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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spule oder einen Transformator mit einer Kühlungseinrichtung.
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Induktive Bauteile, wie Transformatoren, Elektromotoren und Generatoren, können sich durch ohmsche und magnetische Verluste erwärmen. Diese Erwärmung muss bei der Konstruktion der induktiven Bauteile und ihrem Einsatz/Betrieb berücksichtigt werden, damit es nicht zu Beschädigungen oder Störungen des Bauteils selbst oder anderer Bauteile kommt.
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Eine Limitierung der Erwärmung ist insbesondere dann notwendig, wenn Materialen bestimmter Bauteile des elektrischen Bauteils nur bis zu bestimmten Temperaturen funktionieren und/oder ihre technischen Eigenschaften behalten. Für eine Verringerung der Erwärmung können an dem Bauteil Kühlkörper, wie ein Wärmeleitpad, angebracht werden, welche eine bessere Wärmeabfuhr ermöglichen.
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Die
EP 2 711 942 A1 offenbart einen Transformator, bei dem an bestimmten Stellen des als Kühlkörper dienenden Transformatorgehäuses ein Wärmeleitmaterial aufgebracht ist, um an diesen Stellen eine Wärmeableitung von dem Transformator an das Gehäuse zu ermöglichen.
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Eine weitere Möglichkeit die Erwärmung zu verringern bzw. zu beeinflussen, besteht in der Dimensionierung/Auslegung des Bauteils. Eine Überdimensionierung ermöglicht meist eine geringere Erwärmung des Bauteils, führt jedoch zu größeren und teureren Bauteilen. Dies trifft auch auf ein als Kühlkörper gestaltetes Bauteilgehäuse zu. Die Anzahl der auf ein Bauteil aufbringbaren Wärmeleitpads/Kühlkörper wird von der Größe des Bauteils begrenzt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen anzugeben, die die beschriebenen Probleme verringern. Aufgabe ist es insbesondere, eine Spule, einen Transformator und ein Kühlsystem bereitzustellen, mit denen die Erwärmung der Spule bzw. des Transformators weiter verringert werden kann bzw. mit denen eine thermisch bedingte Überdimensionierung oder das Aufbringen von Wärmeleitpads auf die Spule/Transformator vermieden werden kann.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Erfindung wird durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche weitergebildet.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Spule zumindest einen Wärmeableiter auf, der für eine Ableitung von Wärme an einer lokalen Wärmestelle im Inneren der Spule von der Wärmestelle nach Außen führt.
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Dies erlaubt eine gezielte Ableitung von Wärme an besonders heißen Stellen, sogenannten „Hotspots“ innerhalb der Spule. Die Wärme muss nicht mehr vom „Hotspot“ durch die Spulenwicklungen nach Außen wandern, um dort von einem Kühlkörper aufgenommen zu werden, sondern wird direkt an dieser heißen Stelle von dem Wärmeableiter aufgenommen und nach Außen abgeführt. Es findet somit ein Kühlung innerhalb der Spule statt.
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Vorteilhafterweise ist zumindest der nach Außen führende Teil des Wärmeableiters nicht elektrisch leitend, um zu verhindern, dass den nach Außen führende Teil des Wärmeableiters als Antenne für Störungseinkopplungen dient und ggf. dort eine elektrische Isolierung aufzubringen ist.
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Vorteilhafterweise ist der Wärmeableiter nicht magnetisch, um keinen zusätzlichen Streufluss zu erzeugen und das magnetische Verhalten der Spule nicht negativ zu beeinflussen.
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Vorteilhafterweise ist zumindest das innerhalb der Spule führende Teil des Wärmeableiters sehr flach, wie ein Blech- oder Folienstreifen ausgebildet, um nicht zu viel Platz in der Spule einzunehmen.
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Der Wärmeableiter kann aus Magnesium, Cyanacrylat oder Aluminiumnitrid bestehen.
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Zusätzlich kann zumindest der sich außerhalb der Spule befindliche Teil des Wärmeableiters als Lasche ausgebildet sein. Die Lasche kann federnd ausgebildet sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann zumindest an einer Stelle des sich außerhalb der Spule befindlichen Teils des Wärmeableiters lötbares Metall angebracht sein. Das lötbare Metall kann als Draht um die Stelle gewickelt sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Spule einen Eisenkern aufweisen, wobei zumindest ein Abschnitt des Teils des Wärmeableiters, der sich innerhalb der Spule befindet, zwischen dem Eisenkern und der Spule angeordnet sein kann.
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Der Transformator gemäß der vorliegenden Erfindung weist zumindest eine der oben beschriebenen Spulen auf.
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Das System gemäß der vorliegenden Erfindung weist zumindest eine der oben beschriebenen Spulen oder den oben beschriebenen Transformator und ein Kühlmittel zum Abgeben von Wärme an seine Umgebung auf, wobei das Kühlmittel mit dem sich außerhalb der Spule befindlichen Teil des Wärmeableiters wärmeleitend verbunden ist.
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Das Kühlmittel kann eine metallisierte Fläche einer Leiterplatte sein.
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Die Spule oder der Transformator können auf der Leiterplatte angebracht sein, wobei sich die metallisierte Fläche zumindest teilweise unterhalb der Spule bzw. des Transformators befindet. Die metallisierte Fläche kann sich auf der von der Spule bzw. von dem Transformator abgewandten Seite der Leiterplatte befinden.
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Zusätzlich oder alternativ kann die federnd ausgebildete Lasche auf die metallisierte Fläche drücken.
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Zusätzlich oder alternativ kann, wenn zumindest an einer Stelle des sich außerhalb der Spule befindlichen Teils des Wärmeableiters lötbares Metall angebracht ist, der Wärmeableiter mittels einer Lötverbindung mit der metallisierten Fläche wärmeleitend verbunden sein.
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Zusätzlich oder alternativ kann der Wärmeableiter mittels Kleben an der metallisierten Fläche befestigt sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Spule gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2a und 2b ein zweites Ausführungsbeispiel der Spule gemäß der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Fertigungsstadien, und
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3 ein Ausführungsbeispiel des Spulen-Kühlsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Komponenten mit gleichen Funktionen sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Spule 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Spule weist zwei elektrische Anschlüsse 2 und 3, mittels derer die Spule 1 mit anderen elektrischen Bauteilen oder einer Leiterplatte elektrisch verbunden werden kann, einen Kern 4, der ein Eisenkern sein kann und um den die Spulenwicklungen 5 gewickelt sind, und einen sich teilweise innerhalb der Spule 1 bzw. der Spulenwicklungen 5 befindlichen Wärmeableiter 6a, 6b, 6c, auf.
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Zur besseren Veranschaulichung hat die Spule 1 nur sehr wenige Spulenwicklungen 5. Es sei angenommen, dass sich im oberen, den Anschlüssen 2 und 3 gegenüberliegenden Bereich der in 1 gezeigten Spule 1 die meisten Spulenwicklungen 5 befinden. Der Teil 6a des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c ist an der inneren Öffnung der Spule 1 in diesem oberen Bereich zwischen dem Kern und den Spulenwicklungen 5 angeordnet. Hier ist die größte Wärmeentwicklung zu erwarten. Die in dem Teil 6a des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c aufgenommene Wärme wird in diesem Ausführungsbeispiel über die Teile 6b und 6c nach außen transportiert.
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Alternativ kann die Wärme auch nur über das Teil 6c nach außen transportiert werden und auf das Teil 6b verzichtet werden.
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In dem gezeigten Beispiel ist der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c nicht elektrisch leitend, um zu verhindern, dass von dem Wärmeableiter 6a, 6b, 6c störende elektrische oder elektromagnetische Effekte ausgehen und/oder zu vermeiden, dass eine Isolierung auf den Wärmeableiter 6a, 6b, 6c aufgebracht werden muss.
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Vorteilhafterweise ist der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c nicht magnetisch, um keinen zusätzlichen Streufluss zu erzeugen und das magnetische Verhalten der Spule 1 nicht negativ zu beeinflussen.
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Der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c kann zum Beispiel aus Magnesium, Cyanacrylat oder Aluminiumnitrid gefertigt werden.
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Um dennoch eine Ankopplung/Befestigung an ein Kühlmittel, wie einen Kühlkörper, der die aus der Spule 1 transportierte Wärme an das Kühlmittel abgibt, zu ermöglichen bzw. zu vereinfachen, ist in dem gezeigten Beispiel an dem Teil 6c des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c lötbares Metall angebracht. Das lötbare Metall könnte in einfacher Weise durch Umwickeln des Teils 6c mit einem Kupferdraht angebracht werden.
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Wenn jedoch der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c bei einer Anwendung elektrisch leitend ausgeführt werden kann, könnte der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c selbst aus einem lötbaren Metall bestehen.
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Die Spule 1 muss keinen Kern bzw. keinen Eisenkern aufweisen. Der Teil 6a des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c könnte bei einer Spule 1 ohne Eisenkern von Spulenwicklungen 5 umgeben sein, so dass er sich zwischen zwei Schichten der Spulenwicklungen 5 befindet.
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2a und 2b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Spule gemäß der vorliegenden Erfindung in unterschiedlichen Fertigungsstadien. In dem in 2a gezeigten Fertigungsstadium ist der E-förmige Eisenkern 4 noch nicht mit den Spulenwicklungen 5 versehen worden. Der Teil 6a des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c ist beidseitig auf dem mittleren Schenkel des E-förmigen Eisenkerns angebracht. In dem in 2b gezeigten Fertigungsstadium ist der mittlere Schenkel des in 2a gezeigten E-förmigen Eisenkerns mit den Spulenwicklungen 5 versehen. Der Teil 6a des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c, welcher sich auf den Innenseiten des mittleren Schenkels befindet, ist hierbei mit dem Spulendraht (Spulenwicklungen 5) umwickelt und fixiert worden.
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Für den Aufbau eines Transformators gemäß der vorliegenden Erfindung müssen lediglich auf einen der beiden Seitenschenkel oder auf beiden Seitenschenkeln in gleicher Weise Spulenwicklungen 5 aufgebracht werden. Der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c könnte bei den Seitenschenkeln des E-förmigen Eisenkerns 4 auf Grund der thermisch besseren Außenposition der Seitenschenkel weggelassen werden oder lediglich nur auf der jeweiligen Innenseite angebracht werden.
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Bei dem in 3 gezeigten System gemäß der vorliegenden Erfindung ist die in 2b gezeigte Spule 1 auf eine Leiterplatte 7 (Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung; englisch printed circuit board, PCB) montiert.
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Unterhalb der Spule 1 befindet sich eine metallisierte Fläche 8 (freigelegte Kupferschicht der Leiterplatte) die als Kühlmittel/Kühlfläche 8 für die Spule 1 dient. Der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c ist mit der freigelegten Kupferschicht 8 wärmeleitend verbunden.
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Der als federnde Lasche ausgebildete Teil 6b, 6c des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c drückt auf die freigelegte Kupferschicht 8 und ermöglicht so einen Wärmeübergang.
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Alternativ kann der als federnde Lasche ausgebildete Teil des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c auch nur aus dem Teil 6c bestehen.
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Alternativ zu der federnden Ausbildung der Lasche oder zusätzlich kann für eine nichtlösbare Verbindung der Lasche mit der Kühlfläche 8 das Ende der Lasche (Teil 6b, 6c des Wärmeableiters 6a, 6b, 6c) wie oben beschrieben mit einem Draht umwickelt und auf der Kühlfläche 8 angelötet werden.
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Das Ende der Lasche kann auch ohne vorheriges Umwickeln mit einem Draht verlötet werden, wenn der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c aus einem lötfähigen Material besteht.
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Eine weitere Möglichkeit zur Anbindung der Lasche ist das Verkleben der Lasche auf der Kühlfläche 8 mit einem thermisch gut leitfähigen Kleber.
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Für eine einfache und gute Kontaktierung, zum Beispiel beim Löten oder Kleben, kann die Lasche unter Vorspannung auf die Leiterplatte 7 gedrückt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Kühlfläche 8 auf der Rückseite der Leiterplatte 7 (also auf der von der Spule 1 abgewandten Seite der Leiterplatte 7) angeordnet werden, wobei die entsprechend lang zu gestaltende Lasche durch die Leiterplatte 7 oder z.B. um einen Seitenrand der Leiterplatte 7 geführt wird. Mit dieser Anordnung wird ein großer Teil der von der Kühlfläche 8 abgegebenen Wärme nicht wie sonst in Richtung der Spule 1 nach oben abgestrahlt, sondern von der Spule 1 weg nach unten.
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Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Bereich/Platz unter der Spule 1 für die Kühlung bzw. als vergrößerte Kühlfläche genutzt. In diesem Bereich befinden sich wegen der Gefahr von Einstreuung/Störungen durch die Spule 1 üblicherweise keine Bauteile oder Leitungen bzw. Leiterbahnen.
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Optional kann um die Kühlfläche 8 ein Masseschirm gelegt werden, wenn die Kühlfläche 8 ein Potential hätte, das Störungen auf benachbarte Leiterbahnen einkoppeln könnte.
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Anstelle der freigelegten Kupferschicht der Leiterplatte 7 könnte ein separater flächiger Kühlkörper zwischen der Spule 1 und der Leiterplatte 7 oder auf der Unterseite der Leiterplatte 7 als Kühlmittel angeordnet sein, mit dem der Wärmeableiter 6a, 6b, 6c wärmeleitend verbunden ist.
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Die vorliegende Erfindung kann auch bei Spulen von elektrischen Motoren oder Generatoren angewendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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