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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil mit wenigstens einer in einer Vergussmasse angeordneten elektrischen Verlustleistungsquelle und einer Kühleinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Elektrische Bauteile, z. B. in der Form von Drosseln oder Transformatoren, erzeugen sowohl im Bereich des Kernes als auch in der Wicklung hohe Wärmeverluste, sodass eine Flüssigkeitskühlung oder eine forcierte Luftkühlung zur Abführung dieser Wärmeverluste erforderlich ist. Wenn eine Drossel oder ein Transformator zur Erreichung höherer Schutzeigenschaften vergossen wird, verschlechtert sich automatisch die Wärmeabgabe an die Umgebung, da die thermische Leitfähigkeit der Vergussmassen in der Regel zu gering ist, um die Verlustenergien schnell genug an die Umgebung weiterleiten zu können. Im Übergangsbereich zwischen der Wicklung und dem Kern treten zudem in der Vergussmasse hohe Temperaturgradienten auf. Die hieraus resultierenden Temperaturspannungen führen wiederum zu starken mechanischen Verspannungen in der Vergussmasse, die zum Reißen oder Platzen der Vergussmasse führen können. Dies hat schlimmstenfalls zur Folge, dass die elektrische Vorrichtung ihre Schutzeigenschaften verliert oder sogar funktionsunfähig wird.
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Die 26 zeigt im Querschnitt in schematischer, perspektivischer Darstellung ein elektrisches Bauteil in der Form einer bekannten vergossenen und wasserverkühlten, dreiphasigen Netzdrossel. Dabei ist auf jeweils einem Kern 1, 2, 3 eine Wicklung 4, 5, 6 angeordnet. Die Kerne 1, 2, 3 sind über insgesamt zwei Joche 7 miteinander verbunden. Die lediglich schematisch angedeuteten Flachanschlüsse der Wicklungen 4, 5, 6 sind mit 8, 9 und 10 bezeichnet. Es sind Kühlkörper 11, 12, 13 vorgesehen, die zwischen den Wicklungen 4, 5, 6 und den Kernen 1, 2, 3 in der ersichtlichen Weise verlaufen. Dabei besitzen die Kühlkörper 11, 12, 13 Metallrohre, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.
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Das gesamte, bislang erläuterte elektrische Bauteil ist in einer Vergussmasse 14 angeordnet.
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Beim Betrieb dieses bekannten elektronischen Bauteiles wird ein großer Teil der Verlustenergie über das Kühlmedium abtransportiert. Ein Großteil der Wicklungstemperatur kann jedoch nicht effektiv durch die Flüssigkeitskühlung abgeführt werden. Da sehr hohe Temperaturen vorherrschen, versucht ein Teil der Verlustenergie durch die Vergussmasse 14 nach außen zu dringen. Wegen der relativ schlechten Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse (z. B. 0,6 bis 1,2 W/m/K) verteilt sich die Verlustwärme jedoch nur sehr schlecht in der Vergussmasse, sodass am Übergang zwischen Wicklung und Joch ein sehr hoher Temperaturgradient entsteht, der zu den bereits erwähnten hohen Temperaturspannungen führt. Bedingt durch eine vorhandene Glasumwandlungstemperatur der Vergussmasse entstehen somit hohe mechanische Spannungen in der Vergussmasse. Die Vergussmasse kann daher schnell reißen oder platzen, was zum Verlust der Schutzeigenschaften, unter Umständen sogar zum Ausfall der gesamten elektrischen Vorrichtung führen kann.
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Da, wie oben geschildert, höhere Verlustleistungen wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Vergussmassen nicht in dem Maße abgeführt werden können, wie es erforderlich wäre, um eine homogenere Temperaturverteilung innerhalb der Vergussmasse zu erreichen, verzichten viele Hersteller bekanntermaßen vollständig auf ein Vergießen ihrer Produkte, da sie die thermischen Spannungen nicht auf ein notwendiges Maß reduzieren können.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, bei elektrischen Bauteilen mit wenigstens einer Verlustleistungsquelle, die in einer Vergussmasse vergossene ist, die beim Betrieb des elektrischen Bauteiles entstehenden Wärmeverluste besser und gleichmäßiger abzuleiten, vorzugsweise innerhalb der Vergussmasse zu verteilen und/oder gezielt zu einem Kühlmedium abzuleiten. Anders ausgedrückt sollen aufgabengemäß das Wärmemanagement und die Wärmeleitung im vorliegenden Bauteil optimiert werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches Bauteil mit wenigstens einer in einer Vergussmasse angeordneten elektrischen Verlustleistungsquelle gelöst, wobei wenigstens eine Kühleinrichtung vorgesehen ist, die zur Optimierung des Wärmemanagements Wärme aus dem Bereich der Verlustleistungsquelle ableitet.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verlustleistungsquelle wenigstens eine auf einem Kern angeordnete Wicklung oder drei Kerne umfasst, die durch ein Joch miteinander verbunden sind, wobei auf jedem Kern wenigstens eine Wicklung angeordnet ist.
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Bevorzugt und effektiv im Hinblick auf das Wärmemanagement ist ein erfinderisches Bauteil, bei dem in der Vergussmasse als Kühleinrichtung wenigstens ein Wärmeleitteil vorgesehen ist, das mit einem Teilbereich direkt an oder zumindest in der Nähe der Verlustleistungsquelle angeordnet ist und mit wenigstens einem weiteren Teilbereich unterhalb eines Oberflächenbereiches der Oberfläche der Vergussmasse verläuft. Dabei weist das Wärmeleitteil besonders vorteilhaft die Form eines Wärmeleitbleches auf, das vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer besteht. Zur effektiven Verankerung in der Vergussmasse kann das Wärmeleitblech profiliert oder zumindest partiell mit Löchern versehen sein. Das Wärmeleitblech kann streifen- oder plattenförmig ausgebildet sein. Es kann bei einer bevorzugten Ausführungsform) mit seinem Teilbereich an einer Seite einer Wicklung direkt anliegen oder in der Nähe derselben angeordnet sein, wobei wenigstens ein weiterer Teilbereich des Wärmeleitbleches ausgehend von dem Teilbereich durch die Vergussmasse und unterhalb einem Oberflächenbereich der Oberfläche der Vergussmasse verläuft.
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Die Vergussmasse besitzt bevorzugt einen rechteckigen Querschnitt, wobei an gegenüberliegenden Seiten der Verlustleistungsquelle jeweils ein Wärmeleitblech angeordnet ist, wobei jeweils ein Wärmeleitblech zwei sich ausgehend von dem Teilbereich zu beiden Seiten desselben erstreckende weitere Teilbereiche umfasst, von denen jeweils einer unter einem Oberflächenbereich der Oberfläche der Vergussmasse verläuft. Die Vergussmasse besitzt bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung vorteilhaft einen rechteckigen Querschnitt, wobei drei Kerne vorgesehen sind und an gegenüberliegenden Seiten jeder Wicklung eines Kernes jeweils ein Wärmeleitblech angeordnet ist, wobei die Wärmeleitbleche der äußeren Kerne an den äußeren Seiten ein Wärmeleitblech aufweisen, das zwei weitere Teilbereiche umfasst, von denen jeweils einer unter einem Oberflächenbereich der Oberfläche einer Seite eines Eckbereiches des rechteckigen Querschnittes der Vergussmasse verläuft, wobei die Wärmeleitbleche der äußeren Kerne an den inneren Seiten jeweils ein Wärmeleitblech aufweisen, das zwei weitere Teilbereiche umfasst, von denen jeweils einer in der Vergussmasse an der dem inneren Kern zugewandte Seite parallel zu dem gegenüberliegenden weiteren Teilbereich des Wärmeleitbleches des benachbarten äußeren Kernes verläuft, und wobei die Wärmeleitbleche des inneren Kernes jeweils zwei weitere Teilbereiche aufweisen, von denen jeweils einer parallel zu den weiteren Teilbereichen der benachbarten äußeren Kerne verläuft. Dabei können die Enden der weiteren Teilbereiche zur besonders effektiven Wärmeableitung um 90° abgebogene Abwinkelungen besitzen, die unter einem Oberflächenbereich der anderen Seite der Oberfläche des rechteckigen Querschnittes der Vergussmasse verlaufen.
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Die Wärmeleitbleche können die ihnen zugewandte Seite der Wicklung ganz oder teilweise überdecken. Insbesondere kann ein Wärmeleitblech die ihm zugewandten Seiten dreier Wicklungen überdecken und vorzugsweise unterhalb wenigstens einer Wicklung am Kern der Wicklung befestigt, vorzugsweise verschraubt sein.
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Zum besseren Wärmemanagement umfasst die Kühleinrichtung wenigstens einen, vorzugsweise zwei sich in Bezug auf den Kern gegenüberliegende, zwischen der Wicklung und dem Kern angeordnete Kühlkörper, die wenigstens einen, durch ein Kühlmedium durchströmbaren Kühlkanal aufweisen. Zum noch besseren Wärmemanagement umfasst die Kühleinrichtung wenigstens einen, vorzugsweise zwei sich in Bezug auf den Kern gegenüberliegende, weitere Kühlkörper, die in der Wicklung angeordnet sind und wenigstens einen, durch ein Kühlmedium durchströmbaren weiteren Kühlkanal aufweisen. Der Kühlkanal des Kühlkörpers und/oder der weitere Kühlkanal des weiteren Kühlkörpers sind dabei mit einer aus der Vergussmasse heraus verlaufenden Zuleitung zum Zuführen des Kühlmediums und einer aus der Vergussmasse heraus verlaufenden Ableitung zum Ableiten des Kühlmediums verbunden. Eine besonders effektive Wärmeableitung wird erreicht, wenn der Kühlkörper und/oder der weitere Kühlkörper mit einem Wärmeleitblech wärmeleitend verbunden ist. Das Wärmeleitblech weist vorzugsweise ein U-förmiges Profil auf, wobei die Schenkel und das Querteil des U-förmigen Profils des Wärmeleitbleches eine Seite der Wicklung kappenförmig übergreifen und wobei vom Querteil ausgehend ein lappenförmiger Bereich des Wärmeleitbleches zu dem Kühlkörper oder zu dem weiteren Kühlkörper verläuft. Zur weiteren Optimierung der Wärmeableitung sind bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Querteile zweier sich in Bezug auf den Kern gegenüber liegenden Wärmeleitbleche durch einen am Kern anliegenden Basisbereich wärmeleitend miteinander verbunden. Dabei kann der Basisbereich einteilig mit den Wärmeleitblechen ausgebildet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Bauteil, bei dem die Kühleinrichtung wenigstens eine Heatpipe aufweist, von deren Kühlzone Wärme zu einem Kühlkörper und/oder einem weiteren Kühlkörper abgeleitet wird, wobei die Kühlzone mit dem Kühlkörper und/oder mit dem weiteren Kühlkörper wärmeleitend in Verbindung steht. Zur Wärmeableitung aus der Wicklung kann die Wärmezone der Heatpipe in der Wicklung angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmezone einer in der Vergussmasse eingebetteten Heatpipe an oder in der Nähe der Wicklung angeordnet sein und steht die Kühlzone der Heatpipe mit einem Kühlkörper wärmeleitend in Verbindung.
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Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteiles weist eine Kühleinrichtung auf, die wenigstens ein in der Vergussmasse angeordnetes Kühlrohr umfasst, das mit einer aus der Vergussmasse heraus geführten Zuleitung zum Zuleiten eines Kühlmediums sowie mit einer aus der Vergussmasse heraus geführten Ableitung zum Ableiten des Kühlmediums verbunden ist. Das Kühlrohr kann dabei vorteilhaft seitlich neben der Wicklung oder seitlich neben den Wicklungen, vorzugsweise schlangenförmig, verlaufen. Zur besseren Wärmeableitung aus dem Bereich der Wicklung kann die Kühleinrichtung wenigstens ein in die Wicklung, vorzugsweise schrauben- oder spiralförmig, eingewickeltes Kühlrohr umfassen, das mit einer aus der Vergussmasse heraus geführten Zuleitung zum Zuleiten eines Kühlmediums sowie einer aus der Vergussmasse heraus geführten Ableitung zum Ableiten des Kühlmediums verbunden ist.
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Die Kühleinrichtung kann auch die Form eines von einem Kühlmedium durchströmbares, flächenförmigen Kühlelementes aufweisen, das in der Vergussmasse angeordnet seitlich an oder in der Nähe der Wicklung angeordnet ist. Dabei kann zur effektiveren Wärmeableitung ein Wärmeleitblech außenseitig in der Nähe der genannten Wicklung angeordnet und mit dem Kühlelement wärmeleitend verbunden sein.
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Besonders bevorzugt weist bei einem erfindungsgemäße Bauteil die quaderförmig ausgebildete Vergussmasse einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Verlustleistungsquelle etwa in der Mitte des Querschnittes angeordnet ist.
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Im Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1a und 1b schematische Darstellungen zur Erläuterung des Transportes der Verlustwärme von einer Verlustleistungsquelle eines bekannten elektrischen Bauteiles zur Oberfläche einer Vergussmasse,
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2 den Abtransport der Verlustwärme der Verlustleistungsquelle bei einem entsprechenden erfindungsgemäßen elektrischen Bauteil,
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3 einen Schnitt durch einen in einer Vergussmasse vergossenen Schenkel bzw. Kern einer Drossel oder eines Transformators, wobei erfindungsgemäß außen an der auf der am Kern angebrachten Wicklung optimal abgewinkelte Wärmeleitbleche vorgesehen sind,
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4 einen Schnitt durch die Kerne einer in einer Vergussmasse angeordneten dreiphasigen Drossel oder eines dreiphasigen Transformators,
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5 in schematischer, dreidimensionaler Darstellung die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen elektrischen Bauteiles gemäß 26 mit Wärmeleitblechen und Kühlkörpern;
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6 einen Schnitt durch das elektrische Bauteil der 5,
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7 bis 25 Weiterbildungen der Erfindung und
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26 ein bekanntes elektronisches Bauteil zur Erläuterung des Standes der Technik und der Vorteile der vorliegenden Erfindung.
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Zu der Erfindung führten die folgenden Überlegungen. In einem elektrischen Bauteil, das in einer Vergussmasse angeordnet ist, kann der Transport von Verlustwärme in der Vergussmasse mit der Hilfe von gut wärmeleitfähigen Wärmeleitteilen oder -blechen dadurch verbessert werden, dass diese Teile oder Bleche einerseits an oder in direkter Nähe einer in der Vergussmasse angeordneten Wärmeverlustquelle angebracht, befestigt oder platziert werden und andererseits zu Oberflächenbereichen der Vergussmasse verlaufen, um die Verlustwärme nach außen zu transportieren. Optimalerweise werden die Wärmeleitbleche aus einem Metall mit einer thermischen Leitfähigkeit, wie z. B. Aluminium oder Kupfer hergestellt. Im Falle eines elektrischen Bauteiles in der Form eines Transformators oder einer Drossel können die Wärmeleitbleche außen an der Wicklung und/oder am Kern angebracht werden. Die Wärmeleitbleche müssen in ihrer Gestaltung so ausgeführt sein, dass sie eine möglichst große Fläche unter der Vergussmasse in der Nähe der Oberfläche derselben ausfüllen, um die Verlustwärme abzuleiten und gleichmäßig in der Vergussmasse verteilen zu können. Auf diese Weise können hohe, zerstörerisch wirkende Temperaturspannungen vermieden werden und auch elektrische Bauteile mit höherer Verlustleistung vergossen werden. Da die Wärmeleitbleche innerhalb der Vergussmasse und unterhalb der Oberfläche derselben verlaufen, wird die Schutzeigenschaft, die die Vergussmasse eigentlich bieten soll, vorteilhafterweise nicht beeinträchtigt. Die Wärmeleitbleche müssen nicht direkt auf der Wicklung oder an dem Kern angebracht werden, sondern können lediglich in direkter Nähe der Wicklung oder des Kernes verlaufen, sodass auch eine Ableitung von Strömen oder ein unter Spannung Setzen vermieden werden kann. Zur besseren Stabilität können die Wärmeleitbleche partiell mit Löchern durchsetzt oder profiliert sein, um eine bessere Verankerung innerhalb der Vergussmasse sicherzustellen. Die Wärmeleitbleche sollen so ausgestaltet sein, dass sie eine möglichst große Fläche direkt unter der Oberfläche der Vergussmasse abdecken, sodass die Verlustwärme gleichmäßig verteilt werden kann. Die Wärmeleitbleche können auch abgewinkelt oder gebogen geführt werden.
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Ferner ist es denkbar zum verbesserte Wärmemanagement Kühlkörper zwischen einem Kern und der Wicklung eines elektronischen Bauteiles oder in der Wicklung eines Bauteiles vorzusehen, wobei die Kühlkörper von einem Kühlmedium durchströmt werden. Es können auch in der Wicklung eines elektronischen Bauteiles oder in der Vergussmasse desselben sogenannte Heatpipes zur Wärmeableitung vorgesehen werden. Dabei können die Kühlzonen der Heatpipes die mit Kühlkörpern in Verbindung stehen, die beispielsweise zwischen dem Kern einer Verlustleistungsquelle und einer den Kern umgebenden Wicklung angeordnet sind. Auf diese Weise wird in den Heatpipes entstehende Wärme über die Kühlkörper nach außen abgeführt. Schließlich können auch an den Außenflächen der Wicklung bzw. der Wicklungen von elektronischen Bauteilen flächig ausgebildete Kühlelemente vorgesehen werden, die zum optimierten Wärmemanagement mit Wärmeleitblechen verbunden sein können, die in der Vergussmasse angeordnet sind.
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Die zuvor erläuterten Maßnahmen zur verbesserten Wärmeableitung und zum optimierten Wärmemanagement können in Abhängigkeit von speziellen Anforderungen und Ausgestaltungen der elektrischen Bauteile einzeln oder auch in Kombination getroffen werden.
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Das Prinzip der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der schematischen Gegenüberstellung der Darstellungen einer gemäß dem Stand der Technik in einer Vergussmasse vergossenen Verlustleistungsquelle sowie einer entsprechend der vorliegenden Erfindung in einer Vergussmasse angeordneten, mit Wärmeleitblechen versehenen Verlustleistungsquelle erläutert.
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In der ersichtlichen Weise ist gemäß 1a eine Verlustleistungsquelle 16, bei der es sich beispielsweise um eine Wicklung oder eine Drossel handelt, in einer Vergussmasse 14 vergossen. Wenn beim Betrieb des elektronischen Bauteiles im Bereich der Verlustleistungsquelle 16 gemäß 1b Wärme entsteht, wird diese in der Richtung der Pfeile 17 zu Bereichen der Vergussmasse 14 transportiert, die direkt an die Verlustleistungsquelle 16 angrenzen. Dies bedeutet, dass es gemäß 1b an der Oberfläche 18 der Vergussmasse 14 lediglich in den an die Verlustleistungsquelle 16 angrenzenden Oberflächenbereichen 19 zur Erwärmung kommt, während die weiter von der Verlustleistungsquelle 16 entfernten Oberflächenbereiche 20 der Vergussmasse 14 nicht erwärmt werden.
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Gemäß 2 sind erfindungsgemäß in der Vergussmasse 14 Wärmeleitbleche 21 angeordnet, über die ein Abtransport der von der Verlustleistungsquelle 16 erzeugten Wärme auch in von dieser weiter entfernte Bereiche der Vergussmasse 14 erfolgt. Dies bedeutet, dass sich die Temperatur gleichmäßiger über die Vergussmasse 14 und über die Oberfläche 18 derselben verteilt. Dadurch wird die Innentemperatur der Vergussmasse 14 abgesenkt.
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In der erkennbaren Weise sind die Wärmeleitbleche 21 so ausgestaltet, dass sie jeweils mit einem Teilbereich 22 direkt an der Verlustleistungsquelle 16 oder in der Nähe derselben angeordnet sind und dass sie jeweils mit wenigstens einem weiteren Teilbereich 23 eine möglichst große Fläche unter der Oberfläche der Vergussmasse 14 abdecken. In dem Fall der 2 ist die Verlustleistungsquelle 16 etwa im Bereich der sich kreuzenden Diagonalen des Querschnittes des elektronischen Bauteiles bzw. der Vergussmasse 14 desselben, d. h. etwa im Zentrum des Querschnittes angeordnet. Dementsprechend sind die Wärmeleitbleche 21 so ausgestaltet, dass sie mit ihrem mittleren Teilbereich 22 direkt an der Verlustleistungsquelle 16 anliegen oder in der Nähe derselben angeordnet sind und dass sie jeweils mit weiteren Teilbereichen 23 vom mittleren Teilbereich 22 vorzugsweise zu gegenüber liegenden Seiten desselben bogenförmig von der Verlustleistungsquelle 16 weg in die Vergussmasse 14 hinein und nach außen und mit einer möglichst großen Fläche unterhalb der Oberfläche 18 der Vergussmasse verlaufen. Zweckmäßigerweise sind sich gegenüberliegend an beiden Seiten der Verlustleistungsquelle 16 derartige Wärmeleitbleche 21 angeordnet.
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Die 3 zeigt eine elektrische Vorrichtung, die derjenigen der 2 entspricht, wobei die Verlustleistungsquelle 16 einen Kern 24 und eine Wicklung 27 umfasst, die den Kern 24 umgibt. Die mittleren Teilbereiche 22 der Wärmeleitbleche 21 sind an sich gegenüberliegenden Seiten der Wicklung 27 bzw. in der Nähe derselben angeordnet, während die weiteren, äußeren Teilbereiche 23 der Wärmeleitbleche 21, wie bereits erläutert, unterhalb der Oberflächenbereiche 20 der Oberfläche 18, vorzugsweise bis zu den jeweiligen Eckbereichen der Vergussmasse 14 verlaufen.
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Die 4 zeigt einen Schnitt durch die Kerne 24, 25, 26 einer dreiphasigen Drossel oder eines dreiphasigen Transformators, wobei die Wicklungen 27, 28, 29 auf den Kernen 24, 25, 26 angeordnet sind.
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Die entsprechend den Wärmeleitblechen 21 mit den Teilbereichen 22 und 23 der 3 ausgebildeten Wärmeleitbleche 21 können entsprechend der 4 jeweils Abwinkelungen 30 aufweisen, die gegenüber den Teilbereichen 23 um 90° abgewinkelt sind, sodass sie zur verbesserten Wärmeableitung zu unterhalb weiterer Oberflächenbereiche 20 der Oberfläche 18 der Vergussmasse 14 verlaufen. Insbesondere werden dabei Oberflächenbereiche 20 verschiedener Seiten der Vergussmasse abgedeckt.
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Gemäß den 5 und 6, die eine dreidimensionale Darstellung sowie einen Schnitt des vorliegenden elektrischen Bauteiles zeigen, das etwa demjenigen der 4 entspricht, können zwischen den Kernen 24, 25, 26 und den entsprechenden Wicklungen 27, 28, 29 auch die im Zusammenhang mit dem eingangs genannten Stand der Technik und der 26 bereits erläuterten Kühlkörper 12 vorgesehen sein. Aus der 5 sind auch das die Kerne 24 und 25 verbindende Joch 15 sowie das die Kerne 25 und 26 verbindende Joch 15 ersichtlich. Die Wärmeleitbleche 21 sind bei dieser Ausführungsform vorzugsweise U-förmig ausgebildet, wobei das Querteil der U-förmigen Wärmeleitbleche 21 jeweils den mittleren Teilbereich 22 sowie davon beabstandet die weiteren Teilbereiche 23 der Wärmeleitbleche 21 in einer Ebene umfasst. Die vorzugsweise um 90° abgewinkelten Schenkel der U-förmigen Wärmeleitbleche 21 entsprechen den äußeren Abwinkelungen 30 der Wärmeleitbleche 21.
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Die 7 bis 9 zeigen Weiterbildungen der Erfindung. Einzelheiten der 7 bis 9, die bereits im Zusammenhang mit den anderen Figuren erläutert wurden, sind in der entsprechenden Weise bezeichnet. Gemäß 7 kann das Wärmeleitblech 21 die Form eines Profilbleches oder einer Profilplatte aufweisen, die mit ihrer unteren Seite am Kern 24 einer die Verlustleistungsquelle 21 bildenden Drossel oder eines Transformators, beispielsweise mit einer Schraube 31 oder dergleichen befestigt ist. Dabei kann sich gemäß 8 das Wärmeleitblech 21 lediglich über nur einen Teilbereich einer Seite der Wicklung 27 erstrecken. 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der sich das Wärmeleitblech 21 über die gesamte Fläche der Seite von drei Wicklungen der Kerne 24, 25, 26 erstreckt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Wärmeleitbleche 21 den Teilbereich 22 und die weiteren Teilbereiche 23 auch in einer Ebene umfassen können, wobei dann sowohl der Teilbereich 22 als auch die Teilbereiche 23 unterhalb der Oberfläche der Vergussmasse 14 verlaufen. Gemäß 10, die einen Schnitt entlang der Linie X-X der 6 zeigt, können die beiden sich in Bezug auf den Kern 24 gegenüberliegenden Wärmeleitblechen 21, 21 bodenseitig durch einen Basisbereich 32 miteinander verbunden sein, wobei der Basisbereich 32 zur weiteren Optimierung der Wärmeableitung vom Kern 24 zu den Wärmeleitblechen 21 dient. Die Wärmeleitbleche 21 und der Basisbereich 32 sind vorzugsweise einteilig ausgebildet. Der Basisbereich kann innerhalb oder außerhalb der Vergussmasse 14 verlaufen.
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Im Zusammenhang mit der 11 wird im Folgenden eine Weiterbildung der Erfindung erläutert, bei der als Kühleinrichtung Kühlkörper 12 vorgesehen sind, wobei die von der Verlustleistungsquelle 16 erzeugte Wärme über Wärmeleitbleche 21 direkt zu den Kühlkörpern 12 geleitet wird. Einzelheiten der 11, die bereits im Zusammenhang mit den vorangehenden Figuren erläutert wurden, sind in der entsprechenden Weise bezeichnet. Die Verlustleistungsquelle 16 besteht gemäß 11 aus einem Kern 24, auf dem eine Wicklung 27 angeordnet ist. Der Kühlkörper 12 ist dabei vorzugsweise zwischen dem Kern 24 und der Wicklung 27 angeordnet. Vorzugsweise sind an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Kernes 24 Kühlkörper 12 in dieser Weise vorgesehen. Die Kühlkörper 12 bestehen in der dargestellten Weise jeweils aus einem wärmeleitenden Teil, das beispielsweise aus Kupfer oder einem anderen wärmeleitenden Metall besteht, in dem wenigstens ein von einem Kühlmedium durchströmter Kühlkanal 33 angeordnet ist. Bei dem genannten Kühlmedium handelt es sich beispielsweise um Wasser.
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Die Wärmeleitbleche 21 weisen vorzugsweise ein U-förmiges Profil auf, wobei die Schenkel 34 und das Querteil 35 des U-förmigen Profils des Wärmeleitbleches 21 eine Seite der Wicklung 27 kappenförmig übergreifen und wobei vom Querteil 35 ausgehend ein lappenförmiger Bereich 36 jeweils direkt zu dem benachbarten Kühlkörper 12 verläuft. Auf diese Weise wird die außenseitig an der Wicklung 27 erzeugte Wärme über die Schenkel 34, das Querteil 35 und den lappenförmigen Bereich 3, zum Kühlkörper 12 geleitet. Vorzugsweise sind sich gegenüberliegend an der Wicklung 27 zwei derartige Wärmeleitbleche 21 und Kühlkörper 12 angeordnet. Bodenseitig können die Querteile 35 gemäß 10 durch einen Basisbereich 32 miteinander verbunden sein, über den am Kern 24 erzeugte Wärme zu den Wärmeleitblechen 21 abgeführt wird. Dabei kann der Basisbereich 32 einteilig mit den Wärmeleitblechen 21 ausgebildet sein.
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Die 12 zeigt eine Weiterbildung des Bauteiles der 10 und 11, wobei jedoch in der Vergussmasse 14 eine Verlustleistungsquelle 16 vorgesehen ist, die nebeneinander drei Kerne 24, 25, 26 umfasst, die jeweils entsprechend dem Kern 24 der 11 ausgestaltet sind. Demgemäß weist jeder Kern 24, 25, 26 jeweils eine Wicklung 27, 28 bzw. 29 auf. Die an jedem Kern 24, 25, 26 vorgesehenen Kühlkörper 12 sind entsprechend dem Kühlkörper 12 der 11 ausgestaltet. Ebenso sind an jedem Kern 24, 25, 26 Wärmeleitbleche 21 vorgesehen, die denjenigen des Bauteiles der 11 entsprechen.
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Das Kühlmedium, bei dem es sich vorzugsweise um Wasser handelt, wird den Kühlkanälen 33 vorzugsweise an der oberen Seite der Kühlkörper 12 über eine Zuleitung 37 zugeführt. Nach dem Durchströmen der Kühlkanäle 33 wird das erwärmte Kühlmedium über eine Ableitung 38 vorzugsweise ebenfalls an der oberen Seite der Kühlkörper 12 dem Kühlsystem entnommen. Dabei sind die Kühlkanäle 33 der Kühlkörper 12 vorzugsweise an den unteren Seiten der Kühlkörper 12 miteinander verbunden. Die 13 zeigt die Anordnung der 12 in einer perspektivischen Darstellung, wobei die zuvor erwähnten Verbindungen der Kühlkörper 12 mit der Zuleitung 37 und der Ableitung 38 deutlich zu erkennen sind.
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Die 14 bis 16 zeigen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, bei denen sogenannte Heatpipes vorgesehen sind, die zur Verbesserung des Wärmemanagements von der Verlustleistungsquelle 16 erzeugte Wärme an die Kühlkörper 12 übertragen. Einzelheiten der 14 bis 16, die bereits im Zusammenhang mit den 11 bis 13 erläutert wurden, sind in der entsprechenden Weise bezeichnet. Bei der Ausführungsform der 14 umfasst die Verlustleistungsquelle 16 einen Kern 24 und eine Wicklung 27, während sie bei der Ausführungsform der 15 und 16 drei Kerne 24, 25, 26 und demgemäß drei Wicklungen 27, 28, 29 aufweist.
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In der ersichtlichen Weise sind bei der Ausführungsform der 14 gemäß der 11 zwischen der Wicklung 27 und dem Kern 24 der Verlustleistungsquelle 16 Kühlkörper 12 vorgesehen. Entsprechend sind solche Kühlkörper 12 auch bei der Ausführungsform der 15 zwischen den Kernen 24, 25, 26 und den Wicklungen 27, 28, 29 angeordnet.
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Gemäß den 14 bis 16 ist es denkbar, in der bzw. in den Wicklungen 24 bzw. 24, 25, 26 die bereits erwähnten Heatpipes 39 anzuordnen. Eine an sich bekannte Heatpipe ist ein rohrförmiger Wärmeübertrager, der unter der Nutzung der Verdampfungswärme eines flüssigen Mediums in einem geschlossenen Kreislauf eine große Wärmemenge zwischen einer Wärmezone, in der das Medium verdampft, und einer Kühlzone, in der das Medium kondensiert, transportieren kann. Dabei wird das flüssige, kondensierte Medium über Kapillaren zur Wärmezone zurückgeführt. Zur Optimierung des Wärmemanagements kann daher bei der Anwendung solcher Heatpipes in den Wicklungen 27, 28, 29 entstehende Wärme direkt von den Kühlzonen der Heatpipes 39 zu den Kühlkörpern 12 abgeleitet werden. Zu diesem Zweck stehen die Kühlzonen der Heatpipes 39 mit den Kühlkörpern 12 physikalisch in Verbindung, während die in den Wicklungen 27, 28, 29 angeordneten Wärmezonen der Heatpipes 39 den Wärmebereichen derselben entsprechen.
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Gemäß 15 ist es auch denkbar, in der Vergussmasse 14 seitlich neben den Wicklungen 27, 28, 29, wie am Beispiel der Wicklung 27 gezeigt, vorzugsweise zusätzlich Heatpipes 40 anzuordnen. Gemäß 16 stehen die Kühlzonen der Heatpipes 40 mit Kühlkörpern 12 physikalisch in Verbindung, während die in der Vergussmasse 14 angeordneten Bereiche der Heatpipes 40 den Wärmezonen derselben entsprechen.
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Im folgenden wird im Zusammenhang mit den 17 und 18 eine Ausführungsform der Erfindung erläutert, bei der in der Vergussmasse 14 gemäß 17 außen an den Wicklungen 27, 28, 29 der Kerne 24, 25, 26 eine Kühleinrichtung in der Form eines Kühlrohres 41 angeordnet ist, um Wärme von den Wicklungen 27, 28, 20 abzuführen. Dabei verlaufen derartige Kühlrohre 41 vorzugsweise schlangenförmig und in der Vergussmasse 14 elektronisch isoliert an gegenüberliegenden Seiten (18) der Wicklungen 27, 28, 29. Die Anschlüsse des Kühlrohres 41 sind mit 42 und 43 bezeichnet.
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Gemäß den 19 und 20 ist es auch denkbar, Kühlrohre 44 jeweils direkt in die Wicklungen 27, 28, 29 einzuwickeln, um von den Wicklungen 27, 28, 29 erzeugte Wärme abzuleiten. Vorzugsweise verlaufen die Kühlrohre 44 dabei jeweils schraubenförmig in den Wicklungen 27, 28, 29.
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Die 21 bis 23 zeigen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung, bei der zur Verbesserung des Wärmemanagements neben den Kühlkörpern 12, die jeweils zwischen einem Kern und der zugehörigem Wicklung angeordnet sind, weitere Kühlkörper 13 vorgesehen sind, die jeweils in die Wicklungen 27, 28, 29 eingewickelt sind. Einzelheiten der 21 bis 23, die bereits im Zusammenhang mit den 11 bis 13 bzw. 14 bis 16 erläutert wurden, sind in der entsprechenden Weise bezeichnet. Bei der Ausführungsform der 21 umfasst die Verlustleistungsquelle 16 einen Kern 24 und eine Wicklung 27, während sie bei der Ausführungsform der 22 und 23 drei Kerne 24, 25, 26 und demgemäß drei Wicklungen 27, 28, 29 aufweist.
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In der ersichtlichen Weise sind bei der Ausführungsform der 21 zwischen der Wicklung 27 und dem Kern 24 der Verlustleistungsquelle 16 Kühlkörper 12 vorgesehen. Entsprechend sind solche Kühlkörper 12 auch bei der Ausführungsform der 22 und 23 zwischen den Kernen 24, 25, 26 und den Wicklungen 27, 28, 29 angeordnet.
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Gemäß den 24 und 25 kann an der Außenseite der Verlustleistungsquelle 16 bzw. der Wicklung 24. bzw. der Wicklungen 27, 28, 29 als Kühleinrichtung ein von einem Kühlmedium durchströmtes, flächenförmiges Kühlelement 47 angeordnet und in der Vergussmasse 14 vergossen sein, über das von den Wicklungen 27, 28, 29 erzeugte Wärme nach außen abgeführt werden kann. Dabei ist es denkbar, die bereits erwähnten Wärmeleitbleche 21 außenseitig in der Nähe der genannten Wicklungen vorzusehen und mit den Kühlelementen 47 physikalisch zu verbinden, um die Wärmeübertragung von den Wicklungen 27, 28, 29 zu den Kühlelementen 47 zu verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kern
- 2
- Kern
- 3
- Kern
- 4
- Wicklung
- 5
- Wicklung
- 6
- Wicklung
- 7
- Joch
- 8
- Flachanschluss
- 9
- Flachanschluss
- 10
- Flachanschluss
- 11
- Kühlkanal
- 12
- Kühlkörper
- 13
- Kühlkörper
- 14
- Vergussmasse
- 15
- Joch
- 16
- Verlustleistungsquelle
- 17
- Pfeil
- 18
- Oberfläche
- 19
- Oberflächenbereich
- 20
- Oberflächenbereich
- 21
- Wärmeleitblech
- 22
- Teilbereich
- 23
- Teilbereich
- 24
- Kern
- 25
- Kern
- 26
- Kern
- 27
- Wicklung
- 28
- Wicklung
- 29
- Wicklung
- 30
- Abwinkelung
- 31
- Schraube
- 32
- Basisbereich
- 33
- Kühlkanal
- 34
- Schenkel
- 35
- Querteil
- 36
- Bereich
- 37
- Zuleitung
- 38
- Ableitung
- 39
- Heatpipe
- 40
- Heatpipe
- 41
- Kühlrohr
- 42
- Anschluss
- 43
- Anschluss
- 44
- Kühlrohr
- 45
- Anschluss
- 46
- Anschluss
- 47
- Kühlelement
