« Dispositif de refroidissement du composant de puissance » Domaine technique L'objet de la présente invention est un dispositif servant au refroidissement des composants de puissance dans un appareil électronique de puissance, par exemple dans un convertisseur de fréquence. L'objet principal de la présente invention est un dispositif de refroidissement des composants de puissance inductifs, au moins un châssis unitaire fabriqué à partir d'un matériau de coeur magnétique appartenant au composant de puissance et comprenant un fond de forme annulaire ou un fond en forme de polygone régulier, un étai central et une enveloppe de forme identique au fond dans laquelle se trouve au moins une ouverture prévue pour le raccordement de l'enroulement de bobine au circuit de courant extérieur et un enroulement de bobine disposé dans l'espace prévu entre l'étai central et l'enveloppe. Technique connue La tendance de développement générale de l'électronique de puissance, par exemple d'un convertisseur de fréquence, est l'augmentation de la densité de puissance. De façon connue, le traitement d'une puissance élevée dans un appareil de petite taille présuppose un refroidissement efficace des composants se trouvant sur le chemin du courant principal et le meilleur moyen d'y parvenir est d'utiliser un refroidissement de fluide et/ou la transmission vers l'extérieur de la chaleur provenant des pertes de puissance dans les composants à l'aide d'un flux de fluide. Pour des raisons de coût, le refroidissement de fluide est la plupart du temps utilisé uniquement dans des appareils à forte puissance, par exemple dans des convertisseurs de fréquence dépassant 100 kW. Les étranglements de filtrage limitant le courant principal sont typiquement des composants dans lesquels se produisent des pertes de puissance considérables, les pertes de puissance des étranglements pouvant par exemple représenter 1 % de la puissance nominale de l'appareil dans un convertisseur de fréquence. Les étranglements sont des composants inductifs composés d'un châssis unitaire fabriqué à partir d'un matériau de coeur ferromagnétique et d'une bobine conductrice dans laquelle la plus grande partie de la perte se produit normalement. La bobine peut être refroidie au moyen d'un fluide ; par exemple de la façon exposée dans le brevet publié US 7 508 289 où des bandes fabriquées à partir d'un matériau fortement thermo-conducteur sont placées entre les bobines, la chaleur circulant le long de ces bandes étant guidée en direction de la surface d'une plaque de refroidissement disposée à l'extérieur des bobines et étant en outre amenée, de là, dans le fluide circulant dans la plaque. Il existe également d'autres solutions connues dans lesquelles l'enroulement est composé d'un tube de cuivre dans lequel le fluide circule. Les solutions connues pour la mise en place d'un refroidissement de fluide à partir d'étranglements sont peu commodes, onéreuses et présentent certaines limitations techniques. Des courants tourbillonnaires peuvent par exemple voir le jour dans les bandes de refroidissement, provoquant à leur tour des pertes supplémentaires. La puissance de la transmission thermique de telles solutions est également limitée, du fait de la limitation de la température de l'enroulement pouvant nécessiter un refroidissement supplémentaire par le biais d'une soufflerie. Résumé de la présente invention L'objectif de la présente invention est de créer un dispositif novateur permettant d'éviter les inconvénients des solutions connues et d'atteindre un refroidissement efficace de la bobine d'étranglement et du coeur. Cet objectif est atteint grâce au dispositif selon la présente invention caractérisé dans la partie caractérisante des revendications indépendantes. D'autres caractéristiques avantageuses, en terme de puissance, de la présente invention font l'objet des revendications dépendantes.The subject of the present invention is a device for cooling the power components in an electronic power device, for example in a frequency converter. The main object of the present invention is a device for cooling the inductive power components, at least one unitary frame made from a magnetic core material belonging to the power component and comprising an annular shaped bottom or a bottom. a regular polygon shape, a center strut and an identically shaped envelope at the bottom in which there is at least one opening for connecting the coil winding to the external current circuit and a coil winding disposed in the space provided between the central strut and the envelope. Known Technique The general development trend of power electronics, for example a frequency converter, is the increase in power density. In known manner, the treatment of high power in a small device presupposes effective cooling of components in the path of the main stream and the best way to achieve this is to use fluid cooling and / or the outward transmission of heat from power losses in the components using a fluid flow. For cost reasons, fluid cooling is mostly used only in high power devices, for example in frequency converters exceeding 100 kW. The filtering restrictions limiting the main current are typically components in which considerable power losses occur, the power losses of the chokes being for example 1% of the nominal power of the device in a frequency converter. The constrictions are inductive components composed of a unitary frame made from a ferromagnetic core material and a conductive coil in which most of the loss normally occurs. The coil can be cooled by means of a fluid; for example, as disclosed in published patent US Pat. No. 7,508,289, wherein strips made from a highly heat-conductive material are placed between the coils, the heat flowing along these strips being guided towards the surface of the coils. a cooling plate disposed outside the coils and further being fed from there into the fluid flowing in the plate. There are also other known solutions in which the winding is composed of a copper tube in which the fluid flows. Known solutions for the implementation of fluid cooling from constrictions are inconvenient, expensive and have certain technical limitations. For example, vortex currents may emerge in the cooling bands, causing further losses. The power of the thermal transmission of such solutions is also limited, because of the limitation of the temperature of the winding which may require additional cooling by means of a blower. SUMMARY OF THE PRESENT INVENTION The object of the present invention is to create an innovative device which makes it possible to avoid the drawbacks of known solutions and to achieve efficient cooling of the choke coil and the core. This objective is achieved thanks to the device according to the present invention characterized in the characterizing part of the independent claims. Other advantageous characteristics, in terms of power, of the present invention are the subject of the dependent claims.
L'objectif d'application de la présente invention est un étranglement dans lequel se trouve la place réservée à l'enroulement de bobine à l'intérieur de la partie de coeur ferromagnétique. Un tel étranglement est par exemple un étranglement prenant la forme d'un cylindre en forme d'arc de cercle droit et équipé d'un coeur similaire à un coeur en pot (potcore en anglais). La présente invention peut également s'appliquer à des étranglements prenant d'autres formes, par exemple ceux dont la partie de coeur forme un polygone régulier. Il est également possible de sceller un noyau magnétique autour de la bobine en forme de scellement prédéterminée voire directement entre le refroidissement et la bobine, la transmission thermique refroidissant la bobine étant ainsi rendue la plus efficace possible. Il est caractérisant de la présente invention que l'espace dans lequel l'enroulement est placé soit scellé pour l'essentiel à l'aide d'un matériau thermo-conducteur, par exemple de la résine époxy, et qu'au moins un élément refroidisseur soit disposé au niveau du côté extérieur d'une partie du châssis de telle sorte que la surface de contact entre l'élément refroidisseur et la partie de châssis recouvre au moins 20 % de la surface visible vers l'extérieur de la partie de châssis. La chaleur produite dans la bobine est efficacement transmise dans la partie de coeur du fait du scellement et de là, en sus, dans l'élément refroidisseur de fluide externe. L'utilisation du scellement permet également, selon la présente invention, de très bien protéger l'étranglement sur le plan mécanique par rapport aux influences de l'environnement ; la catégorie de protection peut même être IP69. Il est caractérisant de la présente invention que le côté extérieur de la partie de coeur soit refroidi par un élément de refroidissement comprimé de façon étanche contre la surface de la partie de coeur. Pour la méthode de transmission thermique, il est avantageux que les surfaces disposées les unes contre les autres du coeur et de l'élément refroidisseur soient plates. On peut utiliser une pâte de transmission thermique entre les surfaces de jonction pour renforcer la transmission thermique. La présente invention est notamment adaptée au refroidissement de fluides mais peut également être appliquée au refroidissement de l'air. La modularité est également caractérisante de la présente invention ; en d'autres termes, que les étranglements et les éléments refroidisseurs puissent respectivement être empilés l'un sur l'autre ou côte à côte en fonction du besoin dans la même structure en des quantités quelconques. Selon la présente invention, le dispositif de refroidissement est simple et efficace et il peut être appliqué à des quantités quelconques d'étranglements. Lorsque des éléments refroidisseurs de fluide sont utilisés dans le cadre de la présente invention, un refroidissement supplémentaire renforcé par une soufflerie devient superflu. Courte description des dessins La présente invention va être expliquée par la suite de façon détaillée par des exemples et des références aux dessins annexés. Le dessin 1 représente un exemple d'appareil électronique de puissance dans lequel on utilise la présente invention pour le refroidissement des étranglements ; Le dessin 2 représente un dispositif de refroidissement selon une technique connue ; Le dessin 3 représente un noyau magnétique adapté au contexte de la présente invention ; et Les dessins 4 à 6 illustrent des solutions de refroidissement selon l'invention. Description détaillée de la présente invention Le dessin 1 représente le circuit principal du convertisseur de fréquence FC comme exemple d'appareil électronique de puissance dans lequel la solution de refroidissement de l'étranglement selon la présente invention peut être appliquée. Le convertisseur contient ce que l'on appelle un pont réticulaire actif AFE composé de contacteurs semi-conducteurs de puissance V1 - V6 commandables, normalement des IGBT, et de diodes D1 - D6 connectées en parallèle. La tension continue formée par l'AFE est filtrée par les condensateurs Cpc et en outre transformée en tension alternative pour alimenter le moteur M sous la forme d'une tension alternative triphasée U, V, W dirigée dans l'ondulateur INU dont le circuit intérieur est identique à celui de l'AFE. Pour limiter les oscillations supérieures du courant de réseau, on connecte normalement un filtre LCL entre le réseau d'alimentation L1 - L3 et le pont réticulaire actif AFE, ledit filtre se composant d'étranglements L1, L2 spécifiques aux phases et de condensateurs C connectés entre eux.The object of application of the present invention is a throttling in which is located the place reserved for the coil winding inside the ferromagnetic core part. Such a constriction is for example a constriction in the form of a cylinder in the form of a right circular arc and equipped with a heart similar to a pot core (potcore in English). The present invention can also be applied to constrictions taking other forms, for example those whose core portion forms a regular polygon. It is also possible to seal a magnetic core around the predetermined seal-shaped coil or even directly between the cooling and the coil, the thermal transmission cooling coil being thus made as efficient as possible. It is characterized in the present invention that the space in which the winding is placed is essentially sealed by means of a thermally conductive material, for example epoxy resin, and that at least one element cooler is disposed at the outer side of a portion of the frame so that the contact surface between the cooler and the frame portion covers at least 20% of the visible surface outwardly of the frame portion . The heat generated in the coil is efficiently transmitted into the core portion by the seal and from there, in addition, into the external fluid cooler element. The use of the seal also makes it possible, according to the present invention, to very well protect the constriction from the mechanical point of view with respect to the influences of the environment; the protection category can even be IP69. It is characterized in the present invention that the outer side of the core portion is cooled by a cooling element sealingly compressed against the surface of the core portion. For the thermal transmission method, it is advantageous that the surfaces disposed against each other of the core and the cooling element are flat. Thermal transfer paste can be used between the joining surfaces to enhance heat transfer. The present invention is particularly suitable for cooling fluids but can also be applied to cooling the air. Modularity is also characteristic of the present invention; in other words, that the constrictions and the cooling elements can respectively be stacked one on the other or side by side according to the need in the same structure in any quantities. According to the present invention, the cooling device is simple and effective and can be applied to any amount of constrictions. When fluid cooler elements are used in the context of the present invention, additional cooling reinforced by a blower becomes superfluous. Brief Description of the Drawings The present invention will now be explained in detail by examples and references to the accompanying drawings. Drawing 1 shows an example of an electronic power apparatus in which the present invention is used for choke cooling; Drawing 2 shows a cooling device according to a known technique; Drawing 3 shows a magnetic core adapted to the context of the present invention; and Drawings 4 to 6 illustrate cooling solutions according to the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Drawing 1 represents the main circuit of the frequency converter FC as an example of a power electronic apparatus in which the choke cooling solution according to the present invention can be applied. The converter contains a so - called active cross - bridge AFE composed of controllable controllable power semiconductors V1 - V6, normally IGBTs, and diodes D1 - D6 connected in parallel. The DC voltage formed by the AFE is filtered by the capacitors Cpc and furthermore converted into AC voltage to supply the motor M in the form of a three-phase AC voltage U, V, W directed in the INU inverter whose internal circuit is identical to that of the AFE. To limit the higher oscillations of the network current, an LCL filter is normally connected between the supply network L1-L3 and the active cross-linking bridge AFE, said filter consisting of phase-specific restrictions L1, L2 and connected capacitors C between them.
Pour les puissances élevées, il est habituel de refroidir les composants avec du fluide sur la voie de passage du courant principal. Le dessin 2 représente par exemple une solution exposée dans le brevet publié US 7 508 289 pour le refroidissement d'étranglements de haute puissance. Dans la solution, l'étranglement est placé sur un support 24 refroidi par fluide relié au circuit de fluide externe par le biais des raccords 25. L'étranglement contient la bobine 21 et le noyau magnétique 22 autour de l'étai central 23 duquel l'enroulement de bobine est placé. Pour accroître le refroidissement de l'enroulement de bobine, on a placé des bandes magnétiques 26 dont les autres extrémités reposent sur l'élément refroidisseur et le long desquelles la chaleur produite dans la bobine est amenée à l'élément refroidisseur 24. Le problème d'un refroidissement de ce type est la longueur du tronçon parcouru, par exemple de la source de chaleur se trouvant au niveau de l'extrémité supérieure de l'étranglement jusqu'à l'élément refroidisseur, pouvant éventuellement contraindre à utiliser un refroidissement par soufflerie pour intensifier le refroidissement. Le dessin 3 représente ce que l'on appelle un châssis à coeur en pot similaire à un potcore ferromagnétique réalisé d'un seul tenant pouvant être utilisé de façon avantageuse dans les solutions de refroidissement selon l'invention. Le coeur a un fond rond 31 auquel sont reliés un étai central 32 rond et une enveloppe 33 en forme de cylindre creux. Un trou de fixation peut être placé au centre de l'étai central. Un espace vide 34 demeure entre l'étai central et l'enveloppe, dans lequel est placé l'enroulement de bobine. L'enveloppe comprend une ou plusieurs ouvertures 35 permettant de faire passer les extrémités de bobine. Lors du montage d'un tel étranglement, on place généralement deux coeurs de ce type l'un contre l'autre. Le dessin 4 représente une solution de refroidissement selon l'invention. Cette solution comporte deux coeurs en pot 42 selon le dessin 3 dans lesquels se trouve l'enroulement de bobine 41, entre deux éléments refroidisseurs de fluide 44, 45, de telle sorte que les fonds des coeurs et les éléments refroidisseurs soient compressés fixement l'un contre l'autre par exemple au moyen d'un pivot central passant à travers le trou central 43. L'espace d'enroulement de bobine prévu dans ce dispositif est entièrement scellé avec un matériau au fort pouvoir thermo-conducteur, par exemple une résine époxy, permettant ainsi de guider la chaleur produite dans la bobine 41, du fait de la perte de puissance, jusqu'aux éléments refroidisseurs et au fluide circulant dans ceux-ci, via la résine et les coeurs 42. Les raccordements de fluide 46 permettent en outre de coupler les éléments refroidisseurs à la circulation de fluide externe. Plus grande est la partie de la surface de l'étranglement comprimée contre l'élément refroidisseur, meilleur est le refroidissement de l'étranglement. L'exemple de calcul d'une situation dans laquelle la température d'amenée du fluide de refroidissement est de 50 oc montre que lorsqu'au moins 20 % de la surface de l'étranglement agit comme surface de transmission thermique par rapport à l'élément refroidisseur, la température de bobine reste en dessous de la température autorisée de 1200C en présence d'un courant nominal. Le dessin 5 représente une application possible de la présente invention. Dans le cas dans lequel plusieurs étranglements 51 appartiennent à la même unité, lesdits étranglements peuvent par exemple être les étranglements L1 et L2 spécifiques aux phases du filtre LCL selon le dessin 1, les étranglements pouvant être empilés de telle sorte, selon le dessin, les uns sur les autres ou côte à côte, qu'un élément refroidisseur de fluide 52 peut être disposé entre les couches d'étranglement respectives. Les éléments refroidisseurs peuvent être spécifiques à l'étranglement ou le même élément refroidisseur peut refroidir plusieurs étranglements selon cet exemple de dessin. Le dessin 6 représente un mode de réalisation de la présente invention. Un élément refroidisseur de fluide prenant la forme d'un cylindre creux entoure radialement l'étranglement à refroidir prenant la forme d'un cylindre fermé intégrant les moitiés de coeur 61 et 62. Dans cette solution, la chaleur produite dans la bobine est transmise par le scellement remplissant l'espace de bobine, jusqu'au matériau constituant le coeur ainsi que jusqu'à l'élément refroidisseur de fluide entourant le coeur radialement. Pour des raisons de clarté, une moitié de l'élément refroidisseur est représentée sur le dessin avec une ligne pleine 64 tandis que l'autre moitié est représentée avec une ligne 63 en pointillés. Il apparaîtra clairement à l'homme du métier que les différentes formes d'application de la présente invention ne se limitent pas aux exemples précédemment exposés mais peuvent varier dans le cadre des revendications exposées par la suite. La présente invention peut également être utilisée pour des éléments refroidisseurs d'air en sus de l'élément refroidisseur de fluide représenté dans les exemples. La forme de la terminaison de la partie de coeur, de l'étai central et de l'enveloppe peut s'écarter de l'exemple de dessin, par exemple également prendre la forme d'un polygone régulier.For high powers, it is usual to cool the components with fluid on the main flow path. For example, drawing 2 represents a solution disclosed in US Pat. No. 7,508,289 for cooling high power chokes. In the solution, the constriction is placed on a fluid-cooled support 24 connected to the external fluid circuit through the connectors 25. The constriction contains the coil 21 and the magnetic core 22 around the central strut 23 of which the coil winding is placed. To increase the cooling of the coil winding, magnetic strips 26 are placed whose other ends rest on the cooling element and along which the heat produced in the coil is fed to the cooling element 24. Cooling of this type is the length of the section traveled, for example from the heat source at the upper end of the throat to the cooling element, which may possibly force the use of wind tunnel cooling. to intensify the cooling. The drawing 3 represents what is called a pot-core frame similar to a ferromagnetic potcore made in one piece that can be used advantageously in the cooling solutions according to the invention. The core has a round bottom 31 to which are connected a central stay 32 round and a casing 33 in the form of hollow cylinder. A mounting hole may be placed in the center of the center stay. An empty space 34 remains between the central stay and the casing, in which is placed the coil winding. The envelope comprises one or more openings 35 for passing the coil ends. When mounting such a constriction, one usually places two hearts of this type against each other. Drawing 4 represents a cooling solution according to the invention. This solution comprises two potted cores 42 according to the drawing 3 in which the coil winding 41 is located, between two fluid-cooling elements 44, 45, so that the bottoms of the cores and the cooling elements are fixedly compressed. against each other for example by means of a central pin passing through the central hole 43. The coil winding space provided in this device is fully sealed with a material with high thermal conductivity, for example a epoxy resin, thereby guiding the heat produced in the coil 41, due to the loss of power, to the cooling elements and the fluid flowing in them, via the resin and the cores 42. The fluid connections 46 also allow the cooling elements to be coupled to the external fluid circulation. The larger the portion of the constricted choke surface against the chiller, the better the throttle cooling. The example of calculating a situation in which the coolant supply temperature is 50 ° C shows that when at least 20% of the surface of the choke is acting as a heat transfer surface with respect to cooling element, the coil temperature remains below the allowed temperature of 1200C in the presence of a nominal current. Drawing 5 represents a possible application of the present invention. In the case in which several constrictions 51 belong to the same unit, said constrictions may for example be the restrictions L1 and L2 specific to the phases of the LCL filter according to the drawing 1, the constrictions being able to be stacked so that, according to the drawing, the on each other or side by side, a fluid cooler element 52 may be disposed between the respective throttling layers. Cooling elements may be throttle-specific or the same cooler element may cool several throttles according to this drawing example. Drawing 6 shows an embodiment of the present invention. A fluid cooler element in the form of a hollow cylinder radially surrounds the throat to be cooled in the form of a closed cylinder incorporating the core halves 61 and 62. In this solution, the heat produced in the coil is transmitted by the seal filling the coil space, up to the material constituting the core as well as up to the fluid cooler element surrounding the core radially. For the sake of clarity, one half of the cooler element is shown in the drawing with a solid line 64 while the other half is shown with a dotted line 63. It will be clear to those skilled in the art that the various embodiments of the present invention are not limited to the examples previously described but may vary within the scope of the claims set out below. The present invention can also be used for air cooler elements in addition to the fluid cooler element shown in the examples. The shape of the termination of the heart part, the central strut and the envelope may deviate from the drawing example, for example also take the form of a regular polygon.
Les caractéristiques pouvant possiblement avoir été représentées conjointement avec d'autres caractéristiques sur le dessin peuvent également être utilisées séparément si cela s'avère nécessaire.Features that may have been shown together with other features in the drawing may also be used separately if necessary.