EP2294591A1 - Wassergekühlte drossel - Google Patents

Wassergekühlte drossel

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EP2294591A1
EP2294591A1 EP09753402A EP09753402A EP2294591A1 EP 2294591 A1 EP2294591 A1 EP 2294591A1 EP 09753402 A EP09753402 A EP 09753402A EP 09753402 A EP09753402 A EP 09753402A EP 2294591 A1 EP2294591 A1 EP 2294591A1
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EP
European Patent Office
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component according
disc
coils
flat
cooler
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EP09753402A
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EP2294591B1 (de
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Alexander Stoev
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Woodward Switzerland GmbH
Original Assignee
IDS HOLDING AG
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Publication date
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Publication of EP2294591B1 publication Critical patent/EP2294591B1/de
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    • 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
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H01F27/16—Water cooling
    • 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
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2871—Pancake coils
    • 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
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2876—Cooling

Definitions

  • the invention relates to an electromagnetic component (throttle, transformer) according to claim 1, uses thereof according to claims 16 and 17 and a method according to claim 18.
  • throttles In rectifier-fed plants, throttles often have to be used for smoothing and filtering purposes which produce high losses, are difficult to cool and have comparatively high weights and volumes. This is particularly unpleasant when such components are to be installed in cabinets.
  • inductive power components In the lower industrial power range up to about 1MW plant power, inductive power components often become natural, for reasons of economy, i. cooled with ambient air, usually with forced air circulation. In this case, air is e.g. pressed by special recessed in the winding air channels. These measures increase the throttle weight and volume, and unfavorably also the copper demand. A good specific cooling effect can also be achieved only by increasing the winding temperature, which is very disturbing for the installation environment.
  • Inductive components for medium frequency operation eg transformers for inductive heating systems, which work in the kHz range, generate high losses, which are dissipate practically only by means of water cooling.
  • a cooling liquid Since this cooling liquid has the electrical potential of the surrounding conductor, it must be insulating, for example, when using water, the water must be deionized. Construction and cooling are costly in direct conductor cooling and therefore in conventional industrial plants hardly used.
  • a medium and high frequency transformer which has split or undivided disc windings, wherein alternating primary and secondary disc coils are stacked.
  • the disc windings are only partially cooled directly with water, oil or a gaseous coolant, while the heat loss in the remaining parts is dissipated by heat conduction to the directly cooled parts.
  • the secondary winding has a cooling channel in which the coolant flows.
  • a disadvantage of this arrangement is that the coolant is in direct contact with the Cu winding, which is undesirable and should be avoided.
  • the object of the invention is to propose a design or technology for magnetic components and their cooling, with the following results:
  • Another object of the invention is to provide a method for producing the component.
  • Fig. 1 principle of a simple, single-phase choke
  • FIG. 1A side view of Fig. 1st
  • FIG. 1 B top view of FIG. 1
  • Fig. 2 water-cooled three-phase running filter choke for a power converter plant
  • FIG. 2A side view of FIG. 2.
  • FIG. 2B is a plan view of FIG. 2.
  • FIG. 4 winding package with 8 disk coils FIG. 4A side view of FIG. 4
  • FIG. 5 shows a side view of a component according to the invention with water-cooled iron core.
  • the invention relates to a design, or a technology for electromagnetic components (chokes, transformers), which consist of one or more disc-shaped coils with directly adjacent, electrically insulated, plate-shaped cooling elements, which are flowed through by a cooling medium.
  • electromagnetic components chokes, transformers
  • Fig. 1 shows the principle of a simple, single-phase choke.
  • a throttle 10 consists of a core sheet package 1 with two legs 2, 2 'and 2 yokes 3, 3'.
  • the thighs wear e.g. each 2 coils 4, 4 ', which are formed as single-layer disc coils, directly in between is a specially designed, double-acting flat cooler 5.
  • the Einlagnier the disc coil causes each turn of the winding is directly connected to a cooling surface.
  • a double-sided cooler can thus always cool 2 disc coils per leg, which has proven to be particularly advantageous.
  • FIGS. 1A and 1B show the side view and the plan view of FIG. 1.
  • the yokes 3, 3 ', the coils 4, 4', the flat cooler 5 and the leg 2 in FIG. 1B can be seen.
  • the flat cooler 5 must be made insulating.
  • a cooler in VoII plastic technology can be used, wherein the cooling medium or the cooling liquid is completely surrounded by plastic and the adjacent windings are electrically isolated.
  • a metal cooler which is provided with an insulating layer.
  • the flat cooler 5 may be formed as a multilayer metal construction with internal cooling structure and external plastic insulation, said plastic layer completely enclosing the radiator.
  • metals aluminum and steel as well as their alloys are particularly well suited. It has surprisingly been found that the use of stainless, Non-magnetic steel is particularly advantageous, since thereby the harmful and undesirable eddy current losses are reduced compared to aluminum by a factor greater than 4.
  • a thermally conductive plastic film of low hardness and yielding properties of a few tenths mm thickness is used.
  • the heat contact surfaces must be contacted plane-parallel and with sufficient pressure.
  • the electrical conductor and cooler insulations involved must have the highest possible thermal conductivity with simultaneous dielectric strength. These requirements can only be met by careful selection of modern materials, such as by ceramic-filled polymers or plastics in general.
  • the construction of flat coolers and disk coils generally has air gaps, in which there are specially designed air-gap inserts.
  • the coil can also be glued to the radiator surface elastic and heat-conducting.
  • the number of flat cooler units in a component must be kept as low as possible for reasons of expense.
  • this is achieved in that a horizontally continuous flat cooler cools the coils of both legs.
  • a cooler cools a total of 4 coils, in a 3-phase arrangement with 3 legs even coils. This saves external connections and thus additional connection material for the cooling medium, since these connections are located inside the flat cooler.
  • Fig. 2 shows a water-cooled filter throttle for a power converter plant.
  • a 3-phase running, water-cooled filter choke for a converter plant in the power range 2 MW an embodiment of the inventive throttle with a total of 24 coil sections is described, which are arranged on 8 levels.
  • the choke has an iron core with 3 wound legs 2, 2 ', 2 "Each leg has in this example 8 single-pancake coils 4, 4' (disks) .In each case 2 coil disks of each leg which sit on the same installation plane is a flat cooler 5.
  • Fig. 3 shows the geometry of the flat cooler.
  • the shape is S-shaped and thus has 3 recesses A, thus ensuring that the cooler does not work as a short-circuit winding due to the transformer coupling.
  • the series connections between the respective above and below the flat cooler 5 coil discs can run.
  • the flat coolers consist of several welded together aluminum or steel plates, which together have a thickness of less than 8 mm.
  • the middle, water-carrying plates in this layer structure are structured to increase the heat transfer surface by means of knobs.
  • the radiator plates are continuous, ie over the entire surface covered with an insulating layer of a few tenths of a mm.
  • the insulating material used has a high insulation strength with sufficient thermal conductivity and mechanical pressure resistance.
  • To equalize the contact pressure of the coils on the cooling surfaces latter with a special, relative soft, heat-conducting plastic film occupied, which also has a thickness of a few tenths of mm.
  • 3A and 3B show the side view and the plan view to Fig. 3. Visible are the inlet and outlet nozzles 9, 9 'of the cooling medium of the flat cooler 5 and the recesses A.
  • the mentioned 8 coils of a leg can be wound as single coils and then have to be switched individually - in the example in series -. With the choke executed these disturbing series connections were avoided by a special winding technique. In this case, stacked coils are partially wound in the opposite direction in the stack, whereby every second series connection is shifted into the coil interior. This makes it possible to place the series connections exactly in the above-mentioned recesses of the flat cooler.
  • a flat cooler 5 may carry a plurality of coils 4, 4 'of a winding arrangement, e.g. 2 coils each phase of a multi-phase arrangement, the flat cooler is designed by the shape and the choice of material so that it has the lowest possible eddy current losses.
  • suitable as a flat cooler insulation is a plastic with filling, for which a thermally conductive, insulating metal oxide such.
  • a thermally conductive, insulating metal oxide such as Aluminum oxide or a carbide between 20 - 50% is added to the plastic.
  • a thermally conductive plastic film with thicknesses of 0.1 - 0.4 mm can be used or a bond with a thermally conductive adhesive.
  • Fig. 4 shows the winding package 11 with 8 disc coils. 4A and 4B, the corresponding side view and top view.
  • the single disc coil 4 is shown with its outwardly leading terminal 12.
  • the inner terminal 13 leads to the next adjacent disc coil.
  • the disk coils 4, 4 1 of a phase or a build-up stack are wound so that external connections lying in the region of the flat cooler are avoided and that the internal series connections 13 fit into the recesses of the associated radiator plate provided for this purpose.
  • the executed throttle shows as a result of the cooling measures taken both a weight reduction, as well as a volume reduction by about a factor of 2.5 compared to a forced air-cooled throttle equal construction capacity and conventional design with tubular layer winding.
  • cooling arrangement according to the invention to other electromagnetic components, such as ironless chokes and transformers in general, and in particular to medium frequency transformers.
  • FIG. 5 shows the side view of a component according to the invention with water-cooled iron core.
  • two metal plates 14, 14 'preferably aluminum plates are attached, each end-welded tubes 16, preferably aluminum tubes has.
  • the cooling medium is now also passed, whereby the iron core is additionally cooled efficiently.
  • the cooling medium is first passed through the disc coils and then through the tubes 16.
  • a method for producing the component is characterized in that the flat cooler 5 is glued to the disk coil 4 in a thermally conductive manner. As a result, the flat cooler and the disc coil form a modular unit.
  • Uses find such components in water-cooled power converter systems and medium-frequency systems, in particular for inductive heating.

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Abstract

Eine flüssigkeitsgekühlte elektromagnetische Komponente (Drossel, Transformator) besteht aus mehreren scheibenförmigen Spulen (4, 4') mit einer oder mehreren Windungen und dazwischen liegenden Flachkühlern (5), wobei mindestens 2 Scheibenspulen (4, 4') einem Flachkühler (5) zugeordnet sind und bei der alle Wicklungselemente (Windungen der Spule) direkten thermischen Kontakt zu den Oberflächen der Flachkühler (5) aufweisen. Verwendungen findet diese Komponente in Stromrichteranlagen und in Mittelfrequenzanlagen.

Description

Wassergekühlte Drossel
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Komponente (Drossel, Transformator) gemäss Patentanspruch 1 , Verwendungen derselben gemäss den Patentansprüchen 16 und 17 sowie ein Verfahren gemäss Patentanspruch 18.
In stromrichtergespeisten Anlagen müssen für Glättungs- und Filterzwecke oft in erheblichem Umfang Drosseln eingesetzt werden, die hohe Verluste produzieren, schwierig zu kühlen sind und vergleichsweise hohe Gewichte und Volumina aufweisen. Dies ist besonders unangenehm, wenn solche Bauteile in Schränke eingebaut werden sollen.
Im unteren industriellen Leistungsbereich bis etwa 1MW Anlagenleistung werden induktive Leistungskomponenten aus Aufwandgründen oft natürlich, d.h. mit Umgebungsluft gekühlt, darüber meist mit forcierter Luftumwälzung. Dabei wird Luft z.B. durch besondere in derWicklung ausgesparte Luftkanäle gedrückt. Durch diese Massnahmen steigt das Drosselgewicht und Volumen an, sowie ungünstigerweise auch der Kupferbedarf. Eine gute spezifische Kühlwirkung kann ausserdem nur durch Erhöhen der Wicklungstemperatur erreicht werden, was für die Einbauumgebung sehr störend ist.
Induktive Bauteile für Mittelfrequenzbetrieb, z.B. Transformatoren für induktive Erwärmungsanlagen, die im kHz-Bereich arbeiten, erzeugen hohe Verluste, die praktisch nur mittels Wasserkühlung abzuführen sind. Hier ist Stand der Technik, die Wicklung aus Rohren oder speziellen Hohlleitern zu bilden, wobei diese Rohre von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Da diese Kühlflüssigkeit das elektrische Potential des umgebenden Leiters aufweist, muss sie isolierend sein, z.B. bei Verwendung von Wasser muss das Wasser entionisiert werden. Aufbau und Kühlung sind bei direkter Leiterkühlung aufwendig und werden bei konventionellen Industrieanlagen deshalb kaum eingesetzt.
Nach dem Patentdokument DE 1057219 ist ein Mittel- und Hochfrequenztransformator bekannt, der geteilte oder ungeteilte Scheibenwicklungen aufweist, wobei abwechselnd primäre und sekundäre Scheibenspulen übereinandergeschichtet vorliegen. Die Scheibenwicklungen sind nur teilweise direkt mit Wasser, Öl oder einem gasförmigen Kühlmittel gekühlt, während die Verlustwärme in den übrigen Teilen durch Wärmeleitung an die direkt gekühlten Teile abgeführt wird. Die Sekundärwicklung weist einen Kühlkanal auf, in dem das Kühlmittel fliesst. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass das Kühlmittel in direktem Kontakt zur Cu-Wicklung ist, was unerwünscht ist und vermieden werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bauform bzw. eine Technologie für magnetische Komponenten und deren Kühlung vorzuschlagen, mit der Folgendes erreicht wird:
- Erhebliche Reduktion von Gewicht und Volumen um mindestens einen Faktor zwei;
- insbesondere eine Reduktion des spezifischen Kupferanteiles für die Wicklung;
- freie Wahl des Kühlmittels insbesondere die Möglichkeit einer Brauchwasserkühlung;
- Betrieb der Wicklungen bei Oberflächentemperaturen bis 100 0C, wodurch sich die Komponente für einen Schrankeinbau eignet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung der Komponente anzugeben.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Prinzip einer einfachen, einphasigen Drossel
Fig. 1A Seitenansicht zu Fig. 1
Fig. 1 B Draufsicht zu Fig. 1
Fig. 2 wassergekühlte dreiphasig ausgeführte Filter-Drossel für eine Stromrichteranlage
Fig. 2A Seitenansicht zu Fig. 2
Fig. 2B Draufsicht zu Fig. 2
Fig. 3 Geometrie des Flachkühlers
Fig. 3A Seitenansicht zu Fig. 3 Fig. 3B Draufsicht zu Fig. 3 Fig. 4 Windungpaket mit 8 Scheibenspulen Fig. 4A Seitenansicht zu Fig. 4 Fig. 4B Draufsicht zu Fig. 4
Fig.5 Seitenansicht einer erfindungsgemässen Komponente mit wassergekühltem Eisenkern.
Die Erfindung betrifft eine Bauform, bzw. eine Technologie für elektromagnetische Bauteile (Drosseln, Transformatoren), die aus einer oder mehreren scheibenförmigen Spulen bestehen mit unmittelbar anliegenden, elektrisch isolierten, plattenförmigen Kühlelementen, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.
Fig. 1 zeigt das Prinzip einer einfachen, einphasigen Drossel. Eine solche Drossel 10 besteht aus einem Kernblech-Paket 1 mit zwei Schenkeln 2, 2' und 2 Jochen 3, 3'. Die Schenkel tragen z.B. je 2 Spulen 4, 4', die als einlagige Scheibenspulen ausgebildet sind, dazwischen direkt anliegend liegt ein speziell ausgebildeter, beidseitig wirkender Flachkühler 5. Die Einlagigkeit der Scheibenspule bewirkt, dass jede einzelne Windung der Wicklung direkt mit einer Kühlfläche in Verbindung steht. Ein doppelseitiger Kühler kann pro Schenkel somit stets 2 Scheibenspulen kühlen, was sich besonders vorteilhaft erwiesen hat.
Fig. 1A und 1 B zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht zu Fig. 1. Erkennbar sind die Joche 3, 3', die Spulen 4, 4', der Flachkühler 5, sowie der Schenkel 2 in Fig. 1 B.
Der Flachkühler 5 muss isolierend ausgeführt sein. Dafür kann ein Kühler in VoII- Kunststofftechnik verwendet werden, wobei das Kühlmedium bzw. die Kühlflüssigkeit vollkommen von Kunststoff umgeben ist und die anliegenden Windungen elektrisch isoliert werden. Möglich ist auch die Verwendung eines Metallkühlers, der mit einer Isolierschicht versehen ist. Der Flachkühler 5 kann als mehrschichtige Metall- Konstruktion mit innenliegender Kühlstruktur und aussenliegender Kunststoffisolation ausgebildet sein, wobei diese Kunststoffschicht den Kühler vollständig umschliesst. Als Metalle eignen sich Aluminium und Stahl sowie deren Legierungen besonders gut. Es hat sich überraschernder Weise gezeigt, dass die Verwendung von rostfreiem, nichtmagnetischem Stahl besonders vorteilhaft ist, da dadurch die schädlichen und unerwünschten Wirbelstromverluste im Vergleich zu Aluminium um einen Faktor grösser als 4 herabgesetzt werden.
Zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Spulenscheibe (Scheibenspule) und angrenzender Oberfläche des Flachkühlers wird eine thermisch leitende Kunststofffolie geringer Härte und nachgiebigen bzw. nachgebenden Eigenschaften von einigen Zehntel mm Dicke eingesetzt. Damit der Wärmetransport maximiert werden kann, müssen die Wärmekontaktflächen planparallel und mit genügend Druck kontaktiert werden. Die beteiligten elektrischen Leiter- und Kühlerisolationen müssen eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Spannungsfestigkeit aufweisen. Diese Anforderungen können nurdurch sorgfältige Auswahl moderner Werkstoffe erfüllt werden, wie z.B. durch keramikgefüllte Polymere bzw. Kunststoffe allgemein. Der Aufbau von Flachkühlem und Scheibenspulen weist in der Regel Luftspälte auf, in denen sich speziell ausgebildete Luftspalteinlagen befinden.
Die Spule kann auch mit der Kühleroberfläche elastisch und wärmeleitend verklebt werden.
Zur Verbesserung des Wärmetransportes von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlfläche ist der Kühler inwendig zur Vergrösserung der Innenfläche strukturiert.
Die Anzahl der Flachkühler-Einheiten in einem Bauteil muss aus Aufwandsgründen möglichst niedrig gehalten werden. Im Beispiel gemäss Fig. 1 wird das dadurch erreicht, dass ein waagerecht durchgehender Flachkühler die Spulen beider Schenkel kühlt. Somit kühlt ein Kühler insgesamt 4 Spulen, in einer 3-phasigen Anordnung mit 3 Schenkeln sogarß Spulen. Damit werden externe Verbindungen und damit zusätzliches Anschlussmaterial für das Kühlmedium eingespart, da sich diese Verbindungen innerhalb des Flachkühlers befinden.
Ausführungsbeispiel:
Fig. 2 zeigt eine wassergekühlte Filter-Drossel für eine Stromrichteranlage. Anhand einer 3-phasig ausgeführten, wassergekühlten Filter-Drossel für eine Stromrichteranlage im Leistungsbereich 2 MW wird eine Ausführung der erfindungsgemässen Drossel mit insgesamt 24 Teilspulen beschrieben, die auf 8 Ebenen angeordnet sind. Die Drossel besitzt einen Eisenkern mit 3 bewickelten Schenkeln 2, 2', 2". Jeder Schenkel besitzt in diesem Beispiel 8 einlagige Flachspulen 4, 4' (Scheiben). Zwischen jeweils 2 Spulenscheiben jedes Schenkels, die auf gleicher Einbauebene sitzen, ist ein Flachkühler 5 vorgesehen. Dieser Flachkühler ist somit 3-teiIig und kühlt insgesamt 8 Spulen. Gesamthaft werden in dieser Anordnung 4 Flachkühler benötigt, wobei erfin- dungsgemäss jede einzelne Windung der gesamten Wicklung der Drossel mit einer Kühlerfläche in direktem Kontakt steht und so optimal gekühlt werden kann. Der gesamte Stapelaufbau wird über eine Pressvorrichtung 6 zusammengehalten, die den Anpressdruck zwischen Spulenscheiben und den Oberflächen der Flachkühler aufrecht erhält.
In diesem Beispiel sind alle Spulenscheiben, die zu einem Schenkel gehören, elektrisch in Serie geschaltet und werden somit vom gleichen elektrischen Strom durchflössen. Alternativ sind die Spulenscheiben parallel geschaltet. Die Kühlflüssigkeit wird dagegen zur Verbesserung der Kühlwirkung und zur Kleinhaltung des Druckabfalles über einen Wasserverteiler parallel in alle 4 Flachkühler ein- und ausgeleitet. Fig.2A und 2B zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht zu Fig. 2. Erkennbar sind die Einlauf- bzw. Auslaufstutzen 7, T des Kühlmediums sowie die elektrischen Anschlüssen 8, 8' für das erste Windungspaket der drei Phasen.
Fig. 3 zeigt die Geometrie des Flachkühlers. Die Form ist S-förmig und besitzt damit 3 Aussparungen A, womit sichergestellt wird, dass der Kühler infolge der transformatorischen Kopplung nicht als Kurzschlusswindung arbeitet. In diesen Aussparungen können zudem die Serieverbindungen zwischen der jeweils über und der unter dem Flachkühler 5 liegenden Spulenscheiben verlaufen.
Die Flachkühler bestehen aus mehreren zusammengeschweissten Aluminium- oder Stahlplatten, die zusammen eine Dicke von weniger als 8 mm haben. Die mittleren, wasserführenden Platten in diesem Lagenaufbau sind zurVergrösserung der Wärmeübergangsfläche mittels Noppen strukturiert.
Aus isolationstechnischen Gründen sind die Kühlerplatten durchgehend, d.h. gesamtflächig mit einer Isolierschicht von einigen Zehntel mm überzogen. Das verwendete Isoliermaterial hat eine hohe Isolationsfestigkeit bei ausreichender Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Druckfestigkeit. Zur Vergleichmässigung des Auflagedruckes der Spulen auf die Kühlflächen sind letztere mit einer speziellen, relativ weichen, wärmeleitenden Kunststofffolie belegt, die ebenfalls eine Dicke von einigen Zehntel mm aufweist.
Fig. 3A und 3B zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht zu Fig. 3. Erkennbar sind die Einlauf- bzw. Auslaufstutzen 9, 9' des Kühlmediums des Flachkühlers 5 sowie die Aussparungen A.
Die erwähnten 8 Spulen eines Schenkels können als Einzelspulen gewickelt werden und müssten dann alle einzeln - im Beispiel in Serie - geschaltet werden. Bei der ausgeführten Drossel wurden diese störenden Serieverbindungen durch eine spezielle Wickeltechnik vermieden. Dabei werden im Stapel übereinander liegende Spulen teilweise im Gegensinn gewickelt, wodurch jede zweite Serieverbindung ins Spuleninnere verlagert wird. Dadurch wird es möglich, die Serieverbindungen genau in die oben erwähnten Aussparungen des Flachkühlers zu legen.
Ein Flachkühler 5 kann mehrere Spulen 4, 4' einer Wicklungsanordnung tragen, z.B. jeweils 2 Spulen jeder Phase einer mehrphasigen Anordnung, wobei der Flachkühler durch die Formgebung und die Materialwahl so gestaltet ist, dass er möglichst geringe Wirbelstromverluste aufweist.
Vorteilhafterweise eignet sich als Flachkühlerisolation ein Kunststoff mit Füllung, wofür ein wärmeleitendes, isolierendes Metalloxid wie z.B. Aluminiumoxid oder ein Karbid zwischen 20 - 50% dem Kunststoff beigefügt wird.
Zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Spulenscheibe (Scheibenspule) und angrenzender Oberfläche des Flachkühlers kann eine thermisch leitende Kunststofffolie mit Dicken von 0,1 - 0,4 mm eingesetzt werden oder eine Verklebung mit einem wärmeleitenden Kleber.
Fig. 4 zeigt das Windungpaket 11 mit 8 Scheibenspulen. Fig. 4A und 4B die entsprechenden Seitenansicht bzw. Draufsicht. In Fig. 4A ist die einzelne Scheibenspule 4 mit ihrem nach aussen führenden Anschluss 12 dargestellt. Der innen liegende Anschluss 13 führt zur nächsten benachbarten Scheibenspule. Die Scheibenspulen 4, 41 einer Phase bzw. eines Aufbaustapels werden so gewickelt, dass aussenliegende, im Bereich des Flachkühlers liegende Verbindungen vermieden werden und dass die innenliegenden Serieverbindungen 13 in die hierfür vorgesehenen Aussparungen der zugeordneten Kühlerplatte passen. Die ausgeführte Drossel zeigt infolge der getroffenen Kühlmassnahmen sowohl eine Gewichtsreduktion, als auch eine Volumenreduktion um etwa Faktor 2,5 gegenüber einer forciert luftgekühlten Drossel gleicher Bauleistung und konventioneller Bauart mit röhrenförmiger Lagenwicklung.
Es ist grundsätzlich möglich, die erfindungsgemässe Kühlanordnung auch bei anderen elektromagnetischen Komponenten anzuwenden, wie etwa bei eisenlosen Drosseln und Transformatoren im Allgemeinen und im Besonderen bei Mittelfrequenztransformatoren.
Fig. 5 zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemässen Komponente mit wassergekühltem Eisenkern. Erkennbar sind wiederum das aus einem Eisenkern bestehende Joch 3, die Scheibenspulen 4, 4' und der Flachkühler 5. Auf beiden Seiten des Joches 3 sind zwei Metallplatten 14, 14' vorzugsweise Aluminiumplatten angebracht, die jede endseitig aufgeschweisste Rohre 16, vorzugsweise Aluminiumrohre aufweist. Durch die Rohre 16 wird nun ebenfalls das Kühlmedium geleitet, wodurch der Eisenkern zusätzlich effizient gekühlt wird. Sinnvollerweise, aber nicht zwingend, handelt es sich um das gleiche Kühlmedium wie für die Scheibenspulen. Vorteilhafterweise, aber nicht zwingend wird das Kühlmedium zuerst durch die Scheibenspulen geführt und danach noch durch die Rohre 16. Durch eine derartige Kombination der Kühlung des Kupfers und des Eisens mit einem einzigen Kühlmedium ergibt sich ein überaus effizienter Kühlkreislauf bzw. eine überaus effiziente Kühlung der Komponente.
Ein Verfahren zur Herstellung der Komponente zeichnet sich dadurch aus, dass der Flachkühler 5 mit der Scheibenspule 4 wärmeleitend verklebt wird. Dadurch bilden der Flachkühler und die Scheibenspule eine modulare Einheit.
Verwendungen finden derartige Komponenten in wassergekühlten Stromrichteranlagen und in Mittelfrequenzanlagen, insbesondere zur induktiven Erwärmung.

Claims

Patentansprüche: P471-09.IDS/07.05.09
1. Flüssigkeitsgekühlte elektromagnetische Komponente (Drossel, Transformator) bestehend aus mehreren scheibenförmigen Spulen mit einer oder mehreren Windungen und dazwischen liegenden Flachkühlern, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 2 Scheibenspulen (4, 4') einem Flachkühler (5) zugeordnet sind, wobei jede Scheibenspule aus Wicklungselementen (Windungen der Spule) aufweist, von denen sich jede über eine wärmeleitende Isolierschicht in direktem thermischen Kontakt zu den Oberflächen der Flachkühler befindet und dass zur Kühlung ein Kühlmedium vorgesehen ist, das durch die Isolierschicht vom Kühlmedium potentialgetrennt ist.
2. Komponente nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Flachkühler (5) eine Kunststoff-Anordnung gewählt wird derart, dass die flüssigkeitsführende Schicht vom Kunststoff vollständig umgeben vorliegt.
3. Komponente nach Anspruch 1 oder2, dadurch gekennzeichnet, dass als Flachkühler (5) eine mehrschichtige Metall-Konstruktion mit innenliegender Kühlstruktur und aussenliegender Kunststoffisolation verwendet wird, wobei diese Kunststoffschicht den Kühler vollständig umschliesst.
4. Komponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall- Konstruktion aus Aluminium, aus rostfreiem Stahl oder aus deren Legierungen besteht.
5. Komponente nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall- Konstruktion aus rostfreiem, nichtmagnetischem Stahl besteht.
6. Komponente nach einem der Ansprüche 2 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Metall-Konstruktion aus rostfreiem, nichtmagnetischem Stahl die Wirbelstromverluste im Vergleich zu Aluminium mehr als um einen Faktor 4 kleiner sind.
7. Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff eine Füllung enthält, die den thermischen Leitwert verbessert.
8. Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Spulenscheibe (Scheibenspule) und angrenzender Oberfläche des Flachkühlers eine thermisch leitende Kunststofffolie geringer Härte und nachgiebigen bzw. nachgebenden Eigenschaften von einigen Zehntel mm Dicke eingesetzt wird.
9. Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenspulen (4, 4') einer Wicklungsanordnung durch eine mechanische Pressanordnung (6) zu engem Kontakt mit den Oberflächen des Flachkühlers (5) gezwungen werden.
10. Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenspulen (4, 4') direkt mit der Kühleroberfläche wärmeleitend verklebt vorliegen.
11. Komponente nach einem der Anspruch 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenspulen (4, 4') einer Phase bzw. eines Aufbaustapels so gewickelt werden, dass aussenliegende, im Bereich des Flachkühlers liegende Verbindungen vermieden werden und die innenliegenden Serieverbindungen (13) in die hierfür vorgesehenen Aussparungen der zugeordneten Kühlerplatte passen.
12. Komponente nach einem der Anspruch 1 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Flachkühler (5) mehrere Spulen (4, 41) einer Wicklungsanordnung trägt, vorzugsweise jeweils 2 Spulen jeder Phase einer mehrphasigen Anordnung, wobei der Flachkühler durch die Formgebung und die Materialwahl so gestaltet ist, dass er möglichst geringe Wirbelstromverluste aufweist.
13. Komponente nach einem der Anspruch 1 - 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch (3) mit Metallplatten (14, 14'), vorzugsweise Aluminiumplatten umgeben ist, die endseitig aufgeschweisste Metallrohre (16), vorzugsweise Aluminiumrohre aufweist, und dass durch die Metallrohre das gleiche oder ein verschiedenes Kühlmedium geleitet wird, wodurch sich eine effiziente Kühlung von Kupfer und Eisen ergibt.
14. Komponente nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium zuerst den Flachkühler (5) passiert und erst danach die Metallrohre (16).
15. Komponente nach einem der Anspruch 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl eine Gewichtsreduktion, als auch eine Volumenreduktion der Komponente um einen Faktor 2, vorzugsweise um einen Faktor 3 gegenüber einer forciert luftgekühlten Drossel in vergleichbarer Bauart und Anwendung erzielbar ist.
16. Verwendung der Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 15 in wassergekühlten Stromrichteranlagen.
17. Verwendung der Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 15 in Mittelfrequenzanlagen insbesondere zur induktiven Erwärmung.
18. Verfahren zur Herstellung der Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkühler (5) mit der Scheibenspule (4) wärmeleitend verklebt wird und dass dadurch eine modulare Einheit gebildet wird.
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