlelemente können auf der Oberseite und/oder der Unterseite der Wicklung 4 vorgesehen sein.
Mittels eines Abstandhalters 9 wird ein Abstand zwischen dem Schenkel des Kerns 2 und der dem Schenkel zugewandten Oberfläche der Wicklung 4 derart gering festgelegt, dass Streuverluste minimiert sind.
Der Querschnitt des Leiters 5 ist derart dimensioniert, dass bei einer vorgesehenen Arbeitsfrequenz der Drossel 1 die durch Stromverdrängung wirksame Ersatzfläche deutlich kleiner ist als der Querschnitt des massiven Leiters 5. Dadurch fließt der dominierende Wechselstrom-Verlustanteil im Außenbereich des Leiters 5 bzw. der Wicklung 4 in Richtung des Kernbereichs der Wicklung 4 und schließlich längs der Wicklung 4 zur thermischen Senke in Form des Kühlelements 7.
Bohrungen 10 dienen als Anschlusselemente für weitere, nicht dargestellte Schaltungsteile einer Schaltung, welche die Drossel 1 verwendet.
2 zeigt zur Verdeutlichung eine Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten Drossel 1.
Ein Rechteckprofilrohr 6, welches in bereits strukturierter bzw. bearbeiteter Form dargestellt ist, wird zur Bildung der Wicklung 4 bzw. des Leiters 5 strukturiert.
Die Strukturierung erfolgt durch wendelförmiges Fräsen zur Bildung der Wicklung 4 bzw. des Leiters 5, wobei durch Sägen in Querrichtung des Profilrohrs 6 einzelne Wicklungssegmente erzeugt werden, die jeweils gemeinsam mit einem zugehörigen Kern und den weiteren dargestellten Bauelementen eine jeweilige Spule bilden. Mittels Bohren werden die Anschlüsse 10 erzeugt.
Bei sehr großen Stückzahlen kann die Wicklung 4 alternativ aus einem Druckgussformteil gebildet sein.
Erfindungsgemäß ist eine massive Wicklung 4 vorgesehen, die quadratische oder rechteckförmige Außenabmessungen aufweist. Damit kann die Wicklung 4 sehr einfach und mit geringem thermischem Widerstand an eine kühlende Fläche 7 angekoppelt werden. Der Querschnitt der massiven Wicklung 4 wird dabei bewusst überdimensioniert, so dass ein effizienter Wärmefluss innerhalb der Wicklung 4 möglich ist, d.h. die Wicklung 4 ist gleichzeitig der innere Kühlkörper des Bauelements 1.
Die elektrische Isolation der Wicklung 4 gegen die Kühlplatte bzw. den Kühlkörper 7 erfolgt mit einer dünnen Wärmeleitfolie 8 oder keramischem Material.
Das Material der Wicklung 4 ist Aluminium, Kupfer oder Titan.
Vorteilhaft ist die hocheffiziente Kühlbarkeit der Spule bzw. des Bauteils 1 über die thermisch gut ankoppelbare massive Wicklung 4. Weiterhin kann durch den großen Querschnitt Aluminium als Leitermaterial verwendet werden, wodurch Gewicht und Kosten eingespart werden.
Die erfindungsgemäße Drossel 1 weist eine massive Wicklung auf, deren Querschnitt derart groß dimensioniert ist, dass ein Transport der entstehenden Verlustwärme hin zu einer flächigen Wärmesenke 7 möglich ist, sodass aufwendige Kühlmaßnahmen entfallen können.
Anstelle des dargestellten E-I-förmige Kerns 2 kann selbstverständlich ein anders geformter Kern verwendet werden, beispielsweise eine U-förmiger Kern mit zwei außen liegenden Wicklungen.

Claims

Drossel (1) mit – einem magnetisierbaren Kern (2) mit einer Wicklungsachse (3) und – mindestens einer Wicklung (4), die durch einen Leiter (5) gebildet ist, der die Wicklungsachse des Kerns zumindest teilweise umschließt, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine Wicklung einlagig gebildet ist und – ein Querschnitt des Leiters rechteckförmig, insbesondere quadratisch, ist.
Drossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der Leiter massiv ausgebildet ist.
Drossel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine Wicklung aus einem Profilrohr (6) gebildet ist, welches zur Bildung des Leiters strukturiert ist, insbesondere durch materialabtragendes Bearbeiten strukturiert ist, insbesondere durch Bohren, Sägen, Fräsen und/oder Funkenerodieren strukturiert ist.
Drossel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die mindestens eine Wicklung aus einem Druckgussformteil gebildet ist.
Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Drossel eine Nenn-Strombelastbarkeit aufweist, wobei der Querschnitt des Leiters derart dimensioniert ist, dass eine Strombelastbarkeit des Leiters größer ist als die Nenn-Strombelastbarkeit.
Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Drossel eine Nenn-Strombelastbarkeit aufweist, wobei die Wicklung und der Kern derart dimensioniert sind, dass bei einer Belastung der Drossel mit ihrer Nenn-Strombelastbarkeit die Wicklungsverluste größer sind als die Kernverluste.
Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Leiter aus Aluminium, Kupfer oder Titan besteht.
Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – ein flächiges Kühlelement (7), welches thermisch mit der Wicklung, insbesondere mit einer von der Wicklungsachse des Kerns abgewandten Seite der Wicklung, gekoppelt ist.
Drossel nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch – einen wärmeleitenden, elektrischen Isolator (8), der zwischen dem Kühlelement und der Wicklung angeordnet ist.
Drossel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der wärmeleitende, elektrische Isolator eine elektrisch isolierende Wärmeleitfolie ist.
Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wicklung einen Kühlkörper bildet.
Drossel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Abstand zwischen Wicklung und Kern derart gewählt ist, dass die Verluste durch Streufelder minimiert sind.
Verfahren zur Herstellung einer Drossel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Wicklung aus einem Profilrohr (6) gebildet wird, welches zur Bildung des Leiters strukturiert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – das Strukturieren ein materialabtragendes Bearbeiten des Profilrohrs umfasst, insbesondere in Form von Bohren, Sägen, Fräsen und/oder Funkenerodieren.