EP1647037A1 - Induktives bauelement mit kühlvorrichtung und verwendung des bauelements - Google Patents

Induktives bauelement mit kühlvorrichtung und verwendung des bauelements

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EP1647037A1
EP1647037A1 EP04763199A EP04763199A EP1647037A1 EP 1647037 A1 EP1647037 A1 EP 1647037A1 EP 04763199 A EP04763199 A EP 04763199A EP 04763199 A EP04763199 A EP 04763199A EP 1647037 A1 EP1647037 A1 EP 1647037A1
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EP
European Patent Office
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wire winding
component according
cooling device
inductive component
component
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EP04763199A
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English (en)
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EP1647037B1 (de
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Martin Honsberg-Riedl
Johann Otto
Eckhard Wolfgang
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Osram GmbH
Original Assignee
Patent Treuhand Gesellschaft fuer Elektrische Gluehlampen mbH
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    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/323—Insulation between winding turns, between winding layers
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
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    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/22—Cooling by heat conduction through solid or powdered fillings
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Definitions

  • the invention relates to an inductive component for forming a magnetic circuit, which has at least one wire winding and at least one cooling device for cooling the wire winding.
  • ECGs have at least one inductive component.
  • the inductive component is, for example, a choke coil or a transformer.
  • the inductive component has a wire winding.
  • the wire winding has a number of turns of an electrical conductor for generating a magnetic flux through the current flowing in the conductor.
  • the wire winding also serves to generate a voltage by changing the magnetic induction in the wire winding.
  • the wire winding is usually on a core with ferromagnetic material.
  • the ferro magnetic core material is, for example, a ferrite. The core ensures that the magnetic circuit is as closed as possible.
  • a small size of an inductive component can be achieved with a constant power throughput by a higher switching frequency.
  • a higher switching frequency leads to an increase in electrical losses and thus to one
  • the quality is a measure of an electrical quality of the inductive Component.
  • a cooling device for cooling the wire winding is implemented with a cooling circuit which is operated with the aid of a fluid.
  • the miniaturized inductive component is normally operated in an air environment. This means that the wire winding of the component is cooled solely by convection, which is caused by the ambient air.
  • this type of cooling may not be sufficient to reduce the operating temperature to such an extent that the quality of the inductive component meets the requirements.
  • the object of the present invention is to provide an inductive component with an efficient cooling device for cooling the wire winding.
  • an inductive component for forming a magnetic circuit which has at least one wire winding and at least one cooling device for cooling the wire winding.
  • the inductive component is characterized in that the cooling device has at least one composite material with at least one polymer material and at least one thermally conductive filler.
  • the composite material preferably consists of an electrically insulating or electrically poorly conductive polymer material with a thermally conductive and electrically poorly conductive filler.
  • the Polymer material can have a natural and / or artificial polymer.
  • the natural polymer is, for example, rubber.
  • the artificial polymer is a plastic.
  • the polymer material forms a matrix in which the filler is embedded.
  • the filler can be powdery or fibrous.
  • a diameter of a filler particle is selected from the ⁇ m range, which ranges from 100 nm to 100 ⁇ m.
  • a fill level of the filler in the polymer material is preferably selected so that a coagulation limit is exceeded. Below the coagulation limit, the likelihood of individual filler particles touching is very low. This leads to a relatively low specific
  • the filler is thermally conductive and preferably also electrically insulating or electrically poorly conductive.
  • the operating voltage is up to 2000 V.
  • the composite material also has a breakdown test at an operating voltage of this magnitude.
  • a ceramic material is particularly suitable as a thermally conductive and at the same time electrically insulating or electrically poorly conductive filler.
  • a ceramic material with the properties mentioned is, for example, aluminum oxide (AI2O3).
  • the composite material of the cooling device is preferably connected directly to the wire winding. Heat is transported away from the wire winding by heat conduction.
  • the cooling device has at least one film with the composite material which is in direct, thermally conductive contact with the wire winding.
  • the film and the wire winding are connected in such a way that heat conduction from the wire winding to the film can take place.
  • the foil and the wire winding touch each other.
  • a film thickness (film thickness) of the film is, for example, 0.22 mm.
  • a specific thermal conductivity coefficient ⁇ of 0.15 K / Wm up to 6.5 K / Wm can be achieved.
  • the dielectric strength can be 1 kV to 6 kV despite the relatively small film thickness.
  • a soft film with the composite material is used.
  • the film is plastically and / or elastically deformable.
  • the wire winding can be approximately embedded in the film. A thermal contact surface between the film and the wire winding, via which the heat conduction takes place, is particularly large.
  • the cooling device has at least one casting compound which has at least one further composite material with at least one further polymer material and at least one further thermally conductive filler and which is in direct, thermally conductive contact with the wire winding and / or the film.
  • the composite material and the further composite material can be the same or different. The same applies to individual components of the composite material and the other composite material.
  • the wire winding and / or the film are partly or completely in the sealing compound with the other Composite embedded. Since the other composite material is thermally conductive and the embedding provides an almost complete positive connection between the casting compound and the wire winding or film, the heat can be dissipated very efficiently from the wire winding and the film via the casting compound.
  • the use of the potting compound also results in a homogeneous temperature distribution within the inductive component.
  • the wire winding of the component is cooled homogeneously. This also contributes to an increased quality of the inductive component.
  • an intermediate space present between the film and the wire winding and / or between the encapsulation and the wire winding has a thermally conductive material for thermally bridging the intermediate space.
  • the intermediate space is preferably completely filled with the thermally conductive material. This leads to improved heat dissipation away from the wire winding.
  • a thermally conductive material is preferably used for this purpose, which is additionally electrically insulating. The thermally conductive material is therefore selected in particular from the group of oil, paste, wax and / or adhesive.
  • the cooling device of the inductive component is designed such that the in the wire winding during operation of the inductive component heat can be efficiently dissipated to the outside.
  • the heat is transported away from the composite material of the cooling device.
  • the heat is transported further, for example, by convection.
  • a fluid that can absorb the heat is conducted past the cooling device with the composite material.
  • the fluid is, for example, a liquid or a gas or gas mixture.
  • the heat is preferably carried on
  • the film with the composite material and / or the sealing compound with the composite material is therefore thermally conductively connected to a heat sink in the inductive component by heat conduction.
  • the heat sink ensures that the smallest possible temperature difference between the wire winding, the cooling device and the heat sink is present during operation of the inductive component.
  • the heat sink is preferably designed such that it can absorb a large amount of heat.
  • the heat capacity of the heat sink is large. It is also conceivable that the heat sink ensures efficient removal of the heat.
  • the heat sink is, for example, a heat sink made of a material that is characterized by a high thermal conductivity.
  • Thermal gradients can be used to cool the heat sink by convection.
  • the inductive component is preferably a choke coil or a transformer.
  • a choke coil is permeable to direct current. In contrast, alternating current is limited by the choke coil.
  • the choke coil has a high electrical reactance for a current of high frequency.
  • the transformer consists of at least two wire windings. However, more than two wire windings can also be used
  • Transformer made of a wire winding, which is divided into two parts by an electrical tap.
  • the inductive component is used in an electronic ballast in which an electrical input power is converted into an electrical output power. Input power and output power are usually different.
  • the component is operated with an alternating voltage with a frequency in the range from 100 kHz up to and including 200 MHz. This frequency range is called the high frequency range.
  • the inductive component has in particular a core with a ferromagnetic core material that is suitable for high frequencies.
  • the core material is a ferrite in the form of an M33 core material with a cutoff frequency of approximately 10 MHz.
  • This core material contains manganese and zinc.
  • a Kl, K ⁇ or K12 core material is also conceivable. These core materials have nickel and zinc.
  • core material has a cut-off frequency of 7 MHz.
  • the wire winding advantageously has a high-frequency stranded wire with a large number of individual wires which are electrically insulated from one another.
  • a strand is a wire that is wound or braided from many metal threads (single wires).
  • the individual wires are insulated from one another in order to reduce losses due to the skin effect and eddy currents.
  • a lower high-frequency loss resistance is achieved in comparison to a stranded wire with individual wires that are not insulated from one another with the same cross section.
  • the individual wires have at least one individual wire diameter selected from the range from 10 ⁇ m to 50 ⁇ m inclusive.
  • the variety is in the range from 10 to including 30 selected.
  • 10 or more individual wires are arranged to form a high-frequency strand. This makes it possible to provide wire windings with a relatively large surface area and thus with a relatively low high-frequency loss resistance.
  • an AC voltage of up to 2000 volts is used. It has been shown that the gap can be used to achieve high quality even at a few hundred volts with a frequency of a few MHz. This means that the inductive component can be miniaturized and still a high power throughput can be achieved with high quality and low internal losses.
  • the inductive component can thus be referred to as a miniaturized HF-HV (high-frequency high-voltage) component.
  • the inductive component can also be used in an ignition transformer to ignite a discharge lamp.
  • the discharge lamp is controlled by an electrical circuit with a high alternating voltage (initial voltage).
  • a voltage pulse with an AC voltage of up to 40 kV is therefore used.
  • the component is briefly driven with this high alternating voltage within a few ⁇ m (ignition duration).
  • the invention has the following significant advantages:
  • the heat generated in the wire winding during operation of the inductive component can be efficiently dissipated.
  • the efficient heat dissipation leads to a relatively small increase in the temperature of the wire winding.
  • the small increase in temperature leads to a relatively small increase in the electrical resistance in the Wire winding. The result is an increased quality of the inductive component compared to an uncooled wire winding.
  • the use of the potting compound also results in a homogeneous temperature distribution within the inductive component.
  • the wire winding of the component is cooled homogeneously. This also contributes to an increased quality of the inductive component.
  • Figures 1 to 3 each show an inductive component with a cooling device in a lateral cross section.
  • FIG. 4 shows a section of an inductive component with a cooling device in a lateral cross section.
  • Figure 5 shows an inductive component from the side.
  • FIGS. 6a and 6b show an RM design of the core of the inductive component from above and in cross section along the connecting line I-I.
  • the inductive component 1 is an HF-HV (high-frequency high-voltage) transformer (FIG. 5).
  • the component 1 has a wire winding 3 and a core 4.
  • the wire winding is characterized by a winding axis 12, along which the wire of the wire winding 3 is wound.
  • the Wire winding 3 is a high-frequency strand 14 with 30 individual wires.
  • the wire diameter of a single wire is about 30 ⁇ m.
  • the core 4 is a ferrite core and consists of an M33 core material.
  • the core has an RM6 core shape (FIGS. 6a and 6b).
  • the core is a combination of an E-core shape and a pot-core shape with a central bore 15.
  • the core 4 has a core-center gap 7, which is arranged around the central bore 15 in the inner region 10 of the wire winding 3. Two further gaps 8 are in the outer region 11 of the wire winding 3 in each of the core legs 6 of the
  • the core is essentially symmetrical. It consists of two parts 5 arranged mirror-symmetrically to the mirror plane 13, which are arranged opposite one another at the columns 7 and 8 and are spaced apart from one another by the gap widths 9.
  • the mirror plane 13 is located in the three columns 7 and 8.
  • the wire winding 3 is arranged essentially symmetrically by the arrangement. The result is an inductive component which is essentially symmetrical to the mirror plane 13.
  • the wire winding 3 is cooled.
  • a cooling device 20 for cooling the wire winding 3 is provided.
  • the cooling device 20 has a film 21 with a thermally conductive composite material.
  • the base material of the composite material is a thermally and electrically poorly conductive polymer material.
  • a filler with high thermal and low electrical conductivity is embedded in the polymer material.
  • the film 21 has a film thickness of approximately 0.22 mm.
  • the specific thermal conductivity coefficient ⁇ is about 4 K / Wm.
  • the electrical dielectric strength extends up to about 6 kV.
  • the high-frequency strand 14 of the wire winding 3 and the film 21 are wound around a winding body 30 adapted to the RM6 core shape.
  • the film 21 and the wire winding 3 are arranged around the winding body 30 in such a way that the high-frequency strand 14 of the wire winding 3 and the films 21 alternate in a radial direction starting from the winding body 30 (FIGS. 1 and 2).
  • the film 21 used serves as an intermediate insulation layer of the high-frequency stranded wire 14 of the wire winding 3. This results in an efficient heat conduction path 24 away from the wire winding 3 in the radial direction.
  • Heat which arises during operation of the inductive component in the high-frequency strand 14, is efficiently dissipated along the heat-conducting path 24.
  • the high-frequency braid 14 of the wire winding 3 and a plurality of foils 21 are each individually radially aligned with the winding body 30 (FIG. 3).
  • a multi-chamber solution is implemented, which is also referred to as a disk winding. An efficient dissipation of the heat via the heat conduction path 24 is also ensured here.
  • the inductive component 1 or the cooling device 20 of the inductive component 1 is embedded in a casting compound 22 with a further thermally conductive composite material (FIGS. 1 and 3).
  • the potting compound 22 is in direct thermal contact with part of the wire winding 3. This means that the heat can be dissipated via heat conduction via a thermal contact surface between the high-frequency license 14 of the wire winding 3 and the film 21 or the films 21.
  • the casting compound 22 is connected to the heat sink 25 in a thermally conductive manner via heat conduction.
  • the heat sink 25 is one Circuit board with a thermally highly conductive material. The result of the operation of the inductive component is a relatively small temperature difference between the wire winding 3 and the heat sink 25.
  • the further dissipation of the heat takes place through a dissipation fin 26 with a relatively high coefficient of thermal conductivity (FIG. 2).
  • the heat is transferred from the foils 21 or the wire winding 3 in the direction of the heat sink 25 via the dissipation fin 26, which is connected to the foils 21 via a spacer ceramic 28 with a relatively high thermal conductivity coefficient.
  • gaps 27 which reduce the efficiency with which the wire winding 3 is cooled (FIG. 4).
  • these intermediate spaces 27 are filled with a thermally conductive and electrically insulating or poorly conductive paste.

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Description

Beschreibung
Induktives Bauelement mit Kühlvorrichtung und Verwendung des Bauelements
Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement zur Bildung eines magnetischen Kreises, das mindestens eine Drahtwicklung und mindestens eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Drahtwicklung aufweist.
Ein elektronisches Vorschaltgerät (EVG) wird als elektronischer Spannungs- und/oder Stromwandler im Beleuchtungsbereich eingesetzt. EVGs weisen mindestens ein induktives Bauelement auf. Das induktive Bauelement ist beispielsweise eine Drosselspule oder ein Transformator. Das induktive Bauelement verfügt über eine Drahtwicklung. Die Drahtwicklung weist eine Anzahl von Windungen eines elektrischen Leiters zur Erzeugung eines magnetischen Flusses durch den in dem Leiter fließenden Strom auf. Die Drahtwicklung dient auch der Erzeugung einer Spannung durch Änderung der magnetischen Induktion in der Drahtwicklung. Zur Vergrößerung der magnetischen Induktion und zur Verringerung eines magnetischen Streuverlusts befindet sich die Drahtwicklung meist auf einem Kern mit ferromagnetischem Material. Das ferro agnetische Kernmaterial ist beispielsweise ein Ferrit. Der Kern sorgt für einen möglichst geschlossenen magnetischen Kreis.
Diese EVGs werden zunehmend miniaturisiert. Die Miniaturisierung betrifft insbesondere ein induktives
Bauelement der EVGs. Eine kleine Baugröße eines induktiven Bauelements lässt sich bei einem gleichbleibenden Leistungsdurchsatz durch eine höhere Schaltfrequenz erreichen. Eine höhere Schaltfrequenz führt aber zu einer Erhöhung der elektrischen Verluste und damit zu einer
Erniedrigung der Güte Q des induktiven Bauelements. Die Güte ist ein Maß einer elektrischen Qualität des induktiven Bauelements. Infolge der sinkenden Güte kann es bei einer zunehmenden Miniaturisierung des induktiven Bauelements insbesondere bei einer hohen Wechselspannung, mit der das induktive Bauelement betrieben wird, zu einer unzulässig hohen Betriebstemperatur kommen.
Bei einem induktiven Bauelement in Form eines Großtransformators ist beispielsweise eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Drahtwicklung mit einem Kühlkreislauf realisiert, der mit Hilfe eines Fluids betrieben wird. Eine solche Lösung gibt es für ein miniaturisiertes induktives Bauelement nicht. Das miniaturisierte induktive Bauelement wird normalerweise in einer Umgebung mit Luft betrieben. Dies bedeutet, dass die Drahtwicklung des Bauelements allein durch Konvektion gekühlt wird, die durch die Umgebungsluft hervorgerufen wird. Diese Art der Kühlung ist aber unter Umständen nicht ausreichend, um die Betriebstemperatur so weit zu reduzieren, dass die Güte des induktiven Bauelements den Anforderungen genügt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein induktives Bauelement mit einer effizienten Kühlvorrichtung zum Kühlen der Drahtwicklung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein induktives Bauelement zur Bildung eines magnetischen Kreises gelöst, das mindestens eine Drahtwicklung und mindestens eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Drahtwicklung aufweist. Das induktive Bauelement ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung mindestens einen Verbundwerkstoff mit mindestens einem Polymerwerkstoff und mindestens einem thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist.
Der Verbundwerkstoff besteht vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden beziehungsweise elektrisch schlecht leitenden Polymerwerkstoff mit einem thermisch leitfähigen und elektrisch schlecht leitenden Füllstoff. Der Polymerwerkstoff kann ein natürliches und/oder künstliches Polymer aufweisen. Das natürliche Polymer ist beispielsweise Kautschuk. Das künstliche Polymer ist ein Kunststoff.
Der Polymerwerkstoff bildet dabei als Basismaterial des Verbundwerkstoffes eine Matrix, in die der Füllstoff eingebettet ist. Dabei können mehrere Füllstoffe vorhanden sein. Der Füllstoff kann bzw. die Füllstoffe können pulverförmig oder faserförmig sein. Ein Durchmesser eines Füllstoffpartikels ist aus dem μm-Bereich ausgewählt, der von 100 nm bis 100 μm reicht. Ein Füllgrad des Füllstoffes im Polymerwerkstoff ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass eine Koagulationsgrenze überschritten wird. Unterhalb der Koagulationsgrenze ist die Wahrscheinlichkeit dafür sehr gering, dass sich einzelne Füllstoffpartikel berühren. Dies führt zu einem relativ niedrigen spezifischen
Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Wenn die Koagulationsgrenze überschritten wird, berühren sich die Füllstoffpartikel mit relativ großer Wahrscheinlichkeit. Daraus ergibt sich ein relativ hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des Verbundwerkstoffs .
Der Füllstoff ist thermisch leitfähig und vorzugsweise auch elektrisch isolierend bzw. elektrisch schlecht leitend. Dies führt dazu, dass das induktive Bauelement auch mit einer relativ hohen Betriebsspannung betrieben werden kann. Beispielsweise beträgt die Betriebsspannung bis zu 2000 V. Der Verbundwerkstoff ist auch bei einer Betriebsspannung in dieser Größenordnung durchschlägstest . Als thermisch leitfähiger und gleichzeitig elektrisch isolierender beziehungsweise elektrisch schlecht leitender Füllstoff eignet besonders ein keramischer Werkstoff. Ein keramischer Werkstoff mit den genannten Eigenschaften ist beispielsweise Aluminiumoxid (AI2O3) .
Zu einem effizienten Abtransport von Wärme, die im Betrieb des induktiven Bauelements in der Drahtwicklung entsteht,' ist der Verbundwerkstoff der Kühlvorrichtung vorzugsweise direkt mit der Drahtwicklung verbunden. Ein Wärmetransport von der Drahtwicklung weg erfolgt durch Wärmeleitung.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Kühlvorrichtung mindestens eine Folie mit dem Verbundwerkstoff auf, die mit der Drahtwicklung in direktem, thermisch leitfähigen Kontakt steht. Die Folie und die Drahtwicklung sind derart verbunden, dass eine Wärmeleitung von der Drahtwicklung zur Folie hin stattfinden kann. Die Folie und die Drahtwicklung berühren sich einander. Eine Foliedicke (Folienstärke) der Folie beträgt beispielsweise 0,22 mm. In Abhängigkeit vom Verbundwerkstoff (Art des Polymerwerkstoffes, Art und Füllgrad des Füllstoffes, etc, ) ist dabei ein spezifischer Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ vom 0,15 K/Wm bis hin zu 6,5 K/Wm erreichbar. Die Spannungsfestigkeit kann trotz der relativ geringen Foliedicke dabei 1 kV bis 6 kV betragen.
Um eine effiziente Wärmeableitung durch die Kühlvorrichtung zu gewährleisten, wird insbesondere eine weiche Folie mit dem Verbundwerkstoff verwendet. Die Folie ist plastisch und/oder elastisch verformbar. Die Drahtwicklung kann näherungsweise formschlüssig in die Folie eingebettet sein. Eine thermische Kontaktfläche zwischen der Folie und der Drahtwicklung, über die die Wärmeleitung stattfindet, ist dabei besonders groß.
In einer besonderen Ausgestaltung weist die Kühlvorrichtung mindestens eine Vergussmasse auf, die mindestens einen weiteren Verbundwerkstoff mit mindestens einem weiteren Polymerwerkstoff und mindestens einem weiteren thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist und die mit der Drahtwicklung und/oder der Folie in direktem, thermisch leitfähigen Kontakt steht. Der Verbundwerkstoff und der weitere Verbundwerkstoff können gleich oder verschieden sein. Gleiches gilt für einzelne Komponenten des Verbundwerkstoffs und des weiteren Verbundwerkstoffs. Die Drahtwicklung und/oder die Folie sind zum Teil oder ganz in die Vergussmasse mit dem weiteren Verbundwerkstoff eingebettet. Da der weitere Verbundwerkstoff thermisch leitfähig ist und durch das Einbetten ein nahezu kompletter Formschluss zwischen Gussmasse und Drahtwicklung bzw. Folie vorliegt, kann die Wärme von der Drahtwicklung und der Folie über die Gussmasse sehr effizient abgeleitet werden. Durch die Verwendung der Vergussmasse kommt es darüber hinaus zu einer homogenen Temperaturverteilung innerhalb des induktiven Bauelements. Die Drahtwicklung des Bauelements wird homogen gekühlt. Dies trägt ebenfalls zu einer erhöhten Güte des induktiven Bauelements bei.
Sowohl bei der Folie als auch bei der Vergussmasse ist es möglich, dass zwischen Vergussmasse, Folie und Drahtwicklung Zwischenräume (Hohlräume) vorhanden sind, die mit Luft gefüllt sind und daher zu einer thermischen Isolierung der Vergussmasse, Folie und der Drahtwicklung voneinander beitragen. Eine effiziente Ableitung von Wärme ist aufgrund der Zwischenräume nicht möglich. In einer besonderen Ausgestaltung weist daher ein zwischen der Folie und der Drahtwicklung und/oder zwischen dem Verguss und der Drahtwicklung vorhandener Zwischenraum ein thermisch leitfähiges Material zur thermischen Überbrückung des Zwischenraums auf. Der Zwischenraum ist vorzugsweise vollständig mit dem thermisch leitfähigen Material ausgefüllt. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeableitung von der Drahtwicklung weg. Vorzugsweise wird dazu ein thermisch leitfähiges Material verwendet, das zusätzlich elektrisch isolierend ist. Das thermisch leitfähige Material ist daher insbesondere aus der Gruppe Öl, Paste, Wachs und/oder Klebstoff ausgewählt. Mit diesen thermisch leitfähigen und gleichzeitig elektrisch isolierenden Materialien ist gewährleistet, dass auch bei Verwendung von hohen Betriebsspannungen eine dafür notwendige Spannungsfestigkeit gegeben ist.
Die Kühlvorrichtung des induktiven Bauelements ist derart ausgestaltet, dass die in der Drahtwicklung im Betrieb des induktiven Bauelements entstehende Wärme effizient nach außen abgeführt werden kann. Dazu wird für einen Weitertransport der Wärme vom Verbundwerkstoff der Kühlvorrichtung weg gesorgt. Der Weitertransport der Wärme erfolgt beispielsweise durch Konvektion. Dazu wird an der Kühlvorrichtung mit dem Verbundwerkstoff ein Fluid vorbeigeleitet, das die Wärme aufnehmen kann. Das Fluid ist beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas bzw. Gasgemisch.
Vorzugsweise erfolgt der Weitertransport der Wärme durch
Wärmeleitung. In einer besonderen Ausgestaltung ist daher bei dem induktiven Bauelement die Folie mit dem Verbundwerkstoff und/oder die Vergussmasse mit dem Verbundwerkstoff mit einer Wärmesenke durch eine Wärmeleitung thermisch leitend verbunden. Mit Hilfe der Wärmesenke wird dafür gesorgt, dass im Betrieb des induktiven Bauelements ein möglichst kleiner Temperaturunterschied zwischen der Drahtwicklung, der Kühlvorrichtung und der Wärmesenke vorhanden ist. Dazu ist Wärmesenke vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie eine große Wärmemenge aufnehmen kann. Die Wärmekapazität der Wärmesenke ist groß. Denkbar ist auch, dass bei der Wärmesenke für einen effizienten Abtransport der Wärme gesorgt ist. Die Wärmesenke ist beispielsweise ein Kühlkörper aus einem Material, das sich durch eine hohe thermische Leitfähigkeit auszeichnet. Zum Aufrechterhalten des
Wärmegradienten kann der Kühlkörper kann durch Konvektion gekühlt werden.
Das induktive Bauelement ist vorzugsweise eine Drosselspule oder ein Transformator. Eine Drosselspule ist für Gleichstrom durchlässig. Dagegen wird Wechselstrom durch die Drosselspule begrenzt. Die Drosselspule weist für einen Strom hoher Frequenz einen hohen elektrischen Blindwiderstand auf. Der Transformator besteht aus mindestens zwei Drahtwicklungen. Es können aber auch mehr als zwei Drahtwicklungen zum
Transformator angeordnet sein. Alternativ dazu besteht der Transformator aus einer Drahtwicklung, die durch einen elektrischen Abgriff in zwei Teile unterteilt ist.
Das induktive Bauelement wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung in einem elektronischen Vorschaltgerät verwendet, bei dem eine elektrische Eingangsleistung in eine elektrische Ausgangsleistung umgewandelt wird. Eingangsleistung und Ausgangsleistung sind normalerweise unterschiedlich. Insbesondere wird dabei das Bauelement mit einer Wechselspannung mit einer Frequenz aus dem Bereich von einschließlich 100 kHz bis einschließlich 200 MHz betrieben. Dieser Frequenzbereich wird als Hochfrequenzbereich bezeichnet. Zur Anwendung in der Hochfrequenztechnik weist das induktive Bauelement insbesondere einen Kern mit einem ferromagnetischen Kernmaterial auf, das hochfrequenztauglich ist. Beispielsweise ist das Kernmaterial ein Ferrit in Form eines M33-Kernmaterials mit einer Grenzfrequenz von etwa 10 MHz. Dieses Kernmaterial weist Mangan und Zink auf. Ebenso ist ein Kl, Kβ oder K12-Kernmaterial denkbar. Diese Kernmaterialien weisen Nickel und Zink auf. Das K6-
Kernmaterial weist beispielsweise eine Grenzfrequenz von 7 MHz auf.
Im Hinblick auf die Hochfrequenzanwendung weist die Drahtwicklung vorteilhaft eine Hochfrequenzlitze mit einer Vielzahl von voneinander elektrisch isolierten Einzeldrähten auf. Eine Litze ist ein aus vielen Metallfäden (Einzeldrähten) gewundener oder geflochtener Draht. Bei einer Hochfrequenzlitze sind die Einzeldrähte gegeneinander isoliert, um Verluste durch Skineffekt und Wirbelströme zu reduzieren. Dadurch wird im Vergleich zu einer Litze mit nicht voneinander isolierten Einzeldrähten bei gleichem Querschnitt ein niedrigerer Hochfrequenzverlustwiderstand erzielt. Insbesondere weisen die Einzeldrähte zumindest einen aus dem Bereich von einschließlich 10 μm bis einschließlich 50 μm ausgewählten Einzeldrahtdurchmesser aus. Insbesondere ist die Vielzahl aus dem Bereich von einschließlich 10 bis einschließlich 30 ausgewählt. Beispielsweise sind 10 und mehr Einzeldrähte zu einer Hochfrequenzlitze angeordnet. Damit lassen sich Drahtwicklungen mit einer relativ großen Oberfläche und damit mit einem relativ niedrigen Hochfrequenzverlustwiderstand bereitstellen.
In einer besonderen Ausgestaltung wird eine Wechselspannung von bis zu 2000 Volt verwendet. Es hat sich gezeigt, dass sich mit Hilfe der Spalte auch bei einigen hundert Volt mit einer Frequenz von einigen MHz eine hohe Güte erzielen lässt. Dies führt dazu, dass das induktive Bauelement miniaturisiert werden kann und trotzdem ein hoher Leistungsdurchsatz bei hoher Güte und niedrigen inneren Verlusten erreicht werden kann. Das induktive Bauelement kann somit als ein miniaturisiertes HF-HV (Hochfrequenz-Hochvolt ) -Bauelement bezeichnet werden.
Das induktive Bauelement kann auch in einem Zündtrafo zum Zünden einer Entladungslampe eingesetzt werden. Zum Zünden der Entladungslampe wird die Entladungslampe über eine elektrische Schaltung mit einer hohen Wechselspannung (Initialspannung) angesteuert. In einer weiteren Ausgestaltung wird daher ein Spannungspuls mit einer Wechselspannung von bis zu 40 kV verwendet. Das Bauelement wird mit dieser hohen Wechselspannung kurzzeitig innerhalb weniger μm (Zünddauer) angesteuert.
Zusammenfassend verbindet sich mit der Erfindung folgende wesentlichen Vorteile:
- Mit Hilfe der Kühlvorrichtung kann die in der Drahtwicklung im Betrieb des induktiven Bauelements entstehende Wärme effizient abgeleitet werden. Durch das effiziente Ableiten der Wärme kommt es zu einer relativ geringen Temperaturerhöhung der Drahtwicklung. Die geringe Temperaturerhöhung führt zu einer relativ geringen Erhöhung des elektrischen Widerstands in der Drahtwicklung. Es resultiert eine im Vergleich zu einer ungekühlten Drahtwicklung erhöhte Güte des induktiven Bauelements.
• Durch die Verwendung der Vergussmasse kommt es darüber hinaus zu einer homogenen Temperaturverteilung innerhalb des induktiven Bauelements. Die Drahtwicklung des Bauelements wird homogen gekühlt. Dies trägt ebenfalls zu einer erhöhten Güte des induktiven Bauelements bei.
- Aufgrund der effizienten Kühlung kann ein miniaturisiertes induktives Bauelement mit hohem Leistungsdurchsatz auch bei Hoch requenzanwendungen eingesetzt werden.
Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im Weiteren näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.
Figuren 1 bis 3 zeigen jeweils ein induktives Bauelement mit einer Kühlvorrichtung in einem seitlichen Querschnitt .
Figur 4 zeigt einen Ausschnitt eines induktiven Bauelements mit Kühlvorrichtung im seitlichen Querschnitt.
Figur 5 zeigt ein induktives Bauelement von der Seite.
Figuren 6a und 6b zeigen eine RM-Bauform des Kerns des induktiven Bauelements von oben und im Querschnitt entlang der Verbindungslinie I-I.
Das induktive Bauelement 1 ist ein HF-HV- (Hochfrequenz- Hochvolt) Transformator (Figur 5). Das Bauelement 1 weist eine Drahtwicklung 3 und einen Kern 4 auf. Die Drahtwicklung zeichnet sich durch eine Wicklungsachse 12 aus, entlang der der Draht der Drahtwicklung 3 gewickelt ist. Die Drahtwicklung 3 ist eine Hochfrequenzlitze 14 mit 30 Einzeldrähten. Der Drahtdurchmesser eines Einzeldrahtes beträgt etwa 30 μm. Der Kern 4 ist ein Ferritkern und besteht aus einem M33-Kernmaterial. Der Kern weist eine RM6-Kernform auf (Figuren 6a und 6b) . Der Kern ist eine Kombination einer E-Kernform und einer Topf-Kernform mit einer mittigen Bohrung 15. Der Kern 4 weist einen kernmittigen Spalt 7 auf, der um die mittige Bohrung 15 im Innenbereich 10 der Drahtwicklung 3 angeordnet ist. Zwei weitere Spalte 8 sind im Außenbereich 11 der Drahtwicklung 3 in jeweils einem der Kernschenkel 6 des
Kerns 4 angeordnet. Alle drei Spalte 7 und 8 sind Luftspalte. Die Spaltweiten der Spalte 7 und 8 sind mit jeweils etwa 3 mm im Wesentlichen gleich.
Der Kern ist im Wesentlichen symmetrisch. Er besteht aus zwei zur Spiegelebene 13 spiegelsymmetrisch angeordneten Teilen 5, die an den Spalten 7 und 8 einander gegenüberliegend angeordnet und durch die Spaltweiten 9 voneinander beabstandet sind. Die Spiegelebene 13 befindet sich in den drei Spalten 7 und 8. Durch die Anordnung ist aber nicht nur der Kern 4, sondern auch die Drahtwicklung 3 im Wesentlichen symmetrisch angeordnet. Es resultiert ein induktives Bauelement, das im Wesentlichen zur Spiegelebene 13 symmetrisch ist.
Zum Erzielen einer relativ hohen Güte des HF-HV- Transformators wird die Drahtwicklung 3 gekühlt. Dazu ist eine Kühlvorrichtung 20 zum Kühlen der Drahtwicklung 3 vorhanden. Die Kühlvorrichtung 20 weist eine Folie 21 mit einem thermisch leitenden Verbundwerkstoff auf. Das
Basismaterial des Verbundwerkstoffs ist ein thermisch und elektrisch schlecht leitender Polymerwerkstoff. In dem Polymerwerkstoff ist ein Füllstoff mit hoher thermischer und niedriger elektrischer Leitfähigkeit eingebettet. Die Folie 21 weist eine Foliendicke von etwa 0,22 mm auf. Der spezifische Wärmeleitfähigkeitskoeffizient λ beträgt etwa 4 K/Wm. Die elektrische Spannungsfestigkeit reicht bis etwa 6 kV.
Die Hochfrequenzlitze 14 der Drahtwicklung 3 und die Folie 21 sind um einen an die RM6-Kernform angepassten Wickelkörper 30 gewickelt. Dabei sind die Folie 21 und die Drahtwicklung 3 derart um den Wickelkörper 30 angeordnet, dass sich die Hochfrequenzlitze 14 der Drahtwicklung 3 und die Folien 21 ausgehend vom Wickelkörper 30 in radialer Richtung abwechseln (Figuren 1 und 2) . Die verwendete Folien 21 dient als Zwischenisolationsschicht der Hochfrequenzlitze 14 der Drahtwicklung 3. Es resultiert ein effizienter Wärmeleitpfad 24 von der Drahtwicklung 3 weg in der radialen . Richtung. Entlang des Wärmeleitpfads 24 wird Wärme, die im Betrieb des induktiven Bauelements in der Hochfrequenzlitze 14 entsteht, effizient abgeleitet.
Gemäß einer dazu alternativen Ausführungsform sind die Hochfrequenzlitze 14 der Drahtwicklung 3 und mehrere Folien 21 jeweils für sich radial zum Wickelkörper 30 ausgerichtet (Figur 3) . Es ist eine Vielkammerlösung realisiert, die auch als Scheibenwicklung bezeichnet wird. Auch hier ist für eine effiziente Ableitung der Wärme über den Wärmeleitpfad 24 gesorgt .
Zur weiteren Ableitung der Wärme ist das induktive Bauelement 1 bzw. die Kühlvorrichtung 20 des induktiven Bauelements 1 in eine Vergussmasse 22 mit einem weiteren thermisch leitfähigen Verbundwerkstoff eingebettet (Figuren 1 und 3) . Die Vergussmasse 22 ist mit einem Teil der Drahtwicklung 3 thermisch leitend direkt kontaktiert. Dies bedeutet, dass über eine thermische Kontaktfläche zwischen der Hochfrequenzlizte 14 der Drahtwicklung 3 und der Folie 21 bzw. den Folien 21 die Wärme über Wärmeleitung abgeleitet werden kann. Zum effizienten Ableiten der Wärme ist die Vergussmasse 22 mit der Wärmsenke 25 über Wärmeleitung thermisch leitend verbunden. Die Wärmesenke 25 ist eine Platine mit einem thermisch hochleitfähigen Material. Es resultiert im Betrieb des induktiven Bauelements eine relativ kleine Temperaturdifferenz zwischen der Drahtwicklung 3 und der Wärmesenke 25.
Alternativ zur Vergussmasse 22 erfolgt das weitere Ableiten der Wärme durch eine Ableitfinne 26 mit einem relativ hohen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten (Figur 2) . Über die Ableitfinne 26, die über eine Distanzkeramik 28 mit relativ hohem Wärmeleitkoeffizienten mit den Folien 21 verbunden ist, wird die Wärme von den Folien 21 bzw. der Drahtwicklung 3 in Richtung Wärmesenke 25 weitergeleitet.
Sowohl im Falle der Vergussmasse 22 als auch im Falle der Folie 21 können Zwischenräume 27 vorhanden sein, die die Effizienz verringern, mit der die Drahtwicklung 3 gekühlt wird (Figur 4). Diese Zwischenräume 27 werden gemäß einer weiteren Ausführungsform mit einer thermisch leitfähigen und elektrisch isolierenden beziehungsweise schlecht leitenden Paste gefüllt.

Claims

Patentansprüche
1. Induktives Bauelement (1) zur Bildung eines magnetischen Kreises, das mindestens eine Drahtwicklung (3) und mindestens eine Kühlvorrichtung (20) zum Kühlen der Drahtwicklung (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (20) mindestens einen Verbundwerkstoff mit mindestens einem Polymerwerkstoff und mindestens einem thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist.
2. Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Kühlvorrichtung (20) mindestens eine Folie (21) mit dem Verbundwerkstoff aufweist, die mit der Drahtwicklung in direktem, thermisch leitfähigen Kontakt steht.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kühlvorrichtung (20) mindestens eine Vergussmasse (22) aufweist, die mindestens einen weiteren Verbundwerkstoff mit mindestens einem weiteren Polymerwerkstoff und mindestens einem weiteren thermisch leitfähigen Füllstoff aufweist und die mit der Drahtwicklung (3) und/oder der Folie (21) in direktem, thermisch leitfähigen Kontakt steht.
4. Bauelement nach Anspruch 3, wobei ein zwischen der Folie (21) und der Drahtwicklung (3) und/oder der Vergussmasse (22) und der Drahtwicklung (3) vorhandener Zwischenraum (27) ein thermisch leitfähiges Material zur thermischen Überbrückung des Zwischenraums (27) aufweist.
5. Bauelement nach Anspruch 4, wobei das thermisch leitfähige Material aus der Gruppe Öl, Paste, Wachs und/oder Klebstoff ausgewählt ist.
6. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Folie (21) mit dem Verbundwerkstoff und/oder die Vergussmasse (22) mit dem weiteren Verbundwerkstoff mit einer Wärmesenke (25) durch eine Wärmeleitung thermisch leitend verbunden ist.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Kern mit einem ferromagnetischen -Kernmaterial vorhanden ist, das hochfrequenztauglich ist.
8. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Drahtwicklung (3) eine Hochfrequenzlitze (14) mit einer Vielzahl von voneinander elektrisch isolierten Einzeldrähten aufweist.
9. Bauelement nach Anspruch 8, wobei die Einzeldrähte zumindest einen aus dem Bereich von einschließlich 10 μm bis einschließlich 50 μm ausgewählten Einzeldrahtdurchmesser aufweisen .
10. Bauelement nach Anspruch 6 oder 9, wobei die Vielzahl aus dem Bereich von einschließlich 10 bis einschließlich 30 ausgewählt ist.
11. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Bauelement eine Drosselspule oder ein Transformator ist.
12. Verwendung eines Bauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem elektronischen Vorschaltgerät, bei dem eine elektrische Eingangsleistung in eine elektrische Ausgangsleistung umgewandelt wird.
13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei das Bauelement mit einer Wechselspannung mit einer Frequenz aus dem Bereich von einschließlich 100 kHz bis einschließlich 200 MHz betrieben wird.
14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Wechselspannung bis zu 2000 V verwendet wird.
15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, wobei ein Spannungspuls mit einer Wechselspannung von bis zu 40 kV verwendet wird.
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