-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere für Drosselspulen, sowie Spulenwicklungen die sich einer solchen Vorrichtung zum Kühlen bedienen.
-
Schon seit längerer Zeit sind Drosselspulen bekannt, die zur Dämpfung, Funkentstörung, Kommutierung, Strombegrenzung, Unterdrückung unerwünschter Frequenzen oder zur Energiespeicherung in Schaltreglern und Schaltnetzteilen eingesetzt werden. Solche Spulen, auch Drosselspulen genannt, sind induktive passive Bauelemente, die überwiegend im Bereich der Stromversorgung elektrischer oder elektronischer Geräte oder Anlagen sowie in der Leistungselektronik eingesetzt werden.
-
Die Drosselspulen bestehen aus mindestens einem Wickel eines Stromleiters, durch den der volle Laststrom der Schaltung fließt, mit Windungen, die auf einem Spulenkörper gewickelt sind und meist mit einem weichmagnetischen Kern versehen sind. Die Windungsanordnung, ihre Form und der Drahtdurchmesser, das Wickel- und das Kernmaterial legen den Wert der Induktivität und weitere Eigenschaften der Drosselspule fest. Durch die Wicklung von Drosselspulen fließt der volle Laststrom der nachfolgenden Schaltung. Deshalb haben sie, um die Ohmschen Verluste gering zu halten, oftmals einen relativ breiten Querschnitt. Derzeit werden Drosselspulen durch mehrere Lagen eines isolierten Leiters – in Abhängigkeit der geforderten Windungszahl – gewickelt. Auf Grund der elektrischen Beanspruchung der Spule kommt es zu thermischen Verlusten in der Wicklung und dem Spulenträger bzw. Spulenkern. Die einzelnen Wicklungslagen werden durch Einbringung eines Isolationsmaterials elektrisch voneinander isoliert. Durch die notwendigen Leiterisolationen wird die Leistungsdichte der Spulen begrenzt, da es zu Überhitzungen im Spulenkern und/oder der Spulenwicklung kommen kann. Um thermisch bedingte Verluste zu reduzieren, sind Konzepte entwickelt worden, die beispielsweise eine Wasserkühlung von Drosselspulen vorsehen, welche auf der Einbringung von metallischen Kühlkörpern in die Wickelstruktur basieren. Dazu müssen für unterschiedliche Anordnung jeweils spezielle Kühlkörper vorgesehen werden.
-
Eine weitere Möglichkeit der Kühlung der Drosselspule ist eine Montage auf eine Kühlplatte. Dabei kann es in einigen Fällen, durch die Einbringung der Kühlplatte zu erhöhten elektrischen Verlusten auf Grund von Wirbelströmen kommen. Darüber hinaus erhöht die Einbringung von Kühlkörpern das Spulengewicht und die Abmessungen der Spule.
-
Des Weiteren sind Matten bekannt, die zur Kühlung eingesetzt werden, welche allerdings nur bei einem begrenzten Biegeradius der Wicklung oder des Spulenkörpers funktionieren. Bei kleineren Spulenabmessungen ist dieses nicht mehr möglich.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere für Drosselspulen, vorzusehen, die eine hohe Kühleffizienz besitzt, ein geringes Gewicht aufweist und eine kompakte Bauweise erlaubt, bei gleichzeitiger Herabsetzung der Herstellungskosten.
-
Diese Aufgabe wird mittels einer Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere für Drosselspulen, gelöst, welche umfasst:
eine im Wesentlichen ebene Matte mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, wobei auf deren beiden Oberflächen Leitungen zum Führen eines Fluids – insbesondere eines Kühlfluids – vorgesehen sind, die untereinander durch in der Matte vorgesehen Öffnungen verbunden sind, durch die das Fluid hindurch von den auf der ersten Oberfläche der Matte angeordneten Leitungen in die auf der zweiten Oberfläche der Matte angeordneten Leitungen einbringbar ist. Besonders vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass eine gleichmäßige Kühlung der mit ihr in Kontakt stehenden Drosselspulbereiche gewährleistet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die spezielle Anordnung der Leitungen auf den beiden Oberflächen der Matte auch einen Verguss mit dem sie umgebenden Wicklungsbereich. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass durch den Verguss nicht nur die mechanische Stabilität der Drosselspule erhöht wird, sondern auch eine bessere thermische Anbindung geschaffen wird. Dadurch wird die Effizienz beim Kühlen erheblich verbessert.
-
Damit eine gleichmäßige Durchströmung der Vorrichtung zum Kühlen gewährleistet ist, weisen die Leitungen zum Führen eines Fluids eine Struktur auf, die Polygonen entspricht. Besonders vorteilhaft dabei sind regelmäßige Polygonstrukturen.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die Polygone eine gerade Eckknotenzahl auf. Regelmäßige Polygone mit einer geraden Eckknotenzahl ermöglichen eine Struktur, die eine gleichmäßige mechanische Belastung sowie Durchströmung der Vorrichtung zum Kühlen ermöglicht.
-
Um eine Struktur zu ermöglichen, die einen Verguss der Spulenbereiche mit der Vorrichtung zum Kühlen ohne die Bildung von Lufteinschlüssen zu erlauben, erstrecken sich jeweils in einem benachbarten Eckknoten treffende Leitungen zum Führen eines Fluids im Wesentlichen über eine Hälfte ihrer Länge hinweg auf derselben Oberfläche der Matte. Dadurch bleiben jeweils komplementäre ausgesparte Bereiche auf der Matte zurück, die den Verguss der Spule erheblich erleichtern und verbessern, da keine nach allen Seiten hin abgegrenzte Bereich auf der Matte entstehen, in die eine Vergussmasse nicht einfließen kann. Auf diese Art und Weise wird die Bildung von Lufteinschlüssen erheblich vermindert oder sogar vermieden und dadurch die thermische Anbindung der Vorrichtung zum Kühlen an den sie umgebenden Wicklungsbereich gewährleistet.
-
Bei einer zweckdienlichen Ausführungsform sind die in der Matte vorgesehenen Öffnungen jeweils in einer Mitte der Länge zwischen zwei Eckknoten der fluidführenden Leitung angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kühlleistung auf beiden Oberflächen der Matte in etwa die Gleiche ist.
-
Bei einer besonders geeigneten Ausführungsform der Erfindung sind die Leitungen zum Führen eines Fluids und die damit versehene Matte aus einem elastischen und/oder elektrisch nicht leitenden Kunststoff herstellbar. Dadurch ist es möglich, die Vorrichtung zum Kühlen auch in Teilbereichen der Drosselspule anzuordnen, die leichte Biegungen aufweist. Des Weiteren erlaubt der Einsatz von Kunststoffen eine leichte und kostengünstige Herstellung der Vorrichtung zum Kühlen, die dadurch ein geringes Gewicht aufweist und unerwünschte elektrische bedingte Verluste vermeidet, wie sie bei metallischen Kühlkörpern auftreten. Durch die optimale Kühlleistung, lassen sich auch kompakte Bauweisen der Drosselspule ausführen.
-
In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform sind Abstandshalter vorgesehen, die in die von Leitungen zum Führen eines Fluids ausgesparten Flächen der Matte einbringbar sind. Durch das Einbringen von mechanisch stabilen Abstandshaltern in die von Leitungen zum Führen eines Fluids ausgesparten Flächen der Matte kann ein mechanischer Druck, der beim Wickelprozess der Drosselspule entsteht, aufgefangen werden und eine mechanische Verformung oder Zerstörung der Vorrichtung zum Kühlen, insbesondere der Leitungen zum Führen eines Fluids vorgebeugt werden.
-
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Spulenwicklung, insbesondere von Drosselspulen, mit einer Vorrichtung zum Kühlen wie vorausgehend beschrieben, bei der die Vorrichtung zwischen vorbestimmten Wicklungslagen und/oder Wicklungsbereichen der Spule angeordnet sind. Solche Spulenwicklungen können hinsichtlich ihrer elektrischen Leistungsfähigkeit sowie ihrer thermischen Verluste durch die gezielte Anordnung der Vorrichtung zum Kühlen optimiert werden.
-
Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand einer Zeichnung näher erläutert.
-
Hierbei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Kühlen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung – Matte – wobei zur besseren Veranschaulichung ein Ausschnitt der Matte in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht herausgearbeitet ist. In der dargestellten vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung zum Kühlen als eine Kühlmatte 10 realisiert. Die Kühlmatte 10 weist einen Zulauf 20 auf, über den ein Fluid – insbesondere ein Kühlfluid – in die Vorrichtung zum Kühlen eingeleitet wird. Durch Leitungen 4 – hier der Übersichtlichkeit wegen nur einige davon mit Bezugszeichen versehen – wird das Fluid zu einem Ablauf 30 der Kühlmatte 10 durchgeleitet, bei dem die erwärmte Kühlflüssigkeit austreten kann.
-
Die dargestellte Kühlmatte 10 kann besonders vorteilhaft zum Kühlen von Drosselspulen – hier nicht gezeigt – eingesetzt werden. Dabei werden eine oder mehrere Kühlmatten 10 in bestimmten Wicklungslagen und/oder Wicklungsbereichen einer Drosselspule angeordnet, um diese möglichst effektiv kühlen zu können. Auf Grund von elektrischen Beanspruchungen der Drosselspule kommt es zu thermischen Verlusten in der Wicklung und/oder dem Spulenkörper bzw. Spulenkern, die möglichst gleichmäßig abgeführt werden müssen. Bevorzugt werden solche Kühlmatten 10 beispielsweise bei rechteckigen Spulenkörpern mit kleinen Biegeradien, an den Ebenen bzw. leicht gekrümmten Flächen des Spulenkörpers oder bestimmter Wicklungsschichten der Drosselspule angeordnet – hier nicht gezeigt.
-
Für eine möglichst effiziente Kühlleistung der Kühlmatte 10 muss eine gleichmäßige Durchströmung der Kühlmatte 10 mit dem Fluid gewährleistet werden. Dazu weist die Kühlmatte 10 eine Struktur von Leitungen 4 zum Führen eines Fluids auf, die teilweise auf einer ersten und zweiten Oberfläche 1, 2 der Matte 10 verlaufen. In der Matte 10 sind Öffnungen 5 vorgesehen – auch nur einpaar davon in der Figur der Übersichtlichkeit wegen mit Bezugszeichen versehen, über die die einzelnen Teilbereiche der Leitungen 4 untereinander verbunden sind. Durch diese Öffnungen 5 kann das Fluid aus den auf der ersten Oberfläche 1 der Matte 10 angeordneten Leitungen 4 in die auf der zweiten Oberfläche 2 der Matte 10 angeordneten Leitungen 4 hindurchfließen und umgekehrt.
-
In der Figur ist eine wabenartige Struktur der Leitungen 4 erkennbar, wenn diese als Projektion auf der sie aufnehmenden Kühlmattenfläche betrachtet werden. In dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Leitungen 4 ein regelmäßiges Hexagon. Da einzelne Teilbereiche der Leitungen 4 auf den unterschiedlichen Oberflächen 1 und 2 der Matte 10 angeordnet sind, bilden die benachbarten Eckknoten 6, die von sich schneidenden Leitungen gebildet werden, Y-Strukturen, die aus der jeweiligen Oberfläche 1, 2 der Matte 10 hervortreten. Dabei sind benachbarte Y-Strukturen, die die Eckknoten 6 des Hexagons bilden jeweils abwechselnd auf einer der Oberflächen 1, 2 der Matte 10 angeordnet. Dadurch entstehen auf der jeweiligen Oberfläche 1, 2 der Matte 10 Aussparungen bzw. leitungsfreie Bereiche, die ein Vergießen der Matte 10 zwischen einzelnen Wicklungslagen bzw. einer Wicklungslage und einem Spulenkern der Drosselspule ermöglichen. Durch diese spezielle Anordnung wird beim Vergießen mit einer Vergussmasse die Bildung von Lufteinschlüssen erheblich verringert bzw. vermieden. Lufteinschlüsse würden sich negativ auswirken, da sie ein thermischer Isolator sind und dadurch eine bevorzugte thermische Anbindung der Matte 10 an die zu kühlenden Elemente der Drosselspule einschränken.
-
Es hat sich gezeigt, dass eine wabenförmige – hexagonale – Anordnung der Leitungen 4 mechanisch besonders vorteilhaft wirkt und zum Weiteren eine gleichmäßige Durchströmung der Matte 10 mit dem durch die Leitungen 4 strömenden Fluid ermöglicht. Dadurch wird die Kühlleistung erhöht.
-
Darüber hinaus lassen sich in den von Leitungen 4 ausgesparten Bereichen der Y-Strukturen der Matte 10 Abstandshalter 3 einbringen, wodurch ein mechanischer Druck, der bei einem Wickelprozess der Drosselspule entsteht, aufgefangen werden kann und dadurch eine mechanische Verformung der Matte 10 sowie deren Leitungen 4 vorgebeugt werden kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass keine Leitung 4 unterbrochen wird und somit das Fluid in alle Bereiche der Matte 10 gleichmäßig strömen kann.
-
Bei weiteren – hier nicht weiter gezeigten – Ausführungsformen kann die Anordnung der Leitungen 4 beispielsweise quadratisch sein, wobei sich dadurch in den Eckknoten 6 L-förmige Strukturen ausbilden, die ähnliche Vorteile aufweisen, wie die eben bei der hexagonalen Anordnung der Leitungen 4 besprochenen Y-Strukturen. Darüber hinaus sind Anordnungen von Leitungen 4 möglich, die eine beliebige Form eines Polygons, aber auch andere beispielsweise gekrümmten Formen aufweisen können. Die hier bevorzugten Ausführungsformen weisen eine gerade Eckknotenzahl – hier sechs – auf, wobei dadurch benachbarte Eckknoten 6 abwechselnd auf der einen Oberfläche 1 bzw. anderen Oberfläche 2 der Matte 10 angeordnet werden können. Der sich dadurch ergebende Vorteil wurde vorstehen besprochen und betrifft den gleichmäßigen Verguss der Matte 10 mit den zu kühlenden Elementen der Drosselspule durch die vorgesehenen ausgesparten Bereiche der Kühlmatte 10.
-
Als Material für die Matte 10 und deren Leitungen 4 werden elastisch Kunststoffe bevorzugt, da diese ein geringes Gewicht aufweisen, eine leichte Herstellung der Vorrichtung zum Kühlen erlauben, und kostengünstig sind. Darüber hinaus sind viele der Kunststoffe auch elektrische Isolatoren, wobei dadurch elektrisch bedingte Verluste der Drosselspule, die auf Grund von Wechselspannungen auftreten, minimiert werden. Ein weiterer Vorteil der elastischen Kunststoffe ist ihre Eigenschaft, sich deformieren zu lassen, ohne beschädigt zu werden. Dadurch werden ein Einbau und eine bestimmte Anordnung der Kühlmatte 10 in der Drosselspule erheblich begünstigt.
-
Drosselspulen, die eine solche Vorrichtung zum Kühlen aufweisen, weisen eine kompaktere Bausweise als herkömmliche Drosselspulen auf, können kostengünstig hergestellt und vor allem kostengünstig betrieben werden.
