EP0124809B1 - Induktives Bauelement - Google Patents

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EP0124809B1
EP0124809B1 EP84104376A EP84104376A EP0124809B1 EP 0124809 B1 EP0124809 B1 EP 0124809B1 EP 84104376 A EP84104376 A EP 84104376A EP 84104376 A EP84104376 A EP 84104376A EP 0124809 B1 EP0124809 B1 EP 0124809B1
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EP
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core
winding
inductive component
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subpackages
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Ejub Dipl.-Ing. Mesic
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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BBC Brown Boveri AG Switzerland
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/22—Cooling by heat conduction through solid or powdered fillings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/085—Cooling by ambient air

Definitions

  • the invention relates to an inductive component according to the preamble of claim 1.
  • Such a component is known from JP-A-56.27908.
  • This component is, for example, a basic element of electrical engineering as a transformer with primary and secondary windings for converting AC voltages and currents or as a choke for smoothing pulsating DC currents.
  • y buses for example, in electric locomotives, trams or Troll, has particularly those chokes opened a great field of application, on the one hand by a large thermal capacity and stability, and on the other hand characterized by the most compact possible structure.
  • the object of the present invention is therefore to create an inductive component, the thermal load capacity of which is noticeably improved compared to the components of the known type in a manner that is easy to implement and without increasing the external dimensions.
  • the object is achieved in an inductive component of the type mentioned by the features from the characterizing part of claim 1.
  • the essence of the invention is to use the core of the inductive component for heat dissipation. Due to the close thermal contact between the winding and the core outer part, which results from the small width of the winding gap and / or its filling with a solid insulating material, the heat is transferred directly from the thermally particularly stressed coil section within the core area directly to the core and passed on to the outer surfaces due to the good thermal conductivity of the core.
  • the core serves as an additional heat store, which absorbs the winding heat that occurs during brief overloading and thus brings about a temperature compensation to subcritical values.
  • the core of the inductive component is composed as a package from transformer sheets.
  • the sheets are arranged in the stack with insulating intermediate layers because of the eddy current losses, the stack is nevertheless oriented in such a way that good heat conduction results straight from the winding outwards, perpendicular to the surface normal of the sheets.
  • the core package is divided into partial packages to increase the heat transfer area, and the partial packages are separated from one another by spacers and form cooling channels within the core. This makes it possible to Multiply heat transfer from the core to the outside space compared to the one-piece core and make the cooling more effective.
  • an inductive component according to the invention is characterized in that the core is brought into contact with a cooling medium, preferably air, over a large area and the heat generated in the winding is released to the cooling medium via the core.
  • a cooling medium preferably air
  • the large surface of the core can be used to give off heat.
  • the core 1 shows a plan view of a known inductive component with an E-I core 2 as an example.
  • the core 2, which forms a largely closed, magnetic circuit, can be subdivided into a core inner part 6 and core outer parts 7.
  • the core inner part 6 is enclosed by a winding 1, which is wound in the usual way from a wire and its number of turns on the electrical and magnetic properties of the component is matched.
  • the hatched inner winding areas 1 'of the winding 1 are in turn enclosed by the core 2, so that the heat generated in most previously known components within the winding 1 is transported to the outside and has to be released there because the core outer parts 7 one Direct cooling of the inner winding areas 1 'with a cooling medium was prevented and direct heat transfer to the outer core parts 7 was not possible due to the poor thermal contact due to a comparatively large winding gap 8 filled with air between the inner winding areas 1' and the outer core parts 7.
  • the winding 1 is in close thermal contact with the core outer parts 7. This is achieved in that the winding gap 8 is filled with a solid insulating material instead of the very poorly heat-conducting air and / or the width d of the winding gap 8 is chosen to be less than 0.5 mm. Due to the close thermal contact, the heat from the winding inner regions 1 'can be given off directly to the core outer parts 7 and, because of the good thermal conductivity of the core 2, can be dissipated to the surroundings via an outer surface.
  • winding gap 8 It is particularly advantageous to design the winding gap 8 with a width of approximately 0.2 mm, because then, on the one hand, sufficient space remains when the winding is inserted into the core so as not to endanger the insulation of the winding, and on the other hand only a little additional material for filling the winding gap must be used, which has a favorable influence on the thermal contact.
  • the winding gap 8 can be filled, for example, by the vacuum impregnation method known per se, gaps with a larger width being able to be filled with fiber mats before the impregnation.
  • FIG. 2 shows the inductive component according to FIG. 1 in a side view. It can be clearly seen how the sides of the winding 1 facing the core outer parts 7 are thermally closely coupled to the core outer parts 7 by solid contact through the filled winding gaps 8.
  • the core 2 is usually provided with an air gap 5, which serves as a parameter for determining the electrical data of the inductive component and can be used together with the parameters of the winding 1 and the core 2 to wind the winding 1 in their given core 2 Always design geometric dimensions so that there is only a small winding gap 8.
  • the core 2 is constructed as a package from a stack of transformer sheets.
  • the transformer sheets which are made of known metallic alloys with corresponding magnetic properties, have the required good thermal conductivity as metal sheets in order to be able to transport large amounts of heat without high temperature gradients. These heat transfer surfaces should be as large as possible so that the heat can then be dissipated from the core 2 via its external surfaces to the surroundings.
  • cooling channels 4 are provided in the core 2, through which a suitable cooling medium, preferably air, can pass and thereby absorb heat from the adjacent core walls.
  • the cooling channels 4 are produced by omitting smaller stacks of sheets and by assembling the remaining partial packages 21,..., 23 with corresponding spacers 3 in the spaces.
  • the cooling channels 4 have the additional advantage that the winding inner regions 1 'are at least partially flowed around directly by the cooling medium.
  • a core can be taken as an example of the dimensional relationships, the subpackages 21,..., 23 of which each have a thickness of approximately 60 mm, while the distance between the sub-packets, which is defined by the spacers 3, and thus the width of the cooling channels 4 is approximately 6 mm.
  • the improvement in the thermal load capacity, which results from the introduction of the cooling channels 4, can be expressed by the following numerical ratios: If the thermal load capacity of an inductive component with convection cooling is set at 100% via the core, this value can be achieved by forced cooling, for example can be increased to 300%. The introduction of the cooling channels 4 then brings a further increase in the load capacity to approximately 370% with a constant coolant throughput.
  • an inductive component according to the invention has the advantage that its thermal resilience is considerably increased compared to the prior art with the same external dimensions, this improvement being able to be achieved with very simple means.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solches Bauelement ist aus der JP-A-56.27908 bekannt.
  • Dieses Bauelement ist beispielsweise als Transformator mit Primär- und Sekundärwicklung zur Umsetzung von Wechselspannungen und -strömen oder als Drossel zur Glättung pulsierender Gleichströme ein Grundelement der Elektrotechnik. Im Zuge der wachsenden Verbreitung von thyristorbestückten Umrichterschaltungen für eine Vielzahl von Anwendungen in der Antriebstechnik, so z.B. bei elektrischen Lokomotiven, Strassenbahnen oder Trolleybussen, hat sich insbesondere solchen Drosseln ein grosses Einsatzgebiet eröffnet, die sich einerseits durch grosse thermische Belastbarkeit und Stabilität und andererseits durch einen möglichst kompakten Aufbau auszeichnen.
  • Da bei den zur Glättung verwendeten Drosseln die Ummagnetisierungsverluste im Kern gegenüber den ohmschen Verlusten in der Wicklung in den Hintergrund treten, konzentriert sich bei den Betrachtungen über die thermische Belastbarkeit das Interesse auf die Abfuhr der in der Wicklung anfallenden Wärme, die insbesondere auch aus den inneren Wicklungslagen der Spule nach aussen gebracht werden soll. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus der Spulenwicklung eines induktiven Bauelementes ist es bekannt, bei der Wicklung zwischen den Wicklungslagen, insbesondere bei den Wickelköpfen, Distanzstäbe vorzusehen. Diese Distanzstäbe aus einem isolierenden Material sind zwischen verschiedenen Lagen versetzt so angeordnet, dass sich beim Wickeln durch die Eigenspannung der Wicklungsdrähte an beiden Seiten der Stäbe kanalartige Durchgänge bilden, durch die eine konvektive oder forcierte Kühlung der inneren Spulenbereiche erfolgen kann.
  • Das Einlegen der Distanzstäbe während des Wickelvorganges verursacht einen erheblichen, zusätzlichen Aufwand bei der Herstellung solcher induktiver Bauelemente und muss üblicherweise von Hand vorgenommen werden, weil dieser Arbeitsablauf einer Automatisierung nur schwer zugänglich ist. Darüber hinaus führen die eingelegten Distanzstäbe vor allem im Aussenteil der Wicklung dazu, dass die Wicklung ausbaucht und die äusseren Abmessungen des Bauelementes drastisch vergrössert werden. Schliesslich ist auch die Temperaturverteilung in der Wicklung nach wie vor sehr ungleichmässig, weil die Wärmeabfuhr durch den Einsatz der Kühlkanäle für die im Kernbereich befindlichen Spulenabschnitte nicht wesentlich verbessert wird.
  • Es ist weiterhin bekannt (z.B. aus der JP-A-58.4908), den Kern des Bauelementes in Teilpakete zu unterteilen. Diese Unterteilung vergrössert zum einen die mit einem Kühlmedium in Kontakt stehende Fläche des magnetischen Kerns und verschafft zum anderen dem Kühlmedium Zutritt zu den inneren Bereichen der Wicklung. Hierbei wird jedoch sowohl die im Kern durch Wirbelströme (oder Strahlung bzw. Konvektion) vorhandene Wärme, als auch die in der Wicklung anfallende Wärme, jeweils getrennt, an das Kühlmedium abgegeben.
  • Auf der anderen Seite ist in der eingangs genannten Druckschrift vorgeschlagen worden, den magnetischen Kern thermisch durch Körperkontakt an die Wicklung anzukoppeln und gleichsam als wärmeableitenden «Kühlkörper» zu benutzen, der einen grossen Teil der in der Wicklung entstehenden Wärme aufnehmen kann. Aufgrund des kompakten Kerns werden hierbei jedoch keine optimalen thermischen Verhältnisse erzielt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein induktives Bauelement zu schaffen, dessen thermische Belastbarkeit in einfach zu realisierender Weise und ohne Vergrösserung der äusseren Abmessungen gegenüber den Bauelementen der bekannten Art merklich verbessert ist.
  • Die Aufgabe wird bei einem induktiven Bauelement der eingangs genannten Art durch die Merkmale aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht darin, den Kern des induktiven Bauelementes zur Wärmeabfuhr heranzuziehen. Durch den engen thermischen Kontakt zwischen der Wicklung und dem Kernaussenteil, der sich aus der geringen Breite der Wicklungslücke und/oder ihre Füllung mit einem festen Isolierstoff ergibt, wird die Wärme gerade aus dem thermisch besonders belasteten Spulenabschnitt innerhalb des Kernbereichs direkt auf den Kern übertragen und aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit des Kerns an die Aussenflächen weitergeleitet. Dadurch erhält man einerseits eine wesentlich vergrösserte Fläche für die Wärmeabgabe nach aussen und zum anderen dient der Kern als zusätzlicher Wärmespeicher, der die bei kurzzeitiger Überlastung auftretende Wicklungswärme aufnimmt und so einen Temperaturausgleich auf unterkritische Werte herbeiführt.
  • Mit dem Füllen der Wicklung durch einen festen Isolierstoff wird bei gleichzeitigem Schutz der Wicklung ein Übergang mit Festkörper-Wärmeleitung geschaffen, der sich durch einfaches Imprägnieren herstellen lässt. Besonders günstig ist es in diesem Zusammenhang, als Isolierstoff ein faserverstärktes Material vorzusehen, dessen thermische und mechanische Eigenschaften sehr gut auf die Anforderungen dieses Anwendungsfalles abgestimmt werden können.
  • Erfindungsgemäss ist der Kern des induktiven Bauelements als Paket aus Transformatorblechen zusammengesetzt. Obgleich die Bleche wegen der Wirbelstromverluste im Stapel mit isolierenden Zwischenschichten angeordnet sind, ist der Stapel dennoch so orientiert, dass sich gerade von der Wicklung nach aussen, senkrecht zur Flächennormalen der Bleche, eine gute Wärmeleitung ergibt. Das Paket des Kerns ist zur Vergrösserung der Wärmeübergangsfläche in Teilpakete unterteilt und die Teilpakete sind durch Distanzstücke voneinander getrennt und bilden innerhalb des Kerns Kühlkanäle. Dadurch ist es möglich, die Wärmeabgabe vom Kern an den Aussenraum im Vergleich zum einteiligen Kern zu vervielfachen und die Kühlung effektiver zu gestalten.
  • Der Betrieb eines induktiven Bauelementes nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kern grossflächig mit einem Kühlmedium, vorzugsweise Luft, in Berührung gebracht und die in der Wicklung erzeugte Wärme über den Kern an das Kühlmedium abgegeben wird. Die grosse Oberfläche des Kerns kann zur Wärmeabgabe nach aussen eingesetzt werden. Zusätzliche Vorteile ergeben sich dabei, wenn die Kühlung mit dem Kühlmedium forciert, also z.B. mittels eines Gebläses erfolgt.
  • Die Erfindung soll nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung beschrieben und näher erläutert werden. Es zeigen:
    • Fig. 1 ein herkömmliches induktives Bauelement mit einem E-I-Kern in Draufsicht,
    • Fig. 2 die Seitenansicht des Bauelementes nach Fig. 1,
    • Fig. 3 ein induktives Bauelement mit einem in Teilpakete unterteilten Kern nach der Erfindung in Draufsicht.
  • In Fig. 1 ist als Beispiel ein bekanntes induktives Bauelement mit einem E-I-Kern 2 in der Draufsicht dargestellt. Der Kern 2, der einen weitgehend geschlossenen, magnetischen Kreis bildet, lässt sich unterteilen in einen Kerninnenteil 6 und Kernaussenteile 7. Der Kerninnenteil 6 wird von einer Wicklung 1 umschlossen, die in üblicher Weise aus einem Draht gewickelt und in ihrer Windungszahl auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Bauelementes abgestimmt ist. Die schraffiert eingezeichneten Wicklungsinnenbereiche 1' der Wicklung 1 sind ihrerseits vom Kern 2 umschlossen, so dass die in ihnen erzeugte Wärme bei den meisten bisher bekannten Bauelementen innerhalb der Wicklung 1 nach aussen transportiert und dort an die Umgebung abgegeben werden musste, weil die Kernaussenteile 7 eine direkte Kühlung der Wicklungsinnenbereiche 1' mit einem Kühlmedium verhinderten und ein direkter Wärmeübergang auf die Kernaussenteile 7 aufgrund des schlechten thermischen Kontaktes durch eine vergleichsweise grosse, mit Luft gefüllte Wicklungslücke 8 zwischen den Wicklungsinnenbereichen 1' und den Kernaussenteilen 7 nicht möglich war.
  • Bei anderen bekannten Bauelementen dagegen steht die Wicklung 1 mit den Kernaussenteilen 7 in engem thermischen Kontakt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Wicklungslücke 8 statt mit der sehr schlecht wärmeleitenden Luft, mit einem festen Isolierstoff ausgefüllt ist und/oder auch die Breite d der Wicklungslücke 8 kleiner als 0,5 mm gewählt wird. Aufgrund des engen thermischen Kontakts kann die Wärme aus den Wicklungsinnenbereichen 1' direkt an die Kernaussenteile 7 abgegeben und wegen der guten Wärmeleitfähigkeit des Kerns 2 über eine äussere Oberfläche an die Umgebung abgeführt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es, die Wicklungslücke 8 in einer Breite von etwa 0,2 mm auszuführen, weil dann einerseits beim Einschieben der Wicklung in den Kern ausreichend Platz verbleibt, um die Isolation der Wicklung nicht zu gefährden, und andererseits nur wenig zusätzliches Material zum Ausfüllen der Wicklungslücke verwendet werden muss, was den thermischen Kontakt günstig beeinflusst. Das Ausfüllen der Wicklungslücke 8 kann beispielsweise durch das an sich bekannte Verfahren der Vakuumimprägnierung erfolgen, wobei Lücken mit grösserer Breite vor der Imprägnierung mit Fasermatten verfüllt werden können.
  • Fig. 2 zeigt das induktive Bauelement nach Fig. 1 in der Seitenansicht. Man erkennt deutlich, wie die den Kernaussenteilen 7 zugewandten Seiten der Wicklung 1 über die ausgefüllten Wicklungslücken 8 an die Kernaussenteile 7 thermisch eng durch Festkörperkontakt angekoppelt sind. Der Kern 2 ist üblicherweise mit einem Luftspalt 5 versehen, der als Parameter für die Festlegung der elektrischen Daten des induktiven Bauelements dient und zusammen mit den Parametern der Wicklung 1 und des Kerns 2 dazu benutzt werden kann, die Wicklung 1 bei vorgegebenem Kern 2 in ihren geometrischen Abmessungen stets so auszulegen, dass sich nur eine kleine Wicklungslücke 8 ergibt.
  • Sehr günstige Verhältnisse hinsichtlich der Wärmeabfuhr werden nun erfindungsgemäss erreicht, wenn der Kern 2 als Paket aus einem Stapel von Transformatorblechen aufgebaut ist. Die Transformatorbleche, die aus bekannten metallischen Legierungen mit entsprechenden magnetischen Eigenschaften gefertigt sind, haben als Metallbleche die erforderliche gute Wärmeleitfähigkeit, um ohne hohe Temperaturgradienten ausreichend grosse Wärmemengen transportieren zu können. Damit die Wärme dann vom Kern 2 über seine aussenliegenden Oberflächen an die Umgebung abgeführt werden kann, sollten diese Wärmeübergangsflächen möglichst gross sein. Um Fläche zu gewinnen, werden nach der Erfindung, wie in Fig. 3 dargestellt, Kühlkanäle 4 im Kern 2 vorgesehen, durch die ein geeignetes Kühlmedium, vorzugsweise Luft, hindurchtreten und dabei Wärme von den angrenzenden Kernwänden aufnehmen kann. Die Veränderung im Kernquerschnitt, die sich durch die Kühlkanäle 4 bei gleichbleibenden Aussenabmessungen des Kerns ergibt, ist vergleichsweise gering und die mit ihr verbundene Änderung der elektrischen Eigenschaften des Bauelementes kann durch die Modifizierung anderer Parameter in einfacher Weise ausgeglichen werden. Bei dem aus Transformatorblechen aufgebauten Kern werden die Kühlkanäle 4 dadurch erzeugt, dass kleinere Stapel von Blechen weggelassen und die übriggebliebenen Teilpakete 21, ..., 23 mit entsprechenden Distanzstücken 3 in den Zwischenräumen zusammengesetzt werden. Die Kühlkanäle 4 haben den zusätzlichen Vorteil, dass die Wicklungsinnenbereiche 1' zumindest teilweise direkt vom Kühlmedium umströmt werden.
  • Als Beispiel für die Abmessungsverhältnisse kann ein Kern genommen werden, dessen Teilpakete 21, ..., 23 jeweils eine Dicke von etwa 60 mm aufweisen, während der durch die Distanzstücke 3 festgelegte Abstand zwischen den Teilpaketen und damit die Breite der Kühlkanäle 4 etwa 6 mm beträgt. Die Verbesserung in der thermischen Belastbarkeit, wie sie sich durch Einführung der Kühlkanäle 4 ergibt, lässt sich durch die folgenden Zahlenverhältnisse ausdrücken: Wenn die thermische Belastbarkeit eines induktiven Bauelements mit Konvektionskühlung über den Kern mit 100% festgesetzt wird, kann dieser Wert durch forcierte Kühlung z.B. auf 300% gesteigert werden. Die Einführung der Kühlkanäle 4 bringt dann eine weitere Steigerung der Belastbarkeit auf etwa 370% bei gleichbleibendem Kühlmitteldurchsatz.
  • Insgesamt hat ein induktives Bauelement nach der Erfindung den Vorteil, dass seine thermische Belastbarkeit bei gleichen äusseren Abmessungen gegenüber dem Stand der Technik erheblich vergrössert wird, wobei diese Verbesserung mit sehr einfachen Mitteln zu erreichen ist.

Claims (2)

1. Induktives Bauelement, insbesondere Drossel für die Leistungselektronik, umfassend wenigstens eine Wicklung (1 ) und einen Kern (2) hoher magnetischer Permeabilität, welcher Kern (2) im wesentlichen aus einem Metall besteht und als weitgehend geschlossener, magnetischer Kreis ausgebildet ist, und sich aus einem Kerninnenteil (6) und einem Kernaussenteil (7) zusammensetzt, wobei die Wicklung (1) den Kerninnenteil (6) umschliesst und ihrerseits von dem Kern (2) umschlossen wird, und vom Kernaussenteil (7) durch eine Wicklungslücke (8) mit einer Breite (d) von weniger als 0,5 mm getrennt und/oder die Wicklungslücke (8) mit einem festen Isolierstoff ausgefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) als Paket aus Transformatorblechen aufgebaut ist, und das Paket zur Vergrösserung der Wärmeübergangsfläche in Teilpakete (21, ..., 23) unterteilt ist und die Teilpakete (21, ..., 23) durch Distanzstücke (3) voneinander getrennt sind und Kühlkanäle (4) bilden.
2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolierstoff ein faserverstärktes Epoxydharz ist.
EP84104376A 1983-05-10 1984-04-18 Induktives Bauelement Expired EP0124809B1 (de)

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CH2547/83 1983-05-10

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