EP2711942A1 - Kühlung eines elektrischen Bauteils - Google Patents

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EP2711942A1
EP2711942A1 EP12185341.0A EP12185341A EP2711942A1 EP 2711942 A1 EP2711942 A1 EP 2711942A1 EP 12185341 A EP12185341 A EP 12185341A EP 2711942 A1 EP2711942 A1 EP 2711942A1
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EP
European Patent Office
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electrical component
heat
winding
cooling
transformer
Prior art date
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Granted
Application number
EP12185341.0A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2711942B1 (de
Inventor
Peter Maisel
Matthias Hager
Martin Saliternig
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Publication of EP2711942A1 publication Critical patent/EP2711942A1/de
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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

Definitions

  • the invention relates to an electrical component. During operation, the electrical component heats up. For operation of the electrical component cooling may be provided.
  • the electrical component which heats up during operation, is in particular an inductive component.
  • inductive components are a coil, a transformer or a winding of an electrical machine.
  • Inductive components can heat up due to ohmic losses as well as magnetic losses. This heating can be reduced or limited by suitable cooling measures. A limitation is particularly necessary if materials of certain components of the electrical component work only up to certain temperatures and / or retain their technical properties.
  • a complete electrical component is encapsulated with the electrical component.
  • the thermally conductive potting compound allows a removal of the heat energy away from the heat source.
  • the casting takes place, for example, in a metallic cup or a metallic housing. Both forms a container for the potting compound.
  • the container may be mounted on a cooling plate for improved cooling.
  • the electrical component can be completely potted in a cavity of a target housing, wherein the molded cavity is available for cooling.
  • An object of the invention is to provide an alternative to the cooling of an electrical component, in which it is possible to dispense with a complete encapsulation of the electrical component.
  • the casting increases the manufacturing costs of the electrical component.
  • the potting may be a hindrance in a disassembly of the electrical component, which is particularly detrimental to a recycling of the electrical component.
  • An electrical component is in particular one which has an inductive element.
  • An inductive element is for example a coil or a winding.
  • the winding is, for example, a part of an electrical machine, in particular a motor or generator.
  • a transformer or a coil has at least one winding.
  • a coil is used as a choke coil.
  • the coil as well as the transformer can be designed as air winding, or as an electrical component having an iron core.
  • the iron core is in particular made of a laminated material and constitutes an element for guiding the magnetic flux.
  • the electrical component has, in addition to the inductive element and a heat conducting material.
  • the heat conduction material is in particular a material which is of a consistency such that it can be positioned. This means that no potting takes place.
  • a potting heat-conductive potting compound can contact parts of the electrical component thermally conductive.
  • the potting compound is initially liquid to cure thereafter. The potting compound is introduced into a cavity in a liquid state and cures there. The potting compound is not localized position, because it flows in the liquid state in cavities and is not localized before curing itself localized. The local limit is given by the cavity.
  • the inductive element has a winding or is designed as a winding.
  • the winding is, for example via the heat conducting material (this is locally self-limiting positionable) connected to a heat sink thermally conductive directly.
  • a winding has a multiplicity of heat conducting materials.
  • the winding may have a plurality of winding layers, wherein the heat conducting material is located between the winding layers.
  • the heat transport can be transported within a winding. This can be advantageously used, for example, in a winding head of an electrical machine.
  • the electrical component has an element for guiding a magnetic flux.
  • This element for guiding a magnetic flux for example, a stator core of an electrical machine, a rotor core of an electrical machine, the yoke of a transformer, an iron core of a coil, in particular a throttle.
  • the element for guiding the magnetic flux is for example directly in contact with the heat-conducting material.
  • the heat conducting material has a direct contact with a heat sink.
  • the heat sink may advantageously be designed as a housing of the electrical component.
  • this has a heat sink, wherein the heat conduction material between the heat sink and the inductive element. This improves the heat transfer between the inductive element and the heat sink.
  • this has a heat sink, wherein the heat conduction material between the heat sink and the element for guiding the magnetic flux. This improves the heat transfer between the magnetic flux guide element and the heat sink.
  • the latter has a heat sink, wherein the heat conduction material is between the heat sink and a cooling flap, wherein the cooling flap is in particular heat-conductively connected to a power semiconductor component.
  • Power semiconductors are, for example, IGBTs, MOSFETs, etc.
  • the heat conduction material is a thermal compound.
  • the thermal grease is well suited for positioning.
  • this can be designed so that at a first warming their Viscosity changed so that its creep increases.
  • the contacted surface can be increased.
  • the heat conducting material is a heat conducting foil.
  • the film is for example one-sided or double-sided self-adhesive.
  • the film may itself have or be coated with the heat-conducting material.
  • the heat conduction material is a heat conduction pad.
  • the heat-conducting pad can be self-adhesive on one or both sides.
  • the heat-conducting pad may itself have or be coated with the heat-conducting material.
  • this is a transformer.
  • the transformer has at least one winding.
  • the cooling may e.g. by pressing the magnetic core (ferrites) of the inductive component over e.g. Warmeleitpads done to a cooling plate.
  • a metal spring can be used which presses the component onto the cooling plate.
  • a connection of the electrical conductor (the winding) of the inductive component to a cooling plate for example, via a réelleleitpad, an insulating nipple, screws and / or metal dome.
  • a transformer has a magnetic core (in particular an iron core), then it can be coupled in a heat-conducting manner directly to the heat sink via the heat-conducting means.
  • the winding of the transformer has a thermally conductive direct coupling via the heat conducting means to the heat sink.
  • this is an electrical machine.
  • the electrical machine has windings. Windings are inductive elements.
  • the electric machine has a laminated core. windings and / or a laminated core are thermally conductively coupled via the heat conducting means with a heat sink.
  • the heat transfer medium can be easily placed between the heat sink and the laminated core. It is just as simple with a transformer in which the heat conduction between iron core and heat sink is positioned.
  • the heat-conducting centers are then pressed in between correspondingly, so that contact with a large surface can form. This method is simpler, faster and / or less expensive compared to a grout.
  • this is a coil.
  • the coil is used, for example, as a reactor.
  • the throttle has an iron core, wherein the coil similar to the transformer or the electric machine, the heat conduction between the heat sink and winding or iron core, as an element for guiding a magnetic flux having.
  • pillows of a specific thickness or with a specific property are used as heat-conducting means.
  • Such pillows are also referred to as a pad.
  • the thermal pad has, for example, a thickness of about 0.23 mm and a lambda value of about 1.8 W / mK. It is also possible to use thicker heat-conducting cushions, which can advantageously also have a damping effect against vibrations.
  • Such a pad may have a thickness of about 0.38 mm and a lambda value of about 1 W / mK. With the same lambda value, much thinner heat-conducting pads with a thickness of approx. 0.15 mm can also be used.
  • a critical process in production namely the (sometimes repeated) potting of a component can be omitted.
  • high costs for maintenance-intensive production equipment (potting systems) can be saved.
  • the omission of the potting process shortens the throughput times in production, which leads to renewed cost reduction.
  • the cooled area can be substantially increased, resulting in a marked reduction in thermal resistance (e.g., doubling the area and halving the thermal resistance).
  • the element for guiding the magnetic flux (in particular a ferrite core), cooling flanges, a winding and / or a winding body may be coupled in heat-conducting manner on opposite sides, so that a multi-sided cooling arrangement results.
  • cooling flanges can have more cooling surface due to the omission of fastening bores.
  • the size of the inductive elements can be reduced, resulting in a saving of magn.
  • Material leads the magnetic flux
  • conductor material can result.
  • a smaller inductive element also means that the devices equipped with it can also be made smaller. This is particularly advantageous in vehicle construction or in aircraft construction.
  • the electrical component is thus used for example in a car which has an electric drive.
  • all springs, screws or other materials that the attachment serve the inductive element omitted, since both a thermal and a mechanical connection is realized by a sandwich cooling, ie a pressing of the inductive element between two parts of a heat sink, serving as an intermediate layer of a heat conducting material.
  • Magnet cores for transformers, chokes, etc. are advantageously ground at least on the surfaces to which they are joined together. As a result, the tolerance in this spatial direction can be maintained or determined relatively accurately.
  • a narrow tolerance band of all surfaces is often only possible by means of subsequent processing (for example grinding), which, however, has a negative effect on the cost of the part.
  • the cooling with the heat conducting material acts on these principally relatively imprecisely manufactured surfaces, being compensated by the heat conducting material manufacturing tolerances.
  • the heat conduction material is therefore on a surface which is not abraded compared to other surfaces and / or has higher manufacturing tolerances than other surfaces of the respective component.
  • the representation according to FIG. 1 schematically shows a transformer 1.
  • the transformer 1 is an electrical component, in particular an inductive power device.
  • the transformer 1 comprises a magnetic core material (eg, a ferrite).
  • the magnetic core material constitutes an element for guiding a magnetic flux.
  • the transformer 1 has a winding 2.
  • the winding 2 is an inductive element, wherein the winding can be formed with and without winding body.
  • the transformer 1 also has power terminals 7.
  • a sectional view along a line II-II is in FIG. 2 shown. This sectional view is used for a more detailed explanation of the cooling principle as well as the fastening principle. These principles are shown by way of example only on a transformer, but are also transferable eg to an electric machine or a throttle.
  • the representation according to FIG. 2 shows the transformer 1.
  • the transformer 1 has a first housing part 9 and a second housing part 10. Between the two housing parts 9 and 10 are the active parts of the transformer 1.
  • the ferrite core 4 is positioned as an element for guiding the magnetic flux between the parts 9 and 10 of the housing.
  • Such a heat conducting material 3 is also located between the second housing part 10 and the ferrite core 4. This results in a kind of sandwich cooling, since the ferrite core is located between two housing parts and with these on the planteleitmaterialien 3 in thermally conductive contact.
  • the housing with the first housing part 9 and the second housing part 10 is a heat sink, the two heat sink parts 9 and 10th having.
  • the heat conduction material 3 is clamped in particular between the ferrite core 4 and the respective housing parts 9 and 10.
  • the heat-conducting material 3 is, for example, heat-conducting pads, which in particular are glued to at least one of the adjacent parts.
  • the sauceleitmaterial 3 is after FIG. 2 Also positioned between the inductive element 2, so the winding, and the first and second housing part 9 and 10 respectively. This also results in a kind of sandwich cooling.
  • the heat transfer can take place both via the ferrite core 4 and via the winding 2 and / or via a winding body.
  • the heat removal is a large area available, even if a bobbin is included.
  • the heat-conducting material 3 is, for example, a highly heat-conductive soft silicone, a highly thermally conductive thermosilicone, a thermally conductive silicone-free film, a silicone-free phase change film (phase change film) or the like.
  • inductive power components often also require mechanical fastening, they can be fastened with clips, screws, etc.
  • FIG. 1 It can be seen that no further fastenings are necessary here, because the transformer, almost as in a potting compound (see FIG. 2 ) is embedded.
  • both a fixation of the winding body or the winding, as well as the magnetic core (ferrite core) guaranteed.
  • the inductive element 2 with the element for guiding the magnetic flux 4 in a direction 11 is not fixed, that is loosely connected.
  • the inductive element 2 within the ferrite core 4 at least in such a way be movable, that a manufacturing tolerance of the housing parts 9 and 10 is compensated.
  • thermally conductive materials eg: banksleitpads
  • a further increase in heat dissipation can be achieved by additional layers of thermally conductive materials 3 between the winding layers 12.
  • a continuous heat conduction from the inner of the inductive element 4 (winding) is constructed to the heat sink.
  • FIG. 3 shows as already described a transformer 1, which has 2 layers of heat conducting material 3 in the winding.
  • a section IV through the transformer 1 gives the representation after FIG. 4 , Here, several layers of heat conducting material 3 and winding layers 12 are shown alternately.
  • the cooling can also be improved by a thermal coupling of the winding body 13 to the housing.
  • FIG. 5 shows a further section VI through the transformer 1. This section is in FIG. 6 shown. It is shown that there is also between the inductive element 2 (winding) and the element for guiding the magnetic flux 4 (ferrite core) 3 bathleitmaterial.
  • the heat-conducting material 4 is, for example, a pad which extends beyond the element 4, so that, for example, it can also contact a heat sink.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil (1), welches ein induktives Element (2) und ein Wärmeleitmaterial (3) aufweist, wobei das Wärmeleitmaterial (3) örtlich begrenzt positionierbar ist. Das induktive Element (2) ist insbesondere eine Wicklung. Ferner weist das elektrisches Bauteil (1) ein Element (4) zur Führung eines magnetischen Flusses auf, z.B. einen Ferritkern. Die Elemente des elektrischen Bauteils können über das Wärmeleitmaterial (3) gekühlt werden. Das Wärmeleitmaterial (3) ist insbesondere ein aufklebbares Wärmeleitkissen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauteil. Im Betrieb erwärmt sich das elektrische Bauteil. Zum Betrieb des elektrischen Bauteils kann eine Kühlung vorgesehen sein.
  • Das elektrische Bauteil, welches sich im Betrieb erwärmt, ist insbesondere ein induktives Bauteil. Beispiele für induktive Bauteile sind eine Spule, ein Transformator oder eine Wicklung einer elektrischen Maschine. Induktive Bauteile können sich durch ohmsche Verluste, wie auch durch magnetische Verluste erwärmen. Diese Erwärmung kann durch geeignete Kühlmaßnahmen reduziert bzw. limitiert werden. Eine Limitierung ist insbesondere dann notwendig, wenn Materialen bestimmter Bauteile des elektrischen Bauteils nur bis zu bestimmten Temperaturen funktionieren und/oder ihre technische Eigenschaften behalten.
  • Es ist möglich das elektrische Bauteil in seinem Temperaturverhalten positiv zu beeinflussen indem das Bauteil überdimensioniert wird. Das elektrische Bauteil ist dann z.B. für eine größere Leistung als nötig dimensioniert, um auf zusätzliche Kühlmaßnahmen verzichten zu können. Dies führt aber oft zu einem größeren und gegebenenfalls teureren elektrischen Bauteil. Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung des thermischen Verhaltens des elektrischen Bauteils ist es, dieses elektrische Bauteil zu vergießen. Vorteilhaft wird eine komplette elektrische Komponente mit dem elektrischen Bauteil vergossen. Die wärmeleitfähige Vergussmasse ermöglicht einen Abtransport der Wärmeenergie von der Wärmequelle weg. Der Verguss erfolgt beispielsweise in einen metallischen Becher oder einem metallischen Gehäuse. Beides bildet ein Behältnis für die Vergussmasse. Das Behältnis kann zur verbesserten Kühlung auf einer Kühlplatte montiert sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des Vergusses kann die elektrische Komponente in einer Kavität eines Zielgehäuses komplett vergossen sein, wobei die ausgeformte Kavität zur Kühlung zur Verfügung steht.
  • Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Alternative zur Kühlung eines elektrischen Bauteils anzugeben, bei welcher auf einen kompletten Verguss des elektrischen Bauteils verzichtet werden kann. Der Verguss erhöht die Fertigungskosten des elektrischen Bauteils. Weiterhin kann der Verguss bei einer Demontage des elektrischen Bauteils hinderlich sein, was insbesondere nachteilig für ein Recycling des elektrischen Bauteils ist.
  • Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich bei einem elektrischen Bauteil mit den Merkmalen nach Anspruch 1. Die Ansprüche 2 bis 9 zeigen weitere mögliche Merkmale des elektrischen Bauteiles.
  • Bei einem elektrischen Bauteil handelt es sich insbesondere um eines, welches ein induktives Element aufweist. Ein induktives Element ist beispielsweise eine Spule oder eine Wicklung. Die Wicklung ist beispielsweise ein Teil einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Motors oder Generators. Auch ein Transformator oder eine Spule weist zumindest eine Wicklung auf. Eine Spule wird beispielsweise als eine Drosselspule eingesetzt. Die Spule wie auch der Transformator können als Luftwicklung ausgeführt sein, oder als elektrisches Bauteil, welches einen Eisenkern aufweist. Der Eisenkern ist insbesondere geblecht ausgeführt und stellt ein Element zur Führung des magnetischen Flusses dar.
  • Das elektrische Bauteil weist neben dem induktiven Element auch ein Wärmeleitmaterial auf. Mittels des Wärmeleitmaterials ist es möglich Wärmeenergie vom elektrischen Bauteil weg zu leiten. Das Wärmeleitmaterial ist insbesondere ein Material, welches in seiner Konsistenz derart beschaffen ist, dass es positionierbar ist. Dies bedeutet, dass kein Verguss stattfindet. Mittels eines Vergusses kann wärmeleitende Vergussmasse Teile des elektrischen Bauteils wärmeleitend kontaktieren. Bei der Herstellung des elektrischen Bauteils ist die Vergussmasse zunächst flüssig um danach auszuhärten. Die Vergussmasse wird in einem flüssigen Zustand in eine Kavität eingebracht und härtet dort aus. Die Vergussmasse ist nicht örtlich begrenzt positionierbar, denn sie fließt im flüssigen Zustand in Kavitäten hinein und ist vor der Aushärtung selbst nicht örtlich begrenzt positionierbar. Die örtliche Begrenzung ist durch die Kavität vorgegeben.
  • Anders ist es bei einem Wärmeleitmaterial, welches selbst örtlich begrenzt positionierbar ist. Bei der Herstellung des elektrischen Bauteils ist es möglich das Wärmeleitmaterial an bestimmten örtlich begrenzten Orten aufzubringen bzw. anzubringen. Dabei bleibt es zumindest zeitweise an dem Ort auf dem es aufgebracht bzw. angebracht ist. Beispiele für ein Wärmeleitmaterial, welches örtlich begrenzt positionierbar ist sind eine Wärmeleitpaste, eine Wärmeleitfolie und/oder ein Wärmeleitkissen (Wärmeleitpad).
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils weist das induktive Element eine Wicklung auf bzw. ist als eine Wicklung ausgebildet. Die Wicklung ist beispielsweise über das Wärmeleitmaterial (dieses ist örtlich selbstbegrenzend positionierbar) mit einem Kühlkörper wärmeleitend direkt verbunden.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils weist eine Wicklung eine Vielzahl von Wärmeleitmaterialien auf. Dabei kann die Wicklung eine Vielzahl von Wicklungsschichten aufweisen, wobei sich zwischen den Wicklungsschichten das Wärmeleitmaterial befindet. Durch das Wärmeleitmaterial in einer Wicklung kann der Wärmetransport innerhalb einer Wicklung befördert werden. Dies ist beispielsweise bei einem Wickelkopf einer elektrischen Maschine vorteilhaft einsetzbar.
  • In einer Ausgestaltung es elektrischen Bauteils weist dieses ein Element zur Führung eines magnetischen Flusses auf. Dieses Element zur Führung eines magnetischen Flusses ist beispielsweise ein Ständerblechpaket einer elektrischen Maschine, ein Läuferblechpaket einer elektrischen Maschine das Joch eines Transformators, ein Eisenkern einer Spule, insbesondere einer Drossel. Das Element zur Führung des magnetischen Flusses ist beispielsweise direkt mit dem Wärmeleitmaterial in Kontakt. Weiterhin weist das Wärmeleitmaterial einen direkten Kontakt mit einem Kühlkörper auf. Der Kühlkörper kann vorteilhaft als ein Gehäuse des elektrischen Bauteils ausgeführt sein.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils weist dieses einen Kühlkörper auf, wobei das Wärmeleitmaterial zwischen dem Kühlkörper und dem induktiven Element ist. Dadurch verbessert sich der Wärmetransport zwischen induktivem Element und Kühlkörper.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils weist dieses einen Kühlkörper auf, wobei das Wärmeleitmaterial zwischen dem Kühlkörper und dem Element zur Führung des magnetischen Flusses ist. Dadurch verbessert sich der Wärmetransport zwischen dem Element zur Führung des magnetischen Flusses und dem Kühlkörper.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils weist dieses einen Kühlkörper auf, wobei das Wärmeleitmaterial zwischen dem Kühlkörper und einer Kühllasche ist, wobei die Kühllasche insbesondere mit einem Leistungshalbleiterbauelement wärmeleitend verbunden ist. Dadurch verbessert sich der Wärmetransport vom Leistungshalbleiter weg. Leistungshalbleiter sind beispielsweise IGBT's, MOSFET's, usw.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist das Wärmeleitmaterial eine Wärmeleitpaste. Die Wärmeleitpaste eignet sich gut für eine Positionierung. Vorteilhaft kann diese so ausgestaltet sein, dass sich bei einer ersten Erwärmung ihre Viskosität derart verändert, dass sich ihre Kriechfähigkeit erhöht. So kann die kontaktierte Oberfläche vergrößert werden.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist das Wärmeleitmaterial eine Wärmeleitfolie. Die Folie ist beispielsweise einseitig oder beidseitig selbstklebend. Die Folie kann selbst das Wärmeleitmaterial aufweisen oder mit diesem beschichtet sein.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist das Wärmeleitmaterial ein Wärmeleitkissen. Das Wärmeleitkissen kann einseitig oder beidseitig selbstklebend sein. Die Wärmeleitkissen kann selbst das Wärmeleitmaterial aufweisen oder mit diesem beschichtet sein.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist dieses ein Transformator. Der Transformator weist zumindest eine Wicklung auf. Die Kühlung kann z.B. durch ein Anpressen des magnetischen Kerns (Ferriten) der induktiven Komponente über z.B. Warmeleitpads an eine Kühlplatte erfolgen. Hierfür kann z.B. eine Metallfeder verwendet werden, welche die Komponente auf die Kühlplatte drückt. Eine Anbindung des elektrischen Leiters (der Wicklung) der induktiven Komponente an eine Kühlplatte erfolgt beispielsweise auch über ein Wärmeleitpad, einen Isoliernippel, Schrauben und/oder Metalldome.
  • Weist ein Transformator einen magnetischen Kern (insbesondere einen Eisenkern) auf, so lässt sich dieser über das Wärmeleitmittel direkt mit dem Kühlkörper wärmeleitend verkoppeln. Vorteilhaft weist auch die Wicklung des Transformators eine wärmeleitende direkte Kopplung über das Wärmeleitmittel mit dem Kühlkörper auf.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist dieses eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist Wicklungen auf. Wicklungen sind induktive Elemente. Weiterhin weist die elektrische Maschine ein Blechpaket auf. Wicklungen und/oder ein Blechpaket sind über das Wärmeleitmittel mit einem Kühlkörper wärmeleitend gekoppelt. So lässt sich in einem Fertigungsprozess das Wärmeleitmittel einfach zwischen Kühlkörper und Blechpaket legen. Ähnlich einfach ist es bei einem Transformator, bei dem das Wärmeleitmittel zwischen Eisenkern und Kühlkörper positioniert wird. Vorteilhaft wird das Wärmeleitmitten dann entsprechend dazwischen eingepresst, so dass sich ein Kontakt mit einer großen Oberfläche ausbilden kann. Diese Methode ist im Vergleich zu einem Verguss einfacher, schneller und/oder kostengünstiger.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils ist dieses eine Spule. Die Spule wird beispielsweise als eine Drossel verwendet. Die Drossel weist insbesondere einen Eisenkern auf, wobei die Spule ähnlich wie der Transformator bzw. die elektrische Maschine das Wärmeleitmittel zwischen Kühlkörper und Wicklung bzw. Eisenkern, als Element zur Führung eines magnetischen Flusses, aufweist.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils werden als Wärmeleitmittel Kissen (Wärmeleitkissen) einer bestimmten Dicke bzw. mit einer bestimmten Eigenschaft verwendet. Derartige Kissen werden auch als pad bezeichnet. Das Wärmeleitkissen hat beispielsweise ein Dicke von ca. 0,23mm und einen Lambda-Wert von ca. 1,8 W/m-K. Es können auch dickere Wärmeleitkissen verwendet werden, welche vorteilhaft auch dämpfend gegen Vibrationen wirken können. Ein derartiges Kissen kann eine Dicke von ca. 0,38mm und einen Lambda-Wert von ca. 1 W/m-K aufweisen. Bei gleichem Lambda-Wert sind auch viel dünnere Wärmeleitkissen mit einer Dicke von ca. 0,15mm einsetzbar. Es sind darüber hinaus weitere Varianten denkbar, bis hin zu auch elektrisch leitfähigen Wärmeleitmaterialen für die Anbindung des Magnetmaterial (Ferrit), welches den magnetischen Fluss führt, da hier keine elektrische Isolierung zwingend nötig ist. Mit Hilfe eines dicken Wärmeleitkissens ist es auch möglich Fertigungstoleranzen auszugleichen. Eine weitere Verbesserungsmöglichkeit der Kühlung eines elektrischen Bauteils ergibt sich durch eine Kombination der dargelegten Verwendung von Wärmeleitmaterial mit einer Verwendung hochwärmeleitfähiger Kunststoffe bei der Herstellung eines Wickelkörpers für eine Wicklung.
  • Gegenüber einer Fertigung des elektrischen Bauteils unter Verwendung einer Vergussmasse ergibt sich eine Kosteneinsparung und ein Umweltvorteil. Des Weiteren kann ein in der Produktion kritischer Prozess, nämlich das (teilweise mehrmalige) Vergießen einer Komponente entfallen. Hierdurch können hohe Kosten für wartungsintensive Fertigungsanlagen (Vergussanlagen) eingespart werden. Durch den Wegfall des Vergussprozesses verkürzen sich die Durchlaufzeiten in der Fertigung, was zu erneuter Kostenreduzierung führt. Im Vergleich zur Lösung mit einem Verguss kann die gekühlte Fläche wesentlich vergrößert werden, was zu einer merklichen Reduktion des Wärmewiderstandes führt (z.B. eine Verdoppelung der Fläche und eine Halbierung des Wärmewiderstandes). Das Element zur Führung des magnetischen Flusses (insbesondere ein Ferritkern), Kühlflansche, eine Wicklung und/oder ein Wickelkörper können an sich gegenüber liegenden Seiten wärmeleitend gekoppelt sein, so dass eine mehrseitige Kühlanordnung resultiert. Kühlflansche können zudem durch den Entfall von Befestigungsbohrungen mehr an Kühlfläche aufweisen.
  • Durch eine verbesserte Kühlung kann die Baugröße der induktiven Elemente verkleinert werden, wodurch sich auch eine Einsparung von magn. Material (führt den magnetischen Fluss) und Leitermaterial ergeben kann. Ein verkleinertes induktives Element bedeutet natürlich auch, dass die damit ausgestatteten Geräte auch kleiner gebaut werden können. Dies ist insbesondere im Fahrzeugbau oder im Flugzeugbau vorteilhaft. Das elektrische Bauteil wird folglich beispielsweise in einem Auto verwendet, welches einen Elektroantrieb aufweist.
  • In einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils können sämtliche Federn, Schrauben oder sonstige Materialen die der Befestigung des induktiven Elementes dienen entfallen, da durch eine Sandwichkühlung, also ein Einpressen des induktiven Elementes zwischen zwei Teile eines Kühlkörpers, wobei als Zwischenlage ein Wärmeleitmaterial dient, sowohl eine thermische als auch eine mechanische Anbindung realisiert wird.
  • Bei einer Herstellung von magnetischen Kernen, die als Element zur Führung eines magnetischen Flusses dienen, kann sich die Problematik ergeben, dass es schwierig ist die Abmessungen des fertigen Produkts in engen Toleranzbändern zu halten. Dies kann beispielsweise daran liegen, dass es während eines Ofenprozesses zu enormen Größenveränderungen kommt, die sich je nach Bauteilgröße schnell im Millimeterbereich auswirken können. Magnetkerne (Ferritkerne) für Transformatoren, Drosseln, etc. werden vorteilhaft zumindest an den Flächen, an welchen sie zusammengefügt werden geschliffen. Hierdurch kann die Toleranz in dieser Raumrichtung relativ genau eingehalten bzw. bestimmt werden. Ein enges Toleranzband aller Flächen ist oft nur durch eine nachträgliche Bearbeitung (z.B. Schleifen) möglich, was sich allerdings negativ auf die Kosten des Teils auswirkt. Vorteilhaft greift die Kühlung mit dem Wärmeleitmaterial an diesen prinzipbedingt relativ ungenau gefertigten Flächen an, wobei durch das Wärmeleitmaterial Fertigungstoleranzen kompensiert werden. Vorteilhaft befindet sich das Wärmeleitmaterial also auf einer Fläche die im Vergleich zu anderen Flächen nicht abgeschliffen ist und/oder höhere Fertigungstoleranzen als andere Flächen des jeweiligen Bauteiles aufweist.
  • Nachfolgend ist die Erfindung beispielhaft durch Figuren beschrieben. Dabei zeigt:
    • FIG 1
    eine erste schematische Darstellung eines Transformators;
    FIG 2
    einen ersten Schnitt durch den Transformator;
    FIG 3
    eine zweite schematische Darstellung eines Transformators;
    FIG 4
    einen zweiten Schnitt durch den Transformator;
    FIG 5
    eine dritte schematische Darstellung eines Transformators; und
    FIG 6
    einen dritten Schnitt durch den Transformator.
  • Die Darstellung gemäß FIG 1 zeigt schematisch einen Transformator 1. Der Transformator 1 ist ein elektrisches Bauteil, insbesondere ein induktives Leistungsbauelement. Der Transformator 1 weist ein magnetisches Kernmaterial (z.B. aus einem Ferrit) auf. Das magnetische Kernmaterial stellt ein Element zur Führung eines magnetischen Flusses dar. Ferner weist der Transformator 1 eine Wicklung 2 auf. Die Wicklung 2 ist ein induktives Element, wobei die Wicklung mit und ohne Wickelkörper ausbildbar ist. Der Transformator 1 weist auch Leistungsanschlüsse 7 auf. Zur Kühlung weist der Transformator 1, welcher auch ein symbolisch dargestelltes Gehäuse 8 aufweist, zwei Kühllaschen 6 auf, welche in das Gehäuse 8 integriert sind. Eine Schnittdarstellung entlang einer Linie II-II ist in FIG 2 dargestellt. Diese Schnittdarstellung dient einer vertieften Erläuterung des Kühlprinzips wie auch des Befestigungsprinzips. Diese Prinzipien werden nur beispielhaft an einem Transformator gezeigt, sind aber auch z.B. auf eine elektrische Maschine oder eine Drossel übertragbar.
  • Die Darstellung gemäß FIG 2 zeigt den Transformator 1. Der Transformator 1 weist ein erstes Gehäuseteil 9 und ein zweites Gehäuseteil 10 auf. Zwischen den beiden Gehäuseteilen 9 und 10 befinden sich die aktiven Teile des Transformators 1. Der Ferritkern 4 ist als Element zur Führung des magnetischen Flusses zwischen den Teilen 9 und 10 des Gehäuses positioniert. Zwischen dem Ferritkern 4 und dem ersten Gehäuseteil 9 befindet sich eine Zwischenlage von wärmeleitfähigem Material 3. Ein derartiges Wärmeleitmaterial 3 befindet sich auch zwischen dem zweiten Gehäuseteil 10 und dem Ferritkern 4. Hieraus ergibt sich eine Art Sandwichkühlung, da der Ferritkern zwischen zwei Gehäuseteilen liegt und mit diesen über die Wärmeleitmaterialien 3 in wärmeleitendem Kontakt ist. Das Gehäuse mit dem ersten Gehäuseteil 9 und dem zweiten Gehäuseteil 10 ist ein Kühlkörper, der zwei Kühlkörperteile 9 und 10 aufweist. Das Wärmeleitmaterial 3 ist insbesondere zwischen den Ferritkern 4 und die jeweiligen Gehäuseteile 9 und 10 geklemmt. Bei dem Wärmeleitmaterial 3 handelt es sich beispielsweise um Wärmeleitpads, die insbesondere auf zumindest einen der angrenzenden Teile geklebt sind. Das Wärmeleitmaterial 3 ist nach FIG 2 auch zwischen dem induktiven Element 2, also der Wicklung, und dem ersten bzw. zweiten Gehäuseteil 9 bzw. 10 positioniert. Auch hieraus ergibt sich eine Art Sandwichkühlung. Der Wärmetransport kann so sowohl über den Ferritkern 4 erfolgen als auch über die Wicklung 2 und/oder über einen Wickelkörper. Somit steht dem Wärmeabtransport eine große Fläche zur Verfügung, wenn auch ein Wickelkörper mit einbezogen wird. Optional kann durch zusätzliche Kühlflansche oder Kühllaschen 6, die in der Wicklung 2 eingearbeitet sind und/oder über flächig ausgeführte Leistungsanschlüsse 7 ein Wärmefluss stattfinden.
  • Das Wärmeleitmaterial 3 ist beispielsweise ein hochwärmeleitendes Softsilikon, ein hochwärmeleitendes Thermosilikon, eine wärmeleitende silikonfreie Folie, eine silikonfreie Phasen-Wechsel-Folie (Phase-change-Folie) oder dergleichen.
  • Da induktive Leistungsbauteile oft auch eine mechanische Befestigung benötigen, können sie mit Klammern, Schrauben etc. befestigt werden. An dem beispielhaft gezeigten Transformator 1 nach FIG 1 ist zu sehen, dass hier keine weiteren Befestigungen nötig sind, da der Transformator, fast wie in einer Vergussmasse (siehe FIG 2) eingebettet liegt. Außerdem ist gegenüber dem üblichen Klammern oder Schrauben, sowohl eine Fixierung des Wickelkörpers bzw. der Wicklung, als auch des Magnetkernes (Ferritkernes) gewährleistet.
  • Bei einer Ausgestaltung des elektrischen Bauteils 1 nach FIG 2 ist es vorteilhaft, wenn das induktive Element 2 mit dem Element zur Führung des magnetischen Flusses 4 in einer Richtung 11 nicht fest, also lose verbunden ist. So kann das induktive Element 2 innerhalb des Ferritkerns 4 zumindest derart beweglich sein, dass eine Fertigungstoleranz der Gehäuseteile 9 und 10 ausgleichbar ist.
  • Um eine der beschriebenen Arten der Kühlung noch weiter zu verbessern, können wie in den Schnittbildern nach FIG 3 und 5 zu sehen ist, wärmeleitfähige Materialien (z.B: Wärmeleitpads) zwischen der Wicklung 2 und dem Ferritkern 4 positioniert sein. Eine weitere Steigerung der Wärmeabfuhr kann durch zusätzliche Lagen an wärmeleitfähigen Materialien 3 zwischen den Wickellagen 12 erfolgen. Hierdurch ist ein durchgängiges Wärmeleitsystem vom inneren des induktiven Elementes 4 (Wicklung) bis zum Kühlkörper aufgebaut.
  • Die Darstellung gemäß FIG 3 zeigt wie bereits beschrieben einen Transformator 1, welcher in der Wicklung 2 Lagen von Wärmeleitmaterial 3 aufweist. Ein Schnitt IV durch den Transformator 1 ergibt die Darstellung nach FIG 4. Hier sind abwechselnd mehrere Lagen Wärmeleitmaterial 3 und Wickellagen 12 dargestellt. Mittels der Lagen von Wärmeleitmaterial in der Wicklung 4 ist eine verbesserte Kühlung möglich. Die Kühlung kann auch durch eine thermische Ankopplung des Wickelkörpers 13 an das Gehäuse verbessert werden.
  • Die Darstellung gemäß FIG 5 zeigt einen weiteren Schnitt VI durch den Transformator 1. Dieser Schnitt ist in FIG 6 dargestellt. Dargestellt ist, dass sich auch zwischen dem induktiven Element 2 (Wicklung) und dem Element zur Führung des magnetischen Flusses 4 (Ferritkern) Wärmeleitmaterial 3 befindet. Das Wärmeleitmaterial 4 ist beispielsweise ein Pad, welches sich über das Element 4 hinaus erstreckt, damit es z.B. auch noch einen Kühlkörper kontaktieren kann.

Claims (9)

  1. Elektrisches Bauteil (1), welches ein induktives Element (2) und ein Wärmeleitmaterial (3) aufweist, wobei das Wärmeleitmaterial (3) örtlich begrenzt positionierbar ist.
  2. Elektrisches Bauteil (1) nach Anspruch 1, wobei das induktive Element (2) eine Wicklung ist.
  3. Elektrisches Bauteil (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Wicklung eine Vielzahl von Wärmeleitmaterialien (3) aufweist.
  4. Elektrisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das elektrische Bauteil (1) ein Element (4) zur Führung eines magnetischen Flusses aufweist.
  5. Elektrisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das elektrische Bauteil (1) einen Kühlkörper (5) aufweist, wobei das Wärmeleitmaterial (3):
    zwischen dem Kühlkörper (5) und dem induktiven Element (2) ist und/oder;
    zwischen dem Kühlkörper (5) und dem Element (4) zur Führung des magnetischen Flusses ist und/oder;
    zwischen dem Kühlkörper (5) und einer Kühllasche (6) ist.
  6. Elektrisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Wärmeleitmaterial (3) eine Wärmeleitpaste, eine Wärmeleitfolie und/oder ein Wärmeleitkissen ist.
  7. Elektrisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das elektrische Bauteil (1) ein Transformator ist.
  8. Elektrisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das elektrische Bauteil (1) eine elektrische Maschine ist.
  9. Elektrisches Bauteil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das elektrische Bauteil eine Spule ist.
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