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Technisches Gebiet
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Das Objekt dieser Erfindung ist eine Vorrichtung, die der Kühlung der Leistungskomponenten in einem leistungselektronischen Gerät, z. B. in einem Frequenzumrichter, dient.
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Vor allem ist das Objekt der Erfindung eine Kühlungsvorrichtung der induktiven Leistungskomponenten, wobei zu der Leistungskomponente wenigstens ein aus magnetischem Kernmaterial angefertigtes einheitliches Chassis gehört, in dem es einen ringförmigen Boden oder einen Boden, der wie ein regelmäßiges Vieleck geformt ist, einen Mittelsteg und einen mit dem Boden gleichförmigen Mantel gibt, in dem sich mindestens eine Öffnung für den Anschluss der Spulenwicklung an den äußeren Stromkreis befindet, und eine Spulenwicklung, die in dem Raum zwischen dem Mittelsteg und dem Mantel angeordnet ist.
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Bekannte Technik
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Der allgemeine Entwicklungstrend der Leistungselektronik, z. B. der Frequenzumrichter, ist die Steigerung der Leistungsdichte. Bekanntermaßen setzt die Behandlung einer hohen Leistung in einem kleinformatigen Gerät eine effektive Kühlung der Komponenten voraus, die auf dem Pfad des Hauptstromes liegen, und dies wird am besten durch eine Flüssigkeitskühlung bzw. durch die Übertragung der in den Komponenten durch Verlustleistung entstandene Wärme nach außen mittels eines Flüssigkeitsstromes erreicht. Aus Kostengründen wird die Flüssigkeitskühlung meistens nur in leistungsstarken Geräten, z. B. in Frequenzumrichtern über 100 kW, angewendet.
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Die Filterdrosseln, die den Hauptstrom begrenzen, sind typischerweise Komponenten, in denen beachtlich viel Verlustleistung entsteht, zum Beispiel kann die Verlustleistung der Drosseln in einem Frequenzumrichter 1% der Nennleistung des Gerätes sein. Die Drosseln sind Induktivkomponenten, die aus einem aus ferromagnetischem Kernmaterial angefertigten Chassis und aus einer stromleitenden Spule bestehen, in der normalerweise der größte Teil des Verlustes entsteht.
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Die Spule kann mit Hilfe von Flüssigkeit gekühlt werden; zum Beispiel in der Weise, die durch die Patentveröffentlichung
US 7,508,289 bekannt geworden ist, wo zwischen den Spulen aus gut Wärme leitendem Material hergestellte Streifen gelegt worden sind, wobei die Wärme entlang dieser Streifen zur Oberfläche einer Kühlungsplatte, die außerhalb der Spulen angeordnet ist, geleitet wird und von dort weiter in die Flüssigkeit, die in der Platte zirkuliert. Es gibt auch andere bekannte Lösungen, in denen die Wicklung aus einem Kupferrohr ist, in dem die Flüssigkeit zirkuliert.
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Bekannte Lösungen für das Einrichten einer Flüssigkeitskühlung von Drosseln sind umständlich und teuer, und sie weisen gewisse technische Beschränkungen auf. Zum Beispiel können in den Kühlungsstreifen Wirbelströme entstehen und diese verursachen wiederum zusätzliche Verluste. Die Wärmeübertragungsleistung von solchen Lösungen ist auch beschränkt, weshalb die Beschränkung der Wicklungstemperatur eine Zusatzkühlung durch ein Gebläse erfordern kann.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Das Ziel dieser Erfindung ist eine neuartige Vorrichtung zu schaffen, durch die die Nachteile bekannter Lösungen vermieden und eine effektive Kühlung der Drosselspule und des Kerns erreicht werden kann. Dieses Ziel wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erreicht, für die kennzeichnend ist, was in dem Teil bezüglich der Merkmale der unabhängigen Schutzansprüche dargestellt ist. Andere vorteilhafte Leistungsmerkmale der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
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Das Anwendungsobjekt der Erfindung ist eine Drossel, in der sich der für die Spulenwicklung reservierte Platz innerhalb des ferromagnetischen Kernteils befindet. Eine solche ist zum Beispiel eine Drossel, die die Form eines geraden kreisbodenförmigen Zylinders hat und mit einem sog. potcore-ähnlichen Kern (Topfkern) bestückt ist. Die Erfindung kann auch auf anders geformte Drosseln angewendet werden, zum Beispiel auf solche, deren Kernteil ein regelmäßiges Vieleck bildet. Es ist auch möglich, einen Magnetkern rund um die Spule in eine von der Gussform bestimmten Gestalt oder sogar direkt zwischen die Kühlung und die Spule zu gießen, wodurch die Wärmeübertragung, die die Spule kühlt, möglichst effektiv wird.
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Es ist für die Erfindung kennzeichnend, dass der Raum, in dem die Wicklung angebracht ist, im wesentlichen mit einem wärmeleitenden Material vergossen ist, zum Beispiel mit Epoxidharz, und mindestens ein Kühler an der Außenseite eines Teils des Chassis so angebracht ist, dass die Berührungsfläche zwischen dem Kühler und dem Chassisteil wenigstens 20% der nach außen sichtbaren Fläche des Chassisteiles abdeckt. Die Wärme, die in der Spule entsteht, wird aufgrund des Vergusses effektiv in den Kernteil übertragen und von dort weiter in den externen Flüssigkeitskühler. Ein Nutzen des Vergusses ist auch, dass erfindungsgemäß die Drossel mechanisch sehr gut gegen die Einflüsse von der Umgebung geschützt ist; die Schutzklasse kann sogar IP69 sein.
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Es ist für die Erfindung kennzeichnend, dass die Außenseite des Kernteiles durch ein Kühlungselement gekühlt wird, das dicht an die Oberfläche des Kernteils angepresst worden ist. Für die Wärmeübertragungsmethode ist es günstig, dass die gegeneinander angeordneten Flächen des Kerns und des Kühlers glatt sind. Um die Wärmeübertragung zu verstärken, kann zwischen den Verbindungsflächen Wärmeübertragungspaste benutzt werden. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Flüssigkeitskühlung, aber sie kann auch auf Luftkühlung angewendet werden.
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Die Modularität ist auch kennzeichnend für die Erfindung; in anderen Worten, dass Drosseln und Kühler je nach Bedarf in demselben Aufbau aufeinander oder nebeneinander in beliebig großen Mengen aufgestapelt werden können.
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Die erfindungsgemäße Kühlungsvorrichtung ist einfach und effektiv, und sie ist für beliebig große Mengen von Drosseln anwendbar. Wenn Flüssigkeitskühler benutzt werden, ist eine durch ein Gebläse verstärkte Zusatzkühlung dann unnötig, wenn die Erfindung angewandt wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die Erfindung in detaillierterer Weise durch Beispiele und Referenzen auf die beiliegenden Zeichnungen erklärt.
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Zeichnung 1 stellt ein Beispiel von einem leistungselektronischen Gerät dar, in dem Drosseln benutzt werden, für deren Kühlung die Erfindung angewandt werden kann,
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Zeichnung 2 stellt eine Kühlungsvorrichtung gemäß einer bekannten Technik dar,
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Zeichnung 3 stellt einen Magnetkern dar, der im Kontext dieser Erfindung geeignet ist, und
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Zeichnungen 4–6 stellen erfindungsgemäße Kühlungslösungen dar.
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Detailbeschreibung der Erfindung
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Zeichnung 1 stellt den Hauptkreis des Frequenzumrichters FC als Beispiel für ein leistungselektronisches Gerät dar, in dem die erfindungsgemäße Kühlungslösung der Drossel angewandt werden kann. Der Frequenzumrichter beinhaltet eine sog. aktive Netzbrücke AFE, die aus steuerbaren Leistungshalbleiterschaltern V1–V6, normalerweise aus den IGBT, und parallel geschalteten Dioden D1–D6 besteht. Die vom AFE gebildete Gleichspannung wird mit Kondensatoren CDC gefiltert und weiterhin zur Einspeisung in den Motor M als dreiphasige Wechselspannung U, V, W in dem Wechselrichter INU, dessen innere Schaltung gleich wie die im AFE ist, wechselgerichtet. Um die Oberschwingungen des Netzstromes zu beschränken, wird normalerweise zwischen dem Versorgungsnetz L1–L3 und der aktiven Netzbrücke AFE ein Filter LCL geschaltet, das aus phasenspezifischen Drosseln L1, L2 und zwischen diesen geschalteten Kondensatoren C besteht.
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Bei hohen Leistungen ist es üblich, Komponenten auf dem Strompfad des Hauptstromes mit Flüssigkeit zu kühlen. Zeichnung 2 stellt z. B. eine aus der Patenveröffentlichung
US 7,508,289 bekannt gewordene Lösung für das Kühlen von Hochleistungsdrosseln dar. In der Lösung ist die Drossel auf eine flüssigkeitsgekühlte Unterlage
24 gestellt, die über Anschlüsse
25 mit dem externen Flüssigkeitsumlauf verbunden wird. Die Drossel beinhaltet die Spule
21 und den Magnetkern
22, um dessen Mittelsteg
23 die Spulenwicklung eingerichtet worden ist. Um die Kühlung der Spulenwicklung zu steigern, wurden Metallstreifen
26 gelegt, deren andere Enden auf dem Kühler ruhen und entlang denen die in der Spule entstehende Wärme zu dem Kühler
24 geleitet wird. Das Problem in der Kühlung dieser Art ist die lange Laufstrecke, die zum Beispiel von der am oberen Ende der Drossel befindlichen Wärmequelle bis zum Kühler führt, weswegen eventuell die Kühlung durch Gebläse intensiviert werden müsste.
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Zeichnung 3 stellt ein sog. potcore-ähnliches ferromagnetisches einteiliges Topfkernchassis dar, was vorteilhaft in den erfindungsgemäßen Kühlungslösungen angewendet werden kann. Der Kern hat einen runden Boden 31, mit dem ein runder Mittelsteg 32 und ein hohler zylinderförmiger Mantel 33 verbunden sind. In der Mitte des Mittelstegs kann sich ein Loch für die Befestigung befinden. Zwischen dem Mittelsteg und Mantel bleibt ein leerer Raum 34, in den die Spulenwicklung eingebracht wird. Der Mantel hat eine oder mehrere Öffnungen 35 für die Durchführung der Spulenenden. Bei dem Aufbau einer Drossel werden üblicherweise zwei Kerne dieser Art gegeneinander angeordnet.
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Zeichnung 4 stellt eine erfindungsgemäße Kühlungslösung dar. Darin sind zwei Topfkerne 42 gemäß Zeichnung 3, in denen sich die Spulenwicklung 41 befindet, zwischen zwei Flüssigkeitskühlern 44, 45 so angebracht worden, dass die Böden der Kerne und die Kühler zum Beispiel mit einem durch das Mittelloch 43 führenden sog. Königsbolzen fest gegeneinander gepresst sind. Der Spulenwicklungsraum in dieser Vorrichtung wird mit einem gut wärmeleitenden Material, zum Beispiel mit Epoxidharz, vollständig vergossen, wodurch die Wärme, die durch den Leistungsverlust in der Spule 41 entsteht, über das Harz und die Kerne 42 zu den Kühlern und die in denen zirkulierende Flüssigkeit geleitet wird. Durch die Flüssigkeitsanschlüsse 46 werden die Kühler weiter an die externe Flüssigkeitszirkulation angekoppelt.
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Je größer der Teil der Oberfläche der Drossel ist, der gegen den Kühler gepresst ist, desto besser ist die Kühlung der Drossel. Die Beispielkalkulation einer Situation, in der die Einspeisungstemperatur der kühlenden Flüssigkeit 50°C ist, zeigt, dass wenn mindestens 20% der Oberfläche der Drossel als Wärmeübertragungsfläche zu dem Kühler wirkt, die Spulentemperatur bei Nennstrom unter der erlaubten Temperatur von 120°C bleibt.
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Zeichnung 5 stellt eine mögliche Anwendung der Erfindung dar. Falls zu derselben Einheit mehrere Drosseln 51 gehören, die zum Beispiel die phasenspezifischen Drosseln L1 und L2 des LCL-Filters gemäß Zeichnung 1 sein können, können gemäß der Zeichnung die Drosseln so aufeinander oder nebeneinander gestapelt werden, dass zwischen den jeweiligen Drosselschichten ein Flüssigkeitskühler 52 angeordnet werden kann. Die Kühler können drosselspezifisch sein oder der gleiche Kühler kann gemäß diesem Zeichnungsbeispiel mehrere Drosseln kühlen.
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Zeichnung 6 stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar. Hier umringt ein Flüssigkeitskühler, der die Form eines hohlen Zylinders hat, radial die zu kühlende Drossel, die die Form eines geschlossenen Zylinders hat, und zu der die Kernhälften 61 und 62 gehören. In dieser Lösung wird die in der Spule entstehende Wärme durch den Verguss, der den Spulenraum ausfüllt, zu dem Kernmaterial und weiter zu dem radial den Kern umringenden Flüssigkeitskühler übertragen. Der Klarheit wegen ist in der Zeichnung die eine Hälfte des Kühlers mit einer durchgezogenen Linie 64 und die andere Hälfte mit einer gestrichelten Linie 63 dargestellt.
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Für einen Fachmann ist es klar, dass die verschiedenen Anwendungsformen der Erfindung sich nicht nur auf die hier vorher dargestellten Beispiele beschränken, sondern im Rahmen der hier im Folgenden aufgeführten Schutzansprüche variieren können. Zusätzlich zu dem in den Beispielen dargestellten Flüssigkeitskühler kann die Erfindung auch für Luftkühler angewandt werden. Die Form des Abschlusses des Kernteiles, des Mittelstegs und des Mantels kann abweichend von dem Zeichnungsbeispiel zum Beispiel auch ein regelmäßiges Vieleck sein.
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In der Erklärung können Kennzeichen, die möglicherweise zusammen mit anderen Kennzeichen dargestellt sind, auch getrennt von den anderen verwendet werden, wenn dies nötig ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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