EP3147915A1 - Kühlung einer elektrischen drossel - Google Patents

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EP3147915A1
EP3147915A1 EP15187133.2A EP15187133A EP3147915A1 EP 3147915 A1 EP3147915 A1 EP 3147915A1 EP 15187133 A EP15187133 A EP 15187133A EP 3147915 A1 EP3147915 A1 EP 3147915A1
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EP
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cooling
throttle
winding material
cooling plate
winding
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EP15187133.2A
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English (en)
French (fr)
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Ingolf Hoffmann
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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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
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2876—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
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid 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
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof

Definitions

  • the invention relates to an electrical throttle with a choke core, a winding material and at least one cooling plate, wherein the winding material is arranged at least around a part of the choke core in the form of a winding.
  • An electrical throttle heats up during operation, in particular when it is operated with high currents of, for example, more than 100A.
  • the throttle is provided with a cooling.
  • a cooling Particularly effective here is a liquid cooling.
  • liquid-cooled chokes several electrically insulated cooling plates must be interconnected hydraulically by means of cooling lines made of plastic.
  • At least one or two cooling plates are used per winding coil. This is usually arranged between the choke core and the winding. Often, a further cooling plate is provided for the core, so that a total of up to eight cooling plates are used for a throttle.
  • the connections are made as plastic pipes.
  • For the connections of the connecting lines (fittings) materials are often used, which have a limited life due to the induced eddy currents in reactors, existing electromagnetic fields.
  • the existing solutions provide a coolant guide in the aluminum support plate, or stainless steel tubes connected to the aluminum support plate.
  • the invention is based on the object to improve the cooling of an electrical throttle.
  • an electric throttle having a throttle core, a winding material and at least one cooling plate, wherein the winding material is arranged at least about a part of the throttle core in the form of a winding, wherein the cooling plate and the winding material are arranged to each other such that the winding material in axial direction is thermally connected to the cooling plate.
  • the invention is based on the finding that the cooling of a reactor with a core, in particular with an iron core, can be improved by cooling the winding by a cooling plate, which thermally contacts the winding on its front side, ie in the axial direction. So far, it is customary to arrange heat sinks along the core between the core and winding. In this case, the heat that has to be dissipated through the heat sink must be transported through the individual windings. Since the individual layers of the windings are insulated from each other at least electrically and thus also thermally, the heat transfer from the outer part of the winding to the heat sink is poor.
  • the heat at any point of the winding through the winding material can be transported very effectively.
  • a material layer can be advantageously inserted, which is thermally conductive and electrically insulating.
  • electrical insulation of the cooling plate for example, electrical insulating politiciansleitfolien be used.
  • both the thermal resistance and the pressure drop of the cooling plate can be adjusted with these.
  • the cooling can be easily adapted to the loss line or the climatic boundary conditions.
  • the electrical throttle on two cooling plates wherein the winding material is thermally connected in the axial direction on both sides of the winding material with one of the two cooling plates.
  • the cooling capacity can be approximately doubled, since the double area, so both end faces of a winding is used for cooling.
  • the cooling plate can be made correspondingly small.
  • the at least one cooling plate on the material CuNi10Fe can take place directly through the carrier plates. Alternatively, however, pipes can be molded. If the heat sink or these tubes are made of the material CuNi10Fe, then the system is suitable for the coolant fresh water. This is easily procurable and reduces the cost of maintenance of the cooling (refilling).
  • the cooling plate is designed such that mechanically connect the throttle core and the winding material.
  • the winding can also be mechanically fixed.
  • On an additional bracket to fix the winding can be dispensed with.
  • the cooling plate or the cooling plates are able to absorb the outgoing of the winding material forces.
  • the electrical throttle is designed as a three-phase throttle, wherein the individual phases of the electrical throttle each have a portion of the throttle core, the Winkelgut and at least one cooling plate, wherein the cooling plate are connected by means of connecting parts such that a Coolant can circulate between the cooling plates of the individual phases, wherein the cooling plates of the electrical throttle are rigidly interconnected by means of the connecting parts.
  • the individual carrier plates can be formed so that three similar phases of an electrical throttle can be connected to each other through the connecting parts, possibly using smaller deflection parts, to the entire three-phase system. Both for the deflecting parts and the connecting part inexpensive plastic parts can be used. By the execution of the connecting part in plastic becomes relevant for eddy currents connection prevented between the cooling plates.
  • the pitch circles in the cooling plates for the leg core of the winding material and the passage for the electrical conductor form a barrier to eddy currents within a cooling plate.
  • FIG. 1 shows the structure of an electric throttle 1.
  • the winding material 3 is arranged around a part of the reactor core 2. This part of the throttle core 2, is not visible, since this is hidden in the representation by the winding material 3. Only another part of the throttle core 2, which runs horizontally in the illustration, can be seen.
  • the cooling plates 4 are attached to the two end faces of the windings. The end face is the side which is in the radial direction with respect to the axis about which the winding material is wound. Thus, there were two end faces for the winding 4. In the illustrated embodiment, both end faces are thermally connected to a respective cooling plate 4. Between winding material 3 and cooling plate 4 while a heat-conducting foil 11 is arranged in each case. This ensures a good thermal transition between the winding material 3 and heat sink and an electrical insulation between these components.
  • the further part of the throttle core 2 which runs horizontally in the illustration, thermally connected to the cooling plate. This can also be done by means of the heat-conducting foil 11. This thermal connection allows not only the cooling of the winding material 3 and the cooling Due to the generally good thermal conductivity of the reactor core 2, which is made of iron, for example, even if only parts of the reactor core are in thermal contact with the cooling plate, the entire reactor core 2 can be cooled sufficiently well.
  • the cooling plates 4 are connected to each other by means of a coolant hose 10, which allows a circulation of the cooling liquid between the cooling plates.
  • a coolant hose 10 which allows a circulation of the cooling liquid between the cooling plates.
  • the connection for circulating the coolant may also be realized by means of a connection part.
  • FIG. 2 shows the section through a three-phase electric throttle 1.
  • the cooling plates 4 which are interconnected by means of connecting parts 5.
  • the mechanical connections between the cooling plate 4 and connecting part 5 are shown by the solid arrows.
  • the connecting parts 5 also serve to connect the cooling channels of the individual cooling plates 4 with each other, so that the cooling liquid can flow in the direction of the dashed arrows.
  • the circular openings serve to receive the throttle core.
  • the further opening between the circular opening and the edge serves the simple electrical connectivity of the electrical connections of the winding material.
  • FIG. 3 branches an embodiment of the connecting part 5. This must be such as to mechanically connect the individual phases of the electrical throttle with each other.
  • the connecting part 5 has cooling channels in order to be able to supply the individual cooling plates with cooling liquid. Thus, it is ensured that the cooling liquid between the heat sinks, for example as indicated by the dashed arrows in FIG. 2 represented, can circulate.
  • the invention relates to an electric throttle with a choke core, a winding material and at least one cooling plate, wherein the winding material is arranged at least around a part of the choke core in the form of a winding.
  • the cooling plate and the winding material are arranged relative to one another such that the winding material is thermally connected in the axial direction with the cooling plate.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Drossel (1) mit einem Drosselkern (2), einem Wickelgut (3) und mindestens einer Kühlplatte (4), wobei das Wickelgut (3) zumindest um einen Teil des Drosselkerns (2) in Form einer Wicklung angeordnet ist. Zur Verbesserung der Kühleigenschaften der elektrischen Drossel (1) wird vorgeschlagen, dass die Kühlplatte (4) und das Wickelgut (3) derart zueinander angeordnet sind, dass das Wickelgut (3) in axialer Richtung thermisch mit der Kühlplatte (4) verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine elektrische Drossel mit einem Drosselkern, einem Wickelgut und mindestens einer Kühlplatte, wobei das Wickelgut zumindest um einen Teil des Drosselkerns in Form einer Wicklung angeordnet ist.
  • Eine elektrische Drossel erwärmt sich im Betrieb insbesondere dann, wenn diese mit hohen Strömen von beispielsweise mehr als 100A betrieben wird. Um die Komponenten der Drossel vor Beschädigung durch hohe Temperaturen zu schützen, wird die Drossel mit einer Kühlung versehen. Besonders wirkungsvoll ist hierbei eine Flüssigkeitskühlung. In flüssigkeitsgekühlten Drosseln müssen dazu mehrere elektrisch isolierte Kühlplatten untereinander hydraulisch mittels Kühlleitungen aus Kunststoff verschaltet werden.
  • Es wird je Wicklungsspule mindestens eine oder zwei Kühlplatten eingesetzt. Diese wird üblicherweise zwischen Drosselkern und der Wicklung angeordnet. Oftmals wird für den Kern eine weitere Kühlplatte vorgesehen, so dass insgesamt bis zu acht Kühlplatten für eine Drossel eingesetzt werden. Die Verbindungen werden als Kunststoffleitungen ausgeführt. Für die Anschlüsse der Verbindungsleitungen (Fittinge) werden häufig Materialien benutzt, die aufgrund der in Drosselspulen, existierenden elektromagnetischen Felder, induzierten Wirbelströme eine begrenzte Lebensdauer haben. Die vorhandenen Lösungen sehen eine Kühlmittelführung in der Aluminium Trägerplatte, oder durch Edelstahlrohre, die mit der Aluminium Trägerplatte verbunden sind, vor.
  • Zum Erreichen einer hinreichenden Kühlleitung müssen mehrere Kühlplatten die die Verlustwärme partiell aufnehmen eingesetzt werden. Nachteilig dabei ist, dass das System aufwendig und fehleranfällig ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Kühlung einer elektrischen Drossel zu verbessern.
  • Die Aufgabe wird durch eine elektrische Drossel aufweisend einen Drosselkern, ein Wickelgut und mindestens eine Kühlplatte gelöst, wobei das Wickelgut zumindest um einen Teil des Drosselkerns in Form einer Wicklung angeordnet ist, wobei die Kühlplatte und das Wickelgut derart zueinander angeordnet sind, dass das Wickelgut in axialer Richtung thermisch mit der Kühlplatte verbunden ist.
  • Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Kühlung einer Drossel mit einem Kern, insbesondere mit einem Eisenkern dadurch verbessern lasst, dass die Wicklung durch eine Kühlplatte entwärmt wird, welche die Wicklung an ihrer Stirnseite, also in axialer Richtung, thermisch kontaktiert. Bisher ist es üblich, Kühlkörper entlang des Kerns zwischen Kern und Wicklung anzuordnen. Dabei muss die Wärme, die durch den Kühlkörper abzuführen ist, durch die einzelnen Wicklungen hindurch transportiert werden. Da die einzelnen Schichten der Wicklungen zumindest elektrisch und damit auch thermisch voneinander isoliert sind, ist der Wärmeübergang vom äußeren Teil der Wicklung bis zum Kühlkörper schlecht. Mit der Kontaktierung der Kühlplatte in axialer Richtung kann die Wärme an jeder Stelle der Wicklung durch das Wicklungsmaterial, beispielsweise Kupfer, besonders effektiv transportiert werden. Zwischen dem Wickelgut und dem Kühlkörper kann in vorteilhafterweise noch eine Materialschicht eingefügt werden, die thermisch leitend und elektrisch isolierend ist. Zur elektrischen Isolation der Kühlplatte werden beispielsweise elektrische isolierende Wärmeleitfolien eingesetzt. Mit diesen ist man in der Lage, die Kühlplatte so anzuordnen, dass die Verlustwärme sowohl aus der Drosselspule als auch aus dem Kern des Wickelgutes abgeführt werden kann. In diesem Fall ist neben der Kühlung des Wickelgutes auch eine Kühlung des Kerns auf einfache Weise möglich.
  • Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn es sich bei den Kühlkörpern um Flüssigkeitskühlkörper handelt, die von der Flüssigkeit durchflossen werden. Diese Flüssigkeit nimmt die Wärme auf und transportiert sie von der elektrischen Drossel weg.
  • Durch Einbringen von Turbulenzgeneratoren in den Flüssigkeitskreislauf kann darüber hinaus sowohl der Wärmewiderstand als auch der Druckabfall der Kühlplatte mit diesen eingestellt werden. Somit kann die Kühlung auf einfache Weise an die Verlustleitung oder die klimatischen Randbedingungen angepasst werden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die elektrische Drossel zwei Kühlplatten auf, wobei das Wickelgut in axialer Richtung auf beiden Seiten des Wickelguts thermisch mit jeweils einer der zwei Kühlplatten verbunden ist. Damit kann die Kühlleistung in etwa verdoppelt werden, da die doppelte Fläche, also beide Stirnseiten der einen Wicklung für die Kühlung genutzt wird. Damit kann die Kühlplatte entsprechend klein ausgeführt sein. Darüber hinaus ist es möglich, auf einfache Weise die Kühlung zu erhöhen und damit die Leistungsfähigkeit der elektrischen Drossel zu vergrößern.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die mindestens eine Kühlplatte das Material CuNi10Fe auf. Die Kühlmittelführung kann direkt durch die Trägerplatten stattfinden. Es können alternativ aber auch Rohre eingeformt werden. Ist der Kühlkörper oder sind diese Rohre aus dem Material CuNi10Fe, so ist das System für das Kühlmittel Frischwasser geeignet. Dieses ist einfach beschaffbar und senkt die Kosten bei Wartung der Kühlung (Neubefüllung).
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlplatte derart ausgebildet, den Drosselkern und das Wickelgut mechanisch miteinander zu verbinden. Durch die Anbringung der Kühlplatte an den Stirnfläche oder den beiden Stirnflächen, kann die Wicklung auch mechanisch fixiert werden. Auf eine zusätzliche Halterung, um die Wicklung zu fixieren kann verzichtet werden. Die Kühlplatte bzw. die Kühlplatten sind in der Lage, die von dem Wickelgut ausgehenden Kräfte aufzunehmen.
  • Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Drossel als dreiphasige Drossel ausgebildet, wobei die einzelnen Phasen der elektrischen Drossel jeweils einen Teil des Drosselkerns, das Winkelgut und die mindestens eine Kühlplatte aufweisen, wobei die Kühlplatte mittels Verbindungsteilen derart miteinander verbunden sind, dass ein Kühlmittel zwischen den Kühlplatten der einzelnen Phasen zirkulieren kann, wobei mittels der Verbindungsteile die Kühlplatten der elektrischen Drossel starr miteinander verbunden sind. Mit Hilfe der Kühlplatten und den entsprechenden Verbindungsteilen zwischen den Kühlplatten ist es möglich, sowohl die Zirkulation der Kühlflüssigkeit zu ermöglichen als auch die einzelnen Phasen miteinander derart zu verbinden, dass sich eine bauliche Einheit ergibt. Es wird dazu ein System aufgebaut, bei dem drei gleiche Kühlplatten mittels eines Verbindungsteiles hydraulisch verbunden sind. Die Verbindungen sind Bestandteil des Systems. Externe zum Fixieren der einzelnen drei Phasen aneinander sind nicht erforderlich.
  • Die einzelnen Trägerplatten können so ausgeformt werden, dass drei gleichartige Phasen einer elektrischen Drossel miteinander durch die Verbindungsteile, ggf. unter Verwendung kleinerer Umlenkteile, zu dem gesamten dreiphasigen System verbunden werden können. Sowohl für die Umlenkteile als auch dem Verbindungsteil können kostengünstige Kunststoffteile eingesetzt werden. Durch die Ausführung des Verbindungsteiles in Kunststoff wird eine für Wirbelströme relevante Verbindung zwischen den Kühlplatten verhindert. Die Teilkreise in den Kühlplatten für den Schenkelkern des Wickelgutes und der Durchführung für den elektrischen Leiter bilden eine Barriere für Wirbelströme innerhalb einer Kühlplatte.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1
    den Aufbau einer elektrischen Drossel,
    FIG 2
    den Aufbau einer dreiphasigen elektrischen Drossel und
    FIG 3
    den Aufbau eines Verbindungsteils.
  • FIG 1 zeigt den Aufbau einer elektrischen Drossel 1. Das Wickelgut 3 ist dabei um einen Teil des Drosselkerns 2 angeordnet. Dieser Teil des Drosselkerns 2, ist nicht sichtbar, da dieser in der Darstellung durch das Wickelgut 3 verdeckt ist. Lediglich ein weiterer Teil des Drosselkerns 2, der in der Darstellung waagrecht verläuft, ist zu erkennen. Die Kühlplatten 4 sind dabei an den beiden Stirnseiten der Wicklungen angebracht. Die Stirnseite ist diejenige Seite, die in Bezug auf die Achse, um die das Wickelgut gewickelt ist, sich in radialer Richtung befindet. Somit existierten für das Wickelgut 4 zwei Stirnseiten. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden beide Stirnseiten mit jeweils einer Kühlplatte 4 thermisch verbunden. Zwischen Wickelgut 3 und Kühlplatte 4 ist dabei jeweils eine Wärmeleitfolie 11 angeordnet. Diese sorgt für einen guten thermischen Übergang zwischen Wickelgut 3 und Kühlkörper sowie einer elektrischen Isolierung zwischen diesen Komponenten.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist der weitere Teil des Drosselkerns 2, der in der Darstellung waagrecht verläuft, thermisch mit der Kühlplatte verbunden. Auch dies kann mittels der Wärmeleitfolie 11 erfolgen. Diese thermische Verbindung erlaubt neben der Kühlung des Wickelgutes 3 auch die Kühlung des Drosselkerns 2. Aufgrund der im Allgemeinen guten thermischen Leitfähigkeit des Drosselkerns 2, der beispielsweise aus Eisen gefertigt ist, kann auch, wenn nur Teile des Drosselkerns mit der Kühlplatte in thermischen Kontakt stehen, der gesamte Drosselkern 2 hinreichend gut gekühlt werden.
  • In diesem Ausführungsbeispiel sind die Kühlplatten 4 mittels eines Kühlmittelschlauchs 10 miteinander verbunden, der ein Zirkulieren der Kühlflüssigkeit zwischen den Kühlplatten ermöglicht. Alternativ kann die Verbindung zum Zirkulieren des Kühlmittels auch mittels eines Verbindungsteils realisiert werden.
  • FIG 2 zeigt den Schnitt durch eine dreiphasige elektrische Drossel 1. Zu erkennen sind die Kühlplatten 4, die mittels Verbindungsteilen 5 miteinander verbunden sind. Dabei sind durch die durchgezogenen Pfeile die mechanischen Verbindungen zwischen Kühlplatte 4 und Verbindungsteil 5 dargestellt. Neben der mechanischen Verbindung dienen die Verbindungsteile 5 auch dazu, die Kühlkanäle der einzelnen Kühlplatten 4 miteinander zu verbinden, so dass die Kühlflüssigkeit in Richtung der gestrichelten Pfeile fließen kann.
  • Die kreisrunden Öffnungen dienen zur Aufnahme des Drosselkerns. Die weitere Öffnung zwischen der kreisrunden Öffnung und dem Rand dient der einfachen elektrischen Verbindbarkeit der elektrischen Anschlüsse des Wickelgutes.
  • FIG 3 zweigt ein Ausführungsbeispiel des Verbindungsteils 5. Dieses muss derart beschaffen sein, die einzelnen Phasen der elektrischen Drossel mechanisch miteinander zu verbinden. Gleichzeitig weist das Verbindungsteil 5 Kühlkanäle auf, um die einzelnen Kühlplatten mit Kühlflüssigkeit versorgen zu können. Somit ist sichergestellt, dass die Kühlflüssigkeit zwischen den Kühlkörpern, beispielsweise wie mittels der gestrichelten Pfeile in FIG 2 dargestellt, zirkulieren kann.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine elektrische Drossel mit einem Drosselkern, einem Wickelgut und mindestens einer Kühlplatte, wobei das Wickelgut zumindest um einen Teil des Drosselkerns in Form einer Wicklung angeordnet ist. Zur Verbesserung der Kühleigenschaften der elektrischen Drossel wird vorgeschlagen, dass die Kühlplatte und das Wickelgut derart zueinander angeordnet sind, dass das Wickelgut in axialer Richtung thermisch mit der Kühlplatte verbunden ist.

Claims (5)

  1. Elektrische Drossel (1) aufweisend
    - einen Drosselkern (2),
    - ein Wickelgut (3) und
    - mindestens eine Kühlplatte (4),
    wobei das Wickelgut (3) zumindest um einen Teil des Drosselkerns (2) in Form einer Wicklung angeordnet ist, wobei die Kühlplatte (4) und das Wickelgut (3) derart zueinander angeordnet sind, dass das Wickelgut (3) in axialer Richtung thermisch mit der Kühlplatte (4) verbunden ist.
  2. Elektrische Drossel (1) nach Anspruch 1, wobei die elektrische Drossel (1) zwei Kühlplatten (4) aufweist, wobei das Wickelgut (3) in axialer Richtung auf beiden Seiten des Wickelguts (3) thermisch mit jeweils einer der zwei Kühlplatten (4) verbunden ist.
  3. Elektrische Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mindestens eine Kühlplatte (4) das Material CuNi10Fe aufweist.
  4. Elektrische Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Kühlplatte (4) derart ausgebildet ist, den Drosselkern (2) und das Wickelgut (3) mechanisch miteinander zu verbinden.
  5. Elektrische Drossel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die elektrische Drossel (1) als dreiphasige Drossel ausgebildet ist, wobei die einzelnen Phasen der elektrischen Drossel (1) jeweils einen Teil des Drosselkerns (2), das Winkelgut (3) und die mindestens eine Kühlplatte (4) aufweisen, wobei die Kühlplatte (4) mittels Verbindungsteilen (5) derart miteinander verbunden sind, dass ein Kühlmittel zwischen den Kühlplatten (4) der einzelnen Phasen zirkulieren kann, wobei mittels der Verbindungsteile (5) die Kühlplatten (4) der elektrischen Drossel (1) starr miteinander verbunden sind.
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