DE202017101659U1 - Structure for an inductive power component - Google Patents
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Abstract
Struktur für eine induktive Leistungskomponente, wobei die induktive Leistungskomponente mindestens eine isolierte Wicklung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung innerhalb eines Rahmens angeordnet ist, welcher Rahmen mit einem ferromagnetischen Kernmaterial gefüllt ist, der die Wicklung im Wesentlichen umgibt, so dass nur die externen elektrischen Anschlüsse der Wicklung nach außen sichtbar sind.A structure for an inductive power component, wherein the inductive power component comprises at least one insulated winding, characterized in that the winding is disposed within a frame, which frame is filled with a ferromagnetic core material that substantially surrounds the winding, so that only the external electrical Connections of the winding are visible to the outside.
Description
Technisches GebietTechnical area
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Struktur für eine induktive Leistungskomponente.The subject of the present invention is a structure for an inductive power component.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Ein allgemeiner Entwicklungstrend von Leistungselektronikeinrichtungen, z. B. Frequenzwandlern, ist eine Zunahme der Leistungsdichte. Wegen der internen Verluste in allen Komponenten, die elektrische Leistung handhaben, ist eine Bedingung für zunehmende Leistungsdichte die Ausnutzung von wirksamen Kühlverfahren, wie Flüssigkeits- oder erzwungene Luft-Kühlung.A general development trend of power electronic devices, e.g. Frequency converters, is an increase in power density. Because of the internal losses in all components that handle electrical power, one condition for increasing power density is the utilization of effective cooling techniques, such as liquid or forced air cooling.
Filterglättdrosseln, die in Frequenzwandlern verwendet werden, um Stromharmonische zu begrenzen, sind typische Leistungskomponenten, die beträchtliche Leistungsverluste erzeugen. Filterdrosseln sind induktive Komponenten, worin der Großteil der Verlustleistung in stromleitenden Wicklungen erzeugt wird und bemerkenswerterweise auch in ferromagnetischen Kernteilen.Filter baffles used in frequency converters to limit current harmonics are typical power components that produce significant power losses. Filter chokes are inductive components where most of the power dissipation is produced in current conducting windings, and remarkably also in ferromagnetic core parts.
Die Kernteile von induktiven Komponenten sind normalerweise standardisiert und werden in großen Volumina hergestellt. Somit ist der normale Weg, wenn eine Filterglättdrossel für eine neue Anwendung gestaltet wird, einen geeigneten Kern aus dem Herstellerkatalog auszuwählen und eine spezielle Wicklung um ihn zu gestalten. Die Konstruktion ist normalerweise nicht einfach vom Gesichtspunkt der Kühlung, z. B. wegen den eingebetteten inneren Windungen der Wicklung und wegen der irregulären äußeren Form der Einheit. Bekannte Wege, um Hochleistungswicklungen zu kühlen, sind z. B. sie aus Kupferrohren mit zirkulierendem Wasser darin zu machen oder thermisch gut leitende Streifen zwischen den Windungen einzubetten und die äußeren Enden dieser Streifen durch irgendeine äußere Anordnung zu kühlen.The core parts of inductive components are usually standardized and manufactured in large volumes. Thus, the normal way, when designing a filter choke for a new application, is to select a suitable core from the manufacturer catalog and make a special winding around it. The construction is usually not easy from the cooling point of view, e.g. Due to the embedded inner turns of the winding and because of the irregular outer shape of the unit. Known ways to cool high performance windings are, for. B. to make them from copper tubes with circulating water therein or to embed thermally well conductive strips between the turns and to cool the outer ends of these strips by any external arrangement.
Die bekannten Lösungen, um wirksame Kühlung anzuordnen, z. B. Flüssigkeitskühlung für induktive Leistungskomponenten, sind ziemlich kompliziert und teuer, einschließlich normalerweise gewissen technischen Begrenzungen. Die Formen von kommerziell erhältlichen Kernteilen können ebenfalls eine Begrenzung bilden, wenn man versucht, die Teile des magnetischen Kreises zu optimieren.The known solutions to arrange effective cooling, z. Liquid cooling for inductive power components are quite complicated and expensive, including usually certain technical limitations. The shapes of commercially available core parts can also be limiting in trying to optimize the parts of the magnetic circuit.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die vorliegende Erfindung stellt eine neue Leistungsinduktorstruktur zur Verfügung, die die Nachteile der bekannten Technologie vermeidet und eine Strukturoptimierung sowohl vom Gesichtspunkt der Kühlung als auch vom Gesichtspunkt des Designs des magnetischen Kreises zu erlauben. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein neues Verfahren für die Herstellung der neuen Induktorstruktur zur Verfügung. Der Schutzbereich wird definiert in den unabhängigen Ansprüchen und die bevorzugten Ausführungsformen in den abhängigen Ansprüchen.The present invention provides a novel power inductor structure which avoids the disadvantages of the known technology and permits structure optimization from both the refrigeration and the magnetic circuit design point of view. The present invention also provides a novel process for the manufacture of the new inductor structure. The scope of protection is defined in the independent claims and the preferred embodiments in the dependent claims.
Das grundlegende kennzeichnende Merkmal der Induktorstruktur nach der vorliegenden Erfindung ist, dass die elektromagnetischen Teile, d. h. Windung und magnetischer Kern, des Induktors innerhalb eines Rahmens angeordnet sind, z. B. einem kastenartigen Metallgehäuse, worin die isolierte Wicklungsstruktur umgeben ist von ferromagnetischem Material, das den magnetischen Kern des Induktors bildet. Die magnetischen Eigenschaften des Kernes können optimiert werden durch Abstimmen der Kernform, z. B. durch Verwendung zusätzlicher nicht magnetischer Teile innerhalb eines rechteckigen Rahmens oder unter Verwendung eines speziell gestalteten Rahmens.The basic characteristic feature of the inductor structure according to the present invention is that the electromagnetic parts, i. H. Winding and magnetic core, the inductor are arranged within a frame, z. A box-like metal housing, wherein the insulated winding structure is surrounded by ferromagnetic material forming the magnetic core of the inductor. The magnetic properties of the core can be optimized by tuning the core shape, e.g. By using additional non-magnetic parts within a rectangular frame or using a specially designed frame.
Das Herstellungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Schritte auf:
- 1. Montieren innerer Teile innerhalb des Rahmens,
- 2. Montieren der Wicklung innerhalb des Rahmens,
- 3. Füllen des Rahmens beim Fluid eines ferromagnetischen Materials, und
- 4. Aushärten des ferromagnetischen Materials.
- 1. mounting inner parts within the frame,
- 2. mounting the winding within the frame,
- 3. filling the frame with the fluid of a ferromagnetic material, and
- 4. curing the ferromagnetic material.
Der Induktor nach der vorliegenden Erfindung kann durch eine Flüssigkeitszirkulation und/oder eine erzwungene Luftzirkulation gekühlt werden. In einer flüssigkeitsgefüllten Ausführungsform kann die Einheit eine Verrohrung innerhalb des Rahmens, und Verbinder in der äußeren Oberfläche zum Verbinden der Verrohrung mit einer externen Flüssigkeitszirkulation aufweisen. In einer anderen Ausführungsform ist die Flüssigkeitsverrohrung in die Rahmenstruktur integriert. In einer Ausführungsform mit erzwungener Luftkühlung weist die äußere Oberfläche des Rahmens Kühlrippen auf, von denen die Wärme zu der äußeren Kühlluft übertragen wird. In einigen Ausführungsformen kann der Induktor sowohl durch Flüssigkeitszirkulation als auch durch erzwungene Luftzirkulation gekühlt werden.The inductor of the present invention may be cooled by a liquid circulation and / or forced air circulation. In a liquid filled embodiment, the unit may include tubing within the frame, and connectors in the outer surface for connecting the tubing to external fluid circulation. In another embodiment, the fluid piping is integrated into the frame structure. In an embodiment with forced air cooling, the outer surface of the frame has cooling fins from which the heat is transferred to the outer cooling air. In some embodiments, the inductor may be cooled by both liquid circulation and forced air circulation.
Die Induktorstruktur nach der vorliegenden Erfindung ist mechanisch robust und seine Kühlung kann wirksam ausgestaltet werden. Die magnetischen Eigenschaften des Induktors können optimiert werden durch Formen des magnetischen Kerns nach den Bedürfnissen.The inductor structure of the present invention is mechanically robust and its cooling can be made efficient. The magnetic properties of the inductor can be optimized by shaping the magnetic core according to needs.
Beschreibung der Zeichnungen Description of the drawings
Unten wird die Erfindung detaillierter beschrieben unter Verwendung von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, worinBelow, the invention will be described in more detail using examples with reference to the attached figures, in which
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die Kühlung dieser Art einer Konstruktion nach dem Stand der Technik ist nicht gut, z. B. wegen des langen thermischen Pfades von der oberen Kante der Wicklung zu dem Kühler. Mechanisch ist diese Struktur nicht robust und sie kann zusätzliche tragende Teile in vibrierenden Umgebungen (z. B. in Schiffen) benötigen.The cooling of this type of construction according to the prior art is not good, z. Due to the long thermal path from the upper edge of the coil to the radiator. Mechanically, this structure is not robust and may require additional supporting parts in vibrating environments (eg in ships).
In einer Flüssigkeitskühlungsanordnung, wie in den Beispielen der
In
Das Endergebnis nach dem Heizen ist eine kompakte Induktorstruktur, worin das ferromagnetische Material den magnetischen Kern des Induktors bildet. Die Form des Kerns kann optimiert werden, z. B. durch Anordnen von Nicht-Eisen Führungsteilen innerhalb des Rahmens vor dem Befüllen. Es ist auch möglich, die Kernform zu optimieren unter Verwendung einer Rahmenform, die unterschiedlich ist zu dem rechteckigen Prisma, wie in dem Beispiel oben gezeigt, z. B. einen Kasten mit abgerundeten Ecken, wie in
Die Ausführungsformen der Erfindung, die oben beschrieben sind, sind nur als Beispiele vorgesehen. Der Fachperson sind viele Modifikationen, Veränderungen und Ersetzungen gewärtig, die gemacht werden könnten, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Obwohl eine Gleichstromfilterglättungsdrossel eines Frequenzwandlers in den oben beschriebenen Beispielen verwendet wird, kann die Erfindung in vielen anderen Anwendungen verwandt werden, z. B. in Wechselstromfilterglättungsdrosseln, Sinusfilterglättungsdrosseln, Leistungstransformatoren etc. Die Ansprüche der vorliegenden Erfindung sind beabsichtigt, um alle solche Modifikationen, Änderungen und Ersetzungen abzudecken, wenn sie in den Geist und Bereich der Erfindung fallen.The embodiments of the invention described above are provided as examples only. Those skilled in the art will appreciate many modifications, changes and substitutions that could be made without departing from the scope of the present invention. Although a DC filter smoothing choke of a frequency converter is used in the examples described above, the invention can be used in many other applications, e.g. In AC filter smoothing chokes, sine filter smoothing chokes, power transformers, etc. The claims of the present invention are intended to cover all such modifications, changes, and substitutions, as they fall within the spirit and scope of the invention.
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