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Die Erfindung betrifft eine Induktivität sowie eine Kühlvorrichtung für eine Induktivität.
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Induktivitäten werden bisher hauptsächlich mittels einer natürlichen Zwangskühlung und/oder wassergekühlt ausgeführt.
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Die konvektionell gekühlten Induktivitäten sind verhältnismäßig groß in der Bauform. Daher sind bei größerem Materialaufwand die Eisenverluste höher, wodurch sich die Kosten erhöhen.
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DE 10 2012 208 545 A1 offenbart eine elektrische Spule mit einer Kühlanordnung, welche eine schlauchförmige Kühlleitung aufweist. Diese wird mit einem Kühlfluid durchströmt.
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Bei wassergekühlten Systemen ist vergleichsweise ein viel höherer Materialaufwand erforderlich. Außerdem erzeugen Kühlplatten in der Nähe des Kerns bei höheren Frequenzen Wirbelströme und somit zusätzliche Eisenverluste.
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Eine Wasserkühlung erfordert auch einen relativ hohen Energieaufwand.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Induktivität sowie eine Kühlvorrichtung für eine Induktivität dahingehend zu verbessern, dass bei kleinem Bauraum eine effiziente Kühlung ermöglicht wird. Insbesondere soll die Größe zumindest annähernd dieselbe Größe wie eine wassergekühlte Induktivität erreichen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß ist die Kühlvorrichtung dazu ausgebildet, eine Induktivität zu kühlen.
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Der Begriff Induktivität umfasst z.B. passive elektrische und/oder elektronische Bauelemente, welche einen festen oder einstellbaren Induktivitätswert aufweisen. Bei der Induktivität kann es sich beispielsweise um eine Spule handeln. Die Spule kann mit oder ohne Eisenkern ausgebildet sein. Ferner kann es sich bei der Induktivität um einen Übertrager, z.B. Audioübertrager, Symmetrierübertrager, Anpassungsübertrager, handeln. Auch bei einem Balun, einer Drossel, z.B. Netzdrossel, Glättungsdrossel, Kommutierungsdrossel, Vordrossel, Chopperdrossel, Motordrossel oder Symmetriedrossel, und/oder einem Transformator, z.B. Pulstransformator, Netztransformator, Trenntransformator, Mittelfrequenztransformator oder Impulstransformator, handelt es sich um Induktivitäten.
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Die Kühlvorrichtung umfasst zumindest einen Luftstromerzeuger. Der Luftstromerzeuger kann insbesondere elektrisch angetrieben sein.
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Vorzugsweise weist der Luftstromerzeuger wenigstens einen Lüfter auf oder besteht daraus.
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Bei der Luft kann es sich insbesondere um Umgebungsluft bei Umgebungstemperatur handeln. Dies gestaltet sich vergleichsweise kostengünstig. Alternativ kann die Luft auch beispielsweise vorgekühlt sein und/oder aus einer anderen Umgebung stammen. Die Kühlung gestaltet sich dadurch effizienter.
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Die Kühlvorrichtung umfasst eine Leitvorrichtung zum Leiten des erzeugten Luftstroms. Auf diese Weise kann der Luftstrom, welcher durch den Luftstromerzeuger erzeugt wird, zur gewünschten Position geleitet werden, beispielsweise zu Hotspots der Induktivität.
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Die Leitvorrichtung kann z.B. Leitplatten, insbesondere Leitbleche, Luftführungskämme, Kanäle und/oder Führungen umfassen.
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Durch die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung können hohe Verlustleistungen mittels eines Luftstroms abgeführt werden, sodass eine effiziente Zwangskühlung bei geringem Energieverbrauch erfolgt.
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Wasserbasierte Kühlvorrichtungen können folglich ersetzt werden. Die Herstellung gestaltet sich dazu im Vergleich kostengünstig.
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Durch die Luftkühlung können auch kleine Bauformen mit geringem Volumen ermöglicht werden. Im Vergleich zu wassergekühlten Induktivitäten ist insbesondere kein zusätzlicher Aufwand an Material und Komponenten wie Förderpumpen, Rückkühler und/oder Verrohrung notwendig.
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Beispielsweise kann eine Induktivität mit drei nebeneinander angeordneten Spulen und jeweils stirnseitig angeordneten Luftstromerzeugern eine Breite zwischen 40 cm und 70 cm, vorzugsweise zwischen 60 cm und 65 cm, aufweisen.
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Sind die Luftstromerzeuger beispielsweise an den Breitseiten montiert, kann die Breite auch kleiner oder gleich 60 cm sein. So kann die luftgekühlte Induktivität beispielsweise auch bei 60 cm breiten Schaltschrankelementen eingesetzt werden.
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Die Tiefe kann z.B. zwischen 15 cm und 30 cm, vorzugsweise zwischen 18 cm und 22 cm betragen.
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Insbesondere kann die Höhe zwischen 40 cm und 70 cm, vorzugsweise zwischen 45 cm und 60 cm, betragen.
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Die Luftstromerzeuger können beispielsweise eine Breite und/oder Höhe zwischen 5 cm und 20 cm, vorzugsweise zwischen 10 cm und 15 cm, aufweisen.
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Insbesondere kann die Größe der Induktivität zumindest annähernd dieselbe Größe wie eine wassergekühlte Induktivität erreichen.
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Die Kühlung durch Luft gestaltet sich bei vergleichbarem Aufwand auch deutlich effizienter als bei einer Wasserkühlung. Beispielsweise kann die Induktivität auf zwischen 90°C und 130°C, insbesondere zwischen 110°C und 120°C, gekühlt werden. Beispielsweise kann bei 40°C Umgebungstemperatur eine Kühlung des Hotspots auf etwa 120°C erfolgen.
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Die Kühlung wirkt insbesondere sehr gleichmäßig auf alle Teile der Induktivität.
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Die Kühlvorrichtung kann in vielen Bereichen verwendet werden, z.B. der Antriebstechnik, der Leistungselektronik, dem Maschinenbau, der Bahntechnik, dem Schiffsbau und/oder bei sämtlichen Baumaschinen mit elektrischem Antrieb.
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Durch die effiziente Kühlung können größere Leistungen bei vergleichsweise kleiner Bauweise umgesetzt werden. Somit kann die Kühlvorrichtung überall eingesetzt werden, wo Gewicht und/oder Material eingespart werden soll bzw. muss. Auch kann die Kühlvorrichtung in einer Umgebung eingesetzt werden, in der eine Induktivität benötigt wird, jedoch eine Wasserkühlung unerwünscht bzw. nicht vorhanden ist.
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Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind zumindest zwei, drei, vier, fünf oder sechs Luftstromerzeuger vorgesehen. Zusätzliche Luftstromerzeuger verbessern die Kühlung. Auch kann eine Verteilung auf mehrere kleine Lüfter erfolgen, falls der vorhandene Bauraum platzmäßig keinen einzelnen, großen Lüfter erlaubt.
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Die Luftstromerzeuger können beispielsweise nebeneinander angeordnet sein. Alternativ können diese an gegenüberliegenden Seiten vorgesehen sein.
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Herkömmliche Induktivitäten können insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung nachgerüstet werden.
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Die Erfindung betrifft auch eine Induktivität mit einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. So können beispielsweise auch neue Induktivitäten bereits werkseitig mit einer entsprechenden Kühlvorrichtung ausgestattet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Induktivität als Drossel oder Transformator ausgebildet.
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Drosseln werden beispielsweise dazu herangezogen, um elektrische Ströme in Leitungen zu begrenzen. Auch kann Energie zwischengespeichert werden. Ferner werden Drosseln zur Impedanzanpassung und/oder zur Filterung verwendet.
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Anwendung finden Drosseln z.B. im Bereich der Stromversorgungen elektrischer und/oder elektronischer Geräte, in der Leistungselektronik bzw. in der Nieder- und/oder Hochfrequenztechnik.
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Beispielsweise kann die Drossel als 500V-514A-Chopper-Drossel ausgebildet sein. Die Frequenz kann beispielsweise zwischen 1 kHz und 5 kHz, insbesondere zwischen 2 kHz und 4 kHz, betragen.
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Ein Transformator umfasst meist zwei oder mehr Wicklungen. Insbesondere ist dabei ein Draht, z.B. aus Kupfer oder Aluminium, um einen Ferrit- bzw. Eisenkern gewickelt. Eine an einer Spule angelegte Eingangswechselspannung kann in eine Ausgangswechselspannung umgewandelt werden.
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Die bei der Drosselung bzw. Transformation auftretenden, hohen Temperaturen können durch die Kühlvorrichtung erheblich reduziert werden, um eine zuverlässige Funktion zu gewährleisten.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist zumindest eine Spule vorgesehen. Bei der Spule kann es sich vorzugsweise um eine elektrische Spule mit einer induktiv wirksamen Wicklung, z.B. aus Kupfer oder Aluminium, handeln. Die Spule, insbesondere ein Hotspot der Spule, kann durch die Kühlvorrichtung zuverlässig abgekühlt werden.
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Die Spule kann insbesondere vertikal oder horizontal orientiert sein. Die Orientierung ist grundsätzlich beliebig.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind zumindest zwei, drei, vier, fünf oder sechs Spulen vorgesehen. Die Spulen können insbesondere vertikal oder horizontal orientiert sein. Die Orientierung ist grundsätzlich beliebig.
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Die Ausgestaltung der Induktivität kann an den jeweiligen Anwendungsfall grundsätzlich beliebig angepasst werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist ein Gehäuse vorgesehen, welches wenigstens eine Spule zumindest abschnittsweise oder lediglich abschnittsweise umgibt. Vorzugsweise umgibt das Gehäuse die gesamte Spule bzw. sämtliche Spulen nicht vollständig.
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Insbesondere kann z.B. lediglich der untere und/oder obere Abschnitt der Spule vom Gehäuse umgeben werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist ein Gehäuse vorgesehen, welches an wenigstens eine Spule angrenzt. Vorzugsweise ist hierbei das Gehäuse z.B. an der Stirnseite, insbesondere Unter- oder Oberseite, der Spule angeordnet. Das Gehäuse kann die Spule optional auch zumindest abschnittsweise umgeben. Dies ist jedoch nicht erforderlich.
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Das abgeschlossene Gehäuse kann auch als Korpus oder (Luft-)Verteilerkorpus bezeichnet werden. Der Korpus kann insbesondere einen Teil der Kühlvorrichtung bilden oder als separates Bauteil ausgebildet sein.
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Vom Korpus aus kann die Luft z.B. in Kühlkanäle oder Spalten der Spule verteilt werden.
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Vorzugsweise umfasst das Gehäuse ein Kunststoff- und/oder Gewebematerial oder besteht daraus. Das Material ist jedoch grundsätzlich beliebig.
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Das Gehäuse ist vorzugsweise luftundurchlässig. Ein unkontrolliertes Ausströmen der erzeugten Luft nach außen wird dadurch verhindert. Öffnungen sind vorzugsweise lediglich im Bereich des Luftstromerzeugers sowie im Bereich der Kühlkanäle bzw. Spalten vorgesehen.
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Über den Luftstromerzeuger kann die Luft in das Innere des Gehäuses gelangen. Die Leitvorrichtung wirkt mit dem Gehäuse dann derart zusammen, dass die Luft an die gewünschte Position geleitet wird. Insbesondere können dabei Öffnungen im Gehäuse vorgesehen sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Luftstromerzeuger an einem unteren Bereich angeordnet. So kann die Luft insbesondere von unten in das Gehäuse eingeleitet werden. Durch den Kamineffekt wird die kühle Luft nach oben gesogen und durchströmt die Induktivität. Dabei nimmt die Luft Wärme der Induktivität auf. In einem, insbesondere oberen, Luftaustrittsbereich kann die erwärmte Luft wieder austreten und somit die Wärme nach außen abtransportieren.
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Grundsätzlich ist die Position des Luftstromerzeugers jedoch beliebig. So kann dieser auch z.B. in einem oberen oder mittleren Bereich der Induktivität bzw. des Gehäuses angeordnet sein.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Luftstromerzeuger an einer Stirnseite oder einer Breitseite der Induktivität bzw. des Gehäuses angeordnet.
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Vorzugsweise ist an jeder Stirnseite wenigstens ein Luftstromerzeuger vorgesehen. So kann der Luftstromerzeuger z.B. seitlich an Versteifungsblechen angeordnet sein.
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Alternativ kann der Luftstromerzeuger auch an einer Breitseite, z.B. einer Rück- oder Vorderseite, angeordnet sein. Insbesondere wird die Breite der Induktivität durch den Luftstromerzeuger hierbei nicht erhöht.
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Die Luft kann insbesondere von einer Seite in das Gehäuse eingeleitet werden. Durch den erzeugten Luftstrom wird die kühle Luft auf die andere Seite der Spule befördert und durchströmt die Induktivität.
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Grundsätzlich ist die Position des Luftstromerzeugers beliebig. So kann dieser z.B. seitlich, vorne, hinten oder schräg an der Induktivität bzw. dem Gehäuse angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Leitvorrichtung dazu ausgebildet, den Luftstrom in das Innere der Spule, in einen Spalt zwischen den Wicklungen der Spule und/oder in einen Spalt zwischen den Wicklungen und dem Kern der Spule zu leiten.
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Dazu kann die Leitvorrichtung z.B. Leitplatten, insbesondere Leitbleche, Luftführungskämme, Kanäle und/oder Führungen umfassen. Die Leitvorrichtung kann insbesondere einen trichterförmigen Abschnitt aufweisen. Dieser kann sich unmittelbar an den Luftstromerzeuger anschließen, sodass die erzeugte und in das Innere des Gehäuses eingebrachte Luft komprimiert wird.
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Der Innenraum einer Spule kann vorzugsweise zumindest teilweise frei sein. Dadurch entsteht z.B. ein zentraler Kanal für die Luft. Durch die Leitvorrichtung kann die Luft in diesen Kanal eingeleitet werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann auch wenigstens ein Spalt zwischen den Wicklungen vorgesehen sein. Auch in diesen Spalt kann die Luft durch die Leitvorrichtung eingeleitet werden.
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Es kann somit mittels des Luftstromerzeugers sowie der Leitvorrichtung ein fokussierter und gelenkter Luftstrom erzeugt werden, welcher durch die zu kühlende Einheit geleitet wird. Luft wird insbesondere in einen zentralen Korpus geblasen, welcher die Luft verteilt und die Einheit kühlt.
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Vom Korpus aus kann der Luftstrom z.B. über Öffnungen in die zu kühlenden Spulen verteilt werden. Der Korpus kann z.B. Hartgewebe und/oder geeignete Plattenmaterialien umfassen oder daraus bestehen.
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Alle hier beschriebenen Aspekte, Ausführungsformen und Merkmale der Erfindung können, insbesondere auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden, jeweils miteinander kombiniert werden. Insbesondere können alle Gegenstände der abhängigen Ansprüche untereinander und mit jedem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche kombiniert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Induktivität,
- 2 eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Induktivität,
- 3 eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Induktivität,
- 4 eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Induktivität,
- 5 eine Schnittansicht der Induktivität gemäß 4,
- 6 eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Spule einer erfindungsgemäßen Induktivität, und
- 7 eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Induktivität.
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Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. So können einzelnen Merkmale nicht nur in der gezeigten Kombination sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert sein. Beispielsweise können die Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Insbesondere kann die Anzahl der Spulen variieren. Ferner kann auch die Anzahl und/oder Position der Luftstromerzeuger unterschiedlich sein.
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Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.
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1 zeigt eine als Transformator 10 ausgebildete Induktivität mit drei nebeneinander angeordneten, vertikal orientierten Spulen 12.
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Die Induktivität umfasst eine Kühlvorrichtung 14, welche an den unteren Stirnseiten der Spulen 12 angeordnet ist.
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Die Kühlvorrichtung 14 weist einen als Lüfter 16 ausgebildeten Luftstromerzeuger auf, welcher in einem unteren Bereich an einer seitlichen Stirnseite des Transformators 10 angeordnet ist.
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Ferner umfasst die Kühlvorrichtung 14 eine Leitvorrichtung 18 zum Leiten des durch den Lüfter 16 erzeugten Luftstroms. Die Leitvorrichtung 18 kann z.B. trichterförmig zulaufende Leitbleche umfassen.
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Die Luft wird in ein als Verteilerkorpus 20 ausgebildetes Gehäuse geleitet, welches unterhalb der Spulen 12 angeordnet ist. Der Verteilerkorpus 20 ist eine im Grunde geschlossene Einheit, welche Lufteintrittsöffnungen im Bereich der Lüfter 16 aufweist.
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2 zeigt eine als Drossel 22 ausgebildete Induktivität mit zwei Spulen 12. An den gegenüberliegenden Stirnseiten sind jeweils zwei Lüfter 16 vorgesehen.
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Bei der in 3 dargestellten Drossel 22 sind drei Spulen 12 vorgesehen. Die Lüfter 16 sind hierbei an der vorderen Breitseite angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können auch an der hinteren Breitseite Lüfter 16 vorgesehen sein. Die Gesamtbreite der Drossel 22 wird durch die Lüfter 16 nicht erhöht, sodass diese auch beispielsweise in einem schmalen Schaltschrank verbaut werden kann.
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4 zeigt eine Drossel 22 mit drei Spulen 12. Die beiden Lüfter 16 sind im unteren Bereich der Drossel 22 an gegenüberliegenden Stirnseiten angeordnet.
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Wie in der Schnittansicht gemäß 5 gezeigt ist, kann die angesaugte Umgebungsluft über die Lüfter 16 in den Verteilerkorpus 20 eingeblasen werden. Die Leitvorrichtung 18 bestimmt dabei die Strömungsrichtung des erzeugten Luftstroms.
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In 6 ist eine Draufsicht auf eine Spule 12 gezeigt. Die Spule 12 weist einen Eisenkern 24 auf. Um diesen sind Wicklungen 26 gewickelt. Diese liegen zum Teil nicht unmittelbar am Eisenkern 24 an und bilden dadurch Kühlkanäle 28. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Eisenkern 24 innen hohl sein und einen Kühlkanal 28 ausbilden.
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Auch zwischen den Wicklungen 26 können optional Spalte 30 vorgesehen sein.
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Die zu kühlende Spule 12 weist somit Kühlkanäle 28 und Spalten 30 auf, über die die Wicklungen 26 und der Eisenkern 24 gekühlt werden können.
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Der Verteilerkorpus 20 weist im Bereich der Kühlkanäle 28 und/oder der Spalten 30 Öffnungen auf, durch die der Luftstrom vom Verteilerkorpus 20 aus in die Kühlkanäle 28 und/oder Spalten 30 eingeleitet wird.
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Durch den erzeugten Luftdruck der Lüfter 16 wird die Luft durch die Kühlkanäle 28 und/oder Spalten 30 gezwungen. Die im Betrieb entstandene Verlustleistung kann dadurch in Form von warmer Luft abgeführt werden.
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Dadurch, dass die Lüfter 16 im unteren Bereich angeordnet sind, sind diese weit von der abgegebenen Verlustwärme des Leistungsteils entfernt. Auch kann kühle Luft von unten angesaugt werden, wodurch der Kühleffekt gefördert wird.
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Ferner wird der Eisenkern 24 durch den Luftstrom gleichmäßig mitgekühlt. So wird bei kleinem Bauraum eine effiziente Kühlung ermöglicht.
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Bei der in 7 dargestellten Drossel 22 ist lediglich ein Lüfter 16 vorgesehen.
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Der Lüfter 16 ist hierbei an der vorderen Breitseite angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann auch an der hinteren Breitseite ein Lüfter 16 vorgesehen sein. Durch eine optimierte Leitvorrichtung 18 kann der Luftstrom auch bei lediglich einem Lüfter 16 z.B. zu Hotspots geführt und die Drossel 22 effizient gekühlt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Transformator
- 12
- Spule
- 14
- Kühlvorrichtung
- 16
- Lüfter, Luftstromerzeuger
- 18
- Leitvorrichtung
- 20
- Verteilerkorpus, Gehäuse
- 22
- Drossel
- 24
- Eisenkern
- 26
- Wicklung
- 28
- Kühlkanal
- 30
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012208545 A1 [0004]
