WO2010149671A1 - Kühlelement für eine drossel oder einen transformator und drossel und transformator mit einem solchen kühlelement - Google Patents

Kühlelement für eine drossel oder einen transformator und drossel und transformator mit einem solchen kühlelement Download PDF

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WO2010149671A1
WO2010149671A1 PCT/EP2010/058853 EP2010058853W WO2010149671A1 WO 2010149671 A1 WO2010149671 A1 WO 2010149671A1 EP 2010058853 W EP2010058853 W EP 2010058853W WO 2010149671 A1 WO2010149671 A1 WO 2010149671A1
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cooling element
leg
cooling
core
channel
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PCT/EP2010/058853
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Stefam Meinke
Oliver Harling
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Mdexx Gmbh
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels
    • H—ELECTRICITY
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    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/322—Insulating of coils, windings, or parts thereof the insulation forming channels for circulation of the fluid

Definitions

  • the present invention relates to a cooling member for a reactor or a transformer having an outer side and an inner side, the inner side being provided for abutment with a surface of a core of the reactor or the transformer or a surface of a first winding of the reactor or the transformer Cooling element further comprises at least one along the outer and inner side extending channel, which is provided for the passage of a coolant.
  • the present invention further relates to a reactor and a transformer with such a cooling element, which is provided between a core of the reactor or the transformer and a winding of the inductor or the transformer, in particular with four cooling elements.
  • a major problem with chokes and transformers is the removal of the resulting power loss during operation.
  • the heat generated by the power loss is often removed via a pure air cooling, wherein an air flow air ducts flows through between winding parts.
  • the winding is sometimes subdivided into several winding parts, so that several layered air ducts are formed.
  • a disadvantage of the air cooling is in particular the susceptibility of the chokes or transformers for environmental influences, since in this technical solution fresh air from the environment is needed.
  • salt and acidic or contaminated with dirt particles ambient air, as well as ice crystals can greatly reduce the life of the product. If necessary forced ventilation is also still a significant technical and costly effort required by the fans to be mounted.
  • the heat sink is introduced as a cooling bar between sheet iron core and winding.
  • the problem here is the attachment of the cooling bars on the core and especially the deflection of the winding at the edges of the heat sink.
  • the winding is, as shown in Fig. 3, led around an edge of the cooling bar, with the risk that the Winding insulation is pressed through the winding tension on the edge of the heat sink and thus damaged.
  • the heat sink and the cooling liquid - and thus the entire cooling system - are put under tension.
  • it may also at any time to slipping provided there channel strips, since the channel strip is no longer pressed sufficiently strong to the core by the abrupt deflection of the winding behind the edge of the heat sink. If the channel strip slips, the winding becomes unstable and sags. This can also slip the heat sink.
  • this problem is only to a lesser extent, since the channel and Kanaleckleisten can be supported by their arrangement and the winding tension.
  • Slipping of the heatsink can be avoided by being bolted to the iron core.
  • this approach makes perforated plates and drilled heatsinks and additional parts necessary for screwing, which in addition to the higher material and processing costs and the assembly times and thus the cost of the product disadvantageously drives up.
  • Slippage of the channel strips can also be made more difficult by gluing them to the core, or using more expensive channel strips with channel plates, so that the channel plates can support the channel strips. Due to the winding tensile forces, however, there is a risk during winding that the adhesive can not hold the channel strips or they can break, so that the winding would sag.
  • Pushing through the winding insulation has so far been minimized by providing the heatsinks with slight radii at the edges. Furthermore, the influence of the crowning of the winding on the heat sink can be reduced by chamfering the heat sink profiles.
  • the insulation layer is in this case a few tenths of a millimeter significantly lower than the layer thickness of the paint insulation of the iron sheets in total, so that the heat transfer to the lateral cooling bars is still effective. If, for example, the fill factor is about 97% for an 80 mm core package, then about 2.4 mm iron height will be lost through the insulation layers.
  • the middle plates would have to transport their heat loss through at least half way through insulation layers, corresponding to 1, 2 mm, to the upper or lower heat sink.
  • the insulation layer between the lateral bars and the core end faces is only 0.4 mm, for example, then a more favorable thermal coupling of the middle iron sheets to the lateral bars can be achieved.
  • this object is provided with a cooling element for a reactor or a transformer having an outer side and an inner side, wherein the inner side is provided for abutment against a surface of a core of the reactor or of the transformer or a surface of a first winding of the reactor or of the transformer the cooling element further comprises at least one extending along the outer and inner channel, which is provided for the flow with a coolant, addressed, wherein the cooling element has a first and a second leg, wherein a first leg associated first inner surface of the inner part and a the second leg associated second inner surface of the inner side with each other include an angle for receiving the core or the first winding.
  • the invention proposes a throttle or a transformer with such a cooling element, which is provided between a core of the inductor or the transformer and a winding of the inductor or the transformer, in particular on an edge of the core, in particular four cooling elements at opposite edges of the Kerns are provided.
  • a cooling element according to the invention for a choke or a transformer with a typical cuboid core has a cross-sectionally corresponding L-shape, with an inner (exact or nearly) right angle between the two legs.
  • This arrangement of the legs achieves protection against slippage, since one leg in each case protects the other leg from slipping toward the center of the respective surface of the core.
  • the guided over the outside of the cooling element winding presses by the winding forces on the one hand, the cooling element to the core and makes a further contribution to the fixation of the cooling element.
  • the winding itself is applied by the winding forces to the outside of the cooling element, whereby the difficulty of a spacing between the winding and the cooling element due to crowning is avoided or at least reduced.
  • the cooling element according to the invention automatically rests on two adjacent outer surfaces of the core in the installed state, there is also an improved heat dissipation compared to a corresponding arrangement, in which a heat sink rests only on a top or bottom of the core, without that at at the end faces of the core to be arranged heat sink additional effort to fix the heat sink to the face (sticking above, see above) would be necessary.
  • the present invention is not limited to an exact right angle between the legs. For example, by providing an angle which is slightly smaller than 90 °, it can be achieved that the cooling element is clamped to the core when it is applied to the core and thus a separate fixation of the cooling element before and during the winding process becomes unnecessary.
  • the cooling element according to the invention is provided with at least one longitudinal channel for the passage of coolant, so that a substantially decoupled from the ambient conditions cooling of the reactor or the transformer can be achieved.
  • a plurality of channels are provided in a cooling element, optionally one or more of the channels can not be used to guide coolant, as long as the desired heat dissipation can also be achieved by the cooling element as such or by the channel or channels used.
  • the channels not used for the coolant guide have the function of recesses in order to minimize the eddy currents and the weight of the cooling element.
  • the cooling elements according to the invention can be applied without screws on the edges of a rectangular iron sheet core of a choke or a transformer. Through the winding and the existing winding tension these are then pressed firmly against the core. The winding tension also ensures good contact with the winding.
  • the cooling elements are thus non-slip and positioned with very good thermal coupling to winding and core in the choke or the transformer. Since in principle no additional attachments such as channel strips or channel plates to support the winding are more necessary, the assembly cost, and the number of components significantly reduced, thereby reducing material and assembly time costs.
  • the cooling elements according to the invention can be advantageously used in a single embodiment for almost any core cross-sections, without additional components must be used to support the winding.
  • cooling elements according to the invention similar to conventionally flat or flat running ingot still cost in the extrusion process extrusion can be made of aluminum or an aluminum alloy (eg AIMgSi), resulting in comparison to the production of conventional cooling bars no or only insignificant additional effort in the Production of the cooling elements according to the invention.
  • AIMgSi aluminum alloy
  • cooling elements according to the invention despite having a higher mass, cause significantly lower parasitic eddy current losses due to stray magnetic fields in comparison with corresponding conventional cooling arrangements in the core.
  • the outside of the cooling element is designed as a bearing surface for a second winding of the inductor or the transformer.
  • second winding is used here only for the purpose of differentiation from the aforementioned first winding and is not to be understood as an indication of an order or arrangement of the winding with respect to other windings.
  • a first part outer outer surface associated with the first leg of the outside and a second leg associated second outer part of the outer side are connected by a guide surface for guiding the second winding from the first leg to the second leg, in particular by a curved guide surface, wherein the Curvature of the guide surface is in particular constant.
  • Cooling element connects with each other, the winding is deflected optimally.
  • the choice of the curvature and the curvature also a special adaptation to the winding material.
  • Kanaleckleisten or other additional parts for deflecting the winding in comparison to the known solutions are no longer necessary.
  • the risk of slipping or breaking channel strips which can lead to sagging of the winding and thus to a total failure of the product, completely banned.
  • the outside of the cooling element is configured such that a first tangent surface on an opposite end of the guide surface of the outer part of the first leg and a second tangent surface on an opposite end of the guide surface part outer surface of the second leg to each other with respect to the guide surface in one Angle cut, which is greater than the angle, which include the part inner surfaces of the inside.
  • the partial outer surfaces of the legs are already tilted at their respective ends in relation to the partial inner surfaces, it is possible, in the installed state, to provide a winding guided over the outer surface of the cooling element with a curvature which extends over a region which is greater than that of the cooling element.
  • the angle between the end portions of the outer side is greater than 90 ° and the cooling element supports the winding in the installed state in a region in which the winding is no longer parallel to the core surfaces.
  • first leg and the second leg are connected to each other by a connecting element, which is deformable, in particular bendable, designed to adjust the angle between the first part inner surface and the second part inner surface.
  • the cooling element has a channel element, which has the channel, and a one-part or multi-part separation element for arrangement between the channel element and at least one surface of the core, wherein the separation element is in particular formed as a non-magnetic sheet metal element with an electrical conductivity lower than that of the material of the channel element, and has a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of air, wherein the separating element preferably has a thermal conductivity of not less than 0.5 W / (mK), more preferably not less than 1/3 of the thermal conductivity of the material of the channel element
  • the separating element is configured to extend in the installed state beyond a contact region with the channel element along the surface of the core.
  • separating element in which, for example, the bearing surface on the core is larger than the surface of the inside of the channel element, improved heat dissipation can be achieved from areas that are not directly under the channel element.
  • the separating element which extends beyond the channel element thus acts as a kind of cooling finger and transports heat to the channel element.
  • the cooling element has a plurality of extending along the outer and inner channels, which are provided for flow through with a coolant, wherein at least two of the channels are interconnected within the cooling element.
  • the cooling element according to the invention is not limited to the provision of only a single channel. Depending on the specific circumstances and requirements of an insert, a plurality of channels can also be provided, which on the one hand can carry a larger amount of coolant and with which, on the other hand, the heat transport path can be reduced by the material of the cooling element itself.
  • the cooling element has a central part between the first and second leg, wherein the first leg has a first channel, the second leg a second channel and the middle part a third channel, wherein in a feed region of the third channel in each case one Connection to the first and second channels and in a discharge region of the third channel are each provided a connection to the first and second channels.
  • connection in the feed area and the connection in the discharge area are designed as bores which partially pass through the cooling element and are closed with a blanking plug.
  • Profiles with channels or holes directly in the corner area allow an internal connection of the individual channels, so that the flow rates can be adapted to the respective requirements if necessary and the expenses for an external tubing are thus reduced.
  • a leg is provided with an insulating layer for electrical insulation against an end face of the core, in particular with an insulating layer of insulating varnish.
  • the cooling element has at least two partial cooling elements, which in particular are positively connected with each other.
  • a first partial cooling element has a projection and a second partial cooling element has a recess for receiving the projection, wherein the first and second partial cooling elements, which are connected to one another, enclose between them a recess extending at least partially through the cooling element.
  • cooling element in a modular manner from individual sub-elements, which leads to greater flexibility in the use of the module elements, such as in the adaptation to different throttle or transformer geometries.
  • FIG. 1 is a schematic cross section through the legs and the winding of a typical conventional air-cooled throttle
  • Fig. 2 shows a schematic cross section through the legs and the winding of a water-cooled throttle with cooling bars above and below the leg package.
  • 3 shows an illustration of the problem zones that occur when using planar cooling bars in a throttle, as shown in Fig. 2.
  • FIG. 4 shows a modification of the conventional cooling bars shown in FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 4 shows a modification of the conventional cooling bars shown in FIGS. 3 and 4.
  • Fig. 5 is a schematic cross-section through the leg of a throttle, in which four cooling bars are grouped around the core.
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a throttle according to the invention with cooling elements according to the invention in accordance with a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a schematic cross section through a throttle according to the invention with cooling elements according to the invention in accordance with a second embodiment of the present invention.
  • Fig. 8 is a schematic perspective view of an arrangement with a core and cooling elements according to the invention according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view of the throttle illustrated in FIG. 7 in accordance with the view of FIG. 8.
  • FIG. 10 shows a schematic cross section through a throttle according to the invention with cooling elements according to the invention according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11a and 11b are schematic perspective views of cooling elements according to the invention according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows a schematic cross section through two cooling elements according to the invention according to the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 13 is a schematic perspective view of cooling elements according to the invention according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG 14 shows a schematic cross section through a cooling element according to the invention according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 shows a schematic cross section through a cooling element according to the invention in accordance with a sixth embodiment of the present invention.
  • 16 shows a schematic cross section through a cooling element according to the invention in accordance with a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-section through the legs and the winding of a typical conventional air-cooled throttle 10.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-section through the legs and the winding of a typical conventional air-cooled throttle 10.
  • FIG. 1 shows two different approaches for positioning channel strips or channel corner strips.
  • the core 120 constructed by layered iron sheets is enclosed by the winding 125. This is divided in order to increase the surface in three winding parts 125, so that a total of three core 120 circulating air channels arise.
  • the winding parts are supported by so-called channel strips 15 and Kanaleckleisten 20 hard fiberglass fabric (HGW) against each other and against the sheet iron core, so that the air flow flow through almost unhindered and can dissipate the output to the environment power loss of the throttle 10.
  • HGW hard fiberglass fabric
  • Fig. 2 shows a schematic cross section through the legs and the winding of a water-cooled throttle with cooling bars above and below the leg package.
  • slightly different configurations of known throttles are shown together.
  • Above and below the core 120 formed by stacked iron sheets cooling bars 30 are arranged, through which pass cooling channels 35, which are designed to flow through with a coolant, for example water.
  • the winding 125 encloses the core 120 and the cooling bars 30.
  • the left part of FIG. 2 shows that the cooling bars 30 are connected to one another and fixed by a screw 40 extending through the core 120.
  • An alternative to the gland shown in the left part represents a bond in which results in an arrangement as shown in the right part of Fig. 2. In the right part of FIG.
  • channel strips 15 are also provided in the right part, the purpose of which is to support the winding 125.
  • a significant advantage of the liquid-cooled chokes is to be expected, since no eddy currents induced and the windings can be made more compact, whereby the ohmic resistance decreases.
  • FIG. 3 shows an illustration of the problem zones which occur when using planar cooling bars in a throttle, as shown in Fig. 2, in particular according to the illustration of the right part of Fig. 2.
  • planar cooling bars occur in particular three Difficulties arise or arise three disadvantages.
  • the winding is not optimal on the heat sink 30, which means that for the heat transfer from the winding 125 to the cooling bar 30 in part, a heat transfer must be carried through the air, whereby the heat coupling between the coil 125 and the cooling bar 30 is significantly deteriorated compared to a direct contact.
  • the edges may cut into and damage the insulation of the winding in the process of winding, where strong forces are applied to the winding, thereby damaging it it may later come to short circuits or leakage currents.
  • the problem of fixing the channel strips (reference numeral 55).
  • the channel strips can be moved in particular during winding, during transport or during later operation, for example by vibrations, which can lead to a loss of leadership for the winding, which leads to an undesirable sagging of the winding.
  • special efforts must already be made in the process of winding to place the channel strips in the desired position.
  • FIG. 4 shows a modification of the conventional cooling bars shown in FIGS. 3 and 4.
  • the cooling bar 60 which also has cooling channels 35, is on its outside, i. on the side facing the core in the installed state, provided with chamfers 65, which can be produced for example by milling to reduce the negative influence of the crown of the winding (see above problem zone 45).
  • Fig. 5 shows a schematic cross section through the leg of a throttle, in which four cooling bars are grouped around the core.
  • the arrangement of cooling bars 30 is only unsatisfactory above and below the core 120 in that heat to be dissipated, especially from the central region of the core, takes a comparatively long distance to the cooling bars 30 arranged outside (ie above and below), as they do shown in Figures 2 and 3, must cover.
  • the heat coupling of the central region of the core 120 is improved in the arrangement shown in FIG. 5 in that, in addition to those arranged below and above the core 120, Neten cooling ingots 30 additional cooling bars 30 are arranged on the end faces of the core 120, to dissipate heat from the core 120 laterally.
  • an insulating layer 70 is provided between the lateral cooling bars 30 and the sheet metal elements of the Kerns 120 to provide a short circuit between the laminated cores above the cooling bar 30 to avoid.
  • a disadvantage of the arrangement shown in Fig. 5 is in particular that a secure fixing of the laterally arranged cooling bar 30 is hardly possible.
  • FIG. 6 shows a schematic cross section through a throttle according to the invention with cooling elements according to the invention according to a first embodiment of the present invention.
  • Four cooling elements 100 according to the invention are arranged around a core 120 of the throttle 105 in such a way that a first leg 135 and a second leg 140 of the cooling element 100 enclose a corner or edge of the core 120.
  • the cooling elements according to the invention each have an inner side 115 and an outer side 110, wherein in the representation of FIG. 6, the inner side of the cooling elements 100 bears against the outer surfaces of the core 120, respectively, and a winding 125 of the throttle 105 is guided via the outer side 110.
  • the cooling elements 100 have in their interior two channels 130 which, in the illustration of FIG. 6, pass through the cooling element 100 essentially perpendicular to the plane of the drawing. More specifically, one of the channels 130 is disposed in the first leg 135 and the second of the channels 130 is disposed in the second leg 140.
  • cooling elements 100 runs in each case a winding 125 of the throttle 105, wherein the cooling elements 100 are pressed due to the introduced during the winding process in the winding 125 tensile stress to the core 120.
  • the cooling elements 100 shown in FIG. 6 have a right angle between the first leg 135 and the second leg 140. In alternative embodiments, however, can also be provided be deviated from a right angle depending on the geometry of the core.
  • the angle between the first leg 135 and the second leg 140 is less than 90 °, with the cooling elements 100 being mounted with such relative to the right Angle, in particular a small, reduced angle pinching of the core 120 in the respective cooling element 100 and a corresponding fixation of the cooling element 100 can be achieved at the core 120.
  • an insulating layer 185 is provided in each case in order to avoid an electrical contact between the sheets of the core 120 and the cooling element 100.
  • the cooling elements 100 are each provided on an edge of the core 120 and in particular are secured by the winding 125 against movement against the winding. With the mutually angled legs 135, 140 also a slipping of the cooling elements in the direction of the center of the top or bottom or the center of the core is excluded.
  • the cooling elements 100 receive heat from the core through the inside 115 (or through the insulation 185) and supply it to the coolant flowing through at least one channel of a cooling element. Accordingly, the cooling elements 100 also absorb heat from the circumferential winding 125 through the outer side 110, along which the winding 125 travels, in order to remove it from the throttle 105 via the coolant flowing through one or more channels 130.
  • FIG. 7 shows a schematic cross section through a throttle according to the invention with cooling elements according to the invention in accordance with a second embodiment of the present invention.
  • the second embodiment shown in Fig. 7 with cooling elements 200 according to the invention largely corresponds to the embodiment shown in Fig. 6.
  • the essential difference of the cooling elements 200 according to the second embodiment compared to the cooling elements 100 of the first embodiment is that the cooling elements 200 are each configured in two parts with one channel element 165 and one separation element 170.
  • the partition member 170 is located between the channel member 165 and the core 120 and, in the embodiment shown in FIG. 7, also extends at least partially beyond the channel member 165 past the core 120.
  • the channel element 165 of the second embodiment is preferably produced by means of an extrusion process of aluminum or an aluminum alloy such as AIMgSi.
  • the production of the cooling element or at least of the channel element 165 made of aluminum or an aluminum alloy by means of an extrusion process is a particularly cost-effective way to produce the cooling elements or channel elements according to the invention.
  • the provision of the separating element 170 which is embodied, in particular, as a non-magnetic sheet-metal element with an electrical conductivity which is less than that of the material of the channel element 165, represents a possibility to better match certain performance data or specific conditions in connection with the coil or coil To provide the cooling element adapted to the transformer.
  • the separator can be made of zinc or a non-metallic steel, whereby the following advantage is achieved: Since the separator made of zinc compared with aluminum has a lower electrical Conductivity or correspondingly has a higher electrical resistance, thus resulting in otherwise constant conditions lower eddy currents and thus lower losses of the inductor or the transformer, in which a cooling element according to the invention, as shown for example in Fig. 7, is used.
  • the cooling element would be made entirely of a material such as zinc, which would then significantly increased material costs, a higher weight of the cooling elements and difficulties in the production would result because zinc is not in the frame an extrusion process can be processed.
  • the provision of the channel element which thus further consists of aluminum or an aluminum alloy, thus allows a lower weight, lower costs and a simpler manufacturing method compared to a cooling element made entirely of zinc or a similar material.
  • the material of the separating element has a corresponding thermal conductivity.
  • the separating element 170 extends over a larger area of the core 120 in comparison with the channel element 165, so that heat can also be removed from the core 120 by means of the separating element 170 even from areas which are not directly adjacent to the channel element 165.
  • the external geometry of the cooling element 200, apart from the further extending separating elements 170, corresponds to the geometry of the cooling elements 100 of the embodiment shown in FIG.
  • the in Fig. 6 the embodiment shown can also be easily converted into the second embodiment, as shown in Fig. 7, by the cooling elements 100 of FIG. 6 are provided with additional separating elements corresponding to the separating elements 170 of FIG. 7, so that a Cooling element 100 of FIG. 6 can take over the function of a channel member 165 of FIG.
  • FIG. 8 shows a schematic perspective view of an arrangement with a core and cooling elements according to the invention according to the second embodiment of the present invention.
  • the cooling elements 200 according to the invention are grouped around the core 120 and extend along the core.
  • Disposed between the channel members 165 and the core 120 are the separator members 170 described above, the separator members also extending longitudinally beyond the extent of the channel members 165 along the core 120, thus functioning as a "thermal finger".
  • the cooling elements 200 according to the invention of the second embodiment make the known channel strips and channel cover strips for supporting the winding superfluous.
  • the profile cooling elements can be used for almost any cross section of the core.
  • the special geometry of the cooling elements according to the invention stabilizes in particular the position of the cooling elements relative to the core and accordingly also opposite the winding, on the other hand stabilize the cooling elements according to the invention in turn the stacked iron sheets of the core, whereby both the assembly and the stability of the throttle according to the invention or the transformer according to the invention is improved.
  • the heat loss is better dissipated from the core and the winding.
  • FIG. 9 shows a schematic perspective view of the throttle illustrated in FIG. 7, corresponding to the view of FIG. 8.
  • the single-phase throttle 105 shown in FIG. 9 comprises the core 120, around each of which the cooling elements 200 each having a channel element 165 and a separating element 170 arranged between the channel element 165 and the core 120.
  • the cooling elements 200 are in turn enclosed by the winding 125.
  • the illustration of FIG. 9 thus largely corresponds to a usable or in use throttle 105, wherein only the sake of clarity, the contacts of the winding and the transfer or removal of coolant and other additional elements are not shown.
  • 10 shows a schematic cross section through a throttle according to the invention with cooling elements according to the invention according to a third embodiment of the present invention. Again, the representation of FIG.
  • FIG. 10 shows a third embodiment of the present invention in the form of modular cooling elements 300, which are designed in their shape so that they can be interconnected by nesting.
  • the individual partial cooling elements 301 each have a projection 302, which is configured to fit in a recess 303 of a further partial cooling element.
  • the partial cooling elements 301 which are shown in FIG. 10, each have a channel 130, with the exception of one corner element, which can optionally be used as a recess for weight reduction or as a passage for coolant.
  • the assembled subcooling elements between each still have a recess 304, which results from the mating of the subcooling elements and extends through the cooling element 300.
  • the protrusion 302 and the recess 303 are preferably configured such that the friction forces occurring when fitting into one another ensure sufficient fixation of the partial cooling elements 301 relative to one another.
  • a particular advantage of the embodiment shown in FIG. 10 is that the cooling element 300 according to the invention can be adapted to different geometries of cores or reactors or transformers by adding or by partial cooling elements. By providing presently essentially two different basic shapes of the partial cooling elements 301, the production costs are reduced in that a number of different forms for an extrusion process for the production of cooling elements according to the invention is reduced.
  • FIGS. 11a and 11b respectively show schematic perspective views of cooling elements according to the invention according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the cooling elements 300 shown in FIGS. 11a and 11b on the one hand differ from the cooling elements of the previously discussed embodiments in that, in contrast to the previous circular channel cross-sections, they have a hexagonal cross-section of the channels 330.
  • the cooling elements 300 shown in Fig. 11a and Fig. 11b are constructed by combining two partial cooling elements, wherein a partial cooling element forms the first leg 135 with a channel 330 and another partial cooling element is represented by the second leg 140 together with a transition piece.
  • coolant channels which are particularly in Fig. 11a extend in the longitudinal direction through the cooling element to provide in the form of a simple bore or a simple channel inside the cooling element or to realize these channels by providing pipes within corresponding recesses in the interior of the cooling element, in particular made of copper or steel are also valid for the present invention.
  • Fig. 12 shows a schematic cross section through two cooling elements according to the invention according to the first embodiment of the present invention.
  • the inner sides 110 of the first leg 135 and the second leg 140 together form an angle 142, which are adapted to the geometry of the core or a winding, to which or on which the cooling element according to the invention becomes.
  • the angle between the first and second legs is shown substantially at right angles, the present invention is not limited to an angle substantially equal to a right angle, particularly since core geometries are possible make another angle between the first and second legs 135, 140 necessary.
  • the guide surface 145 between the first leg 135 and the second leg 140 can be seen, which is designed in its curvature such that the best possible contacting and guidance to the winding 125 results.
  • FIG. 13 shows a schematic perspective view of cooling elements according to the invention according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 14 shows a schematic cross section through a cooling element according to the invention according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the cooling element 100 of the fifth embodiment of the present invention three cooling channels extend 130, 330, wherein in each case in the first and second legs 135, 140, a channel 130, 330 is provided.
  • a further channel 130, 330 is provided in a middle part 172 between the first leg 135 and the second leg 140, which is in communication with the channels 130, 330 of the first and second leg 135, 140.
  • transverse bores 175 are provided as connections between the channels, each secured with blind plugs 180 against leakage of coolant. The same applies to the discharge area.
  • the provided in the legs channels 130, 330 are also secured with blind plugs against leakage of coolant.
  • FIG. 15 shows a schematic cross section through a cooling element according to the invention in accordance with a sixth embodiment of the present invention.
  • the cooling element 100 in FIG. 15 is distinguished, for example, from the cooling element shown in FIG. 12 in that the outside 110 and the inside 115 of the legs 135, 140 are not parallel to one another.
  • the outside has a curvature over its entire area from one end 150 of the first leg to the end 155 of the second leg, such that a tangent surface at the end 150 of the partial outer surface of the first leg 135 is at an angle to a second tangent surface at the opposite end 155 of the Talauzization the second leg 140 has an angle which is greater than the angle of the inner part of the inner surface 110 of the first and second legs 135, 140.
  • the cooling element according to the invention is not limited to embodiments in which the winding is not in a range on the cooling element abuts, in which the winding is guided parallel to a core surface.
  • FIG. 16 shows a schematic cross section through a cooling element according to the invention in accordance with a seventh embodiment of the present invention.
  • the cooling element 100 according to the seventh embodiment which is shown in Fig. 16, in addition to the first leg 135 and the second leg 140, which are each provided with a channel 130, a connecting element 160 which is designed deformable, so that the angle between the inner sides 115 of the legs 135 and 140 can be adjusted by a deformation of the connecting element 160.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlelement (100, 200, 300) für eine Drossel (105) oder einen Transformator mit einer Außenseite (110) und einer Innenseite (115), wobei die Innenseite (115) zum Anliegen an einer Oberfläche eines Kerns (120) oder einer ersten Wicklung (125) der Drossel (105) oder des Transformators vorgesehen ist, wobei das Kühlelement (100, 200, 300) ferner wenigstens einen Kanal (130, 330) aufweist, der zur Durchströmung mit einem Kühlmittel vorgesehen ist. Um ein derartiges Kühlelement (100, 200, 300) mit einer guten Stabilität, einer geringen Gefahr des Verrutschens und einer guten Wärmeabführung bereitzustellen, wird vorgeschlagen, einen ersten und einen zweiten Schenkel (135, 140) des Kühlelements (100, 200, 300) vorzusehen, wobei eine dem ersten Schenkel (135) zugehörige erste Teilinnenfläche und eine dem zweiten Schenkel (140) zugehörige zweite Teil Innenfläche miteinander einen Winkel (142) zur Aufnahme des Kerns (120) oder der ersten Wicklung (125) einschließen.

Description

Kühlelement für eine Drossel oder einen Transformator und Drossel und Transformator mit einem solchen Kühlelement
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlelement für eine Drossel oder einen Transformator mit einer Außenseite und einer Innenseite, wobei die Innenseite zum Anliegen an einer Oberfläche eines Kerns der Drossel oder des Transformators oder einer Oberfläche einer ersten Wicklung der Drossel oder des Transformators vorgesehen ist, wobei das Kühlelement ferner wenigstens einen entlang der Außen- und Innenseite verlaufenden Kanal aufweist, der zur Durchströmung mit einem Kühlmittel vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Drossel und einen Transformator mit einem solchen Kühlelement, das zwischen einem Kern der Drossel oder des Transformators und einer Wicklung der Drossel oder des Transformators vorgesehen ist, insbesondere mit vier Kühlelementen.
Ein großes Problem bei Drosseln und Transformatoren stellt die Abfuhr der beim Betrieb entstehenden Verlustleistung dar. Bei bekannten Produkten, wie beispielsweise der in Fig. 1 gezeigten einphasigen Drossel, wird die durch die Verlustleistung entstehende Wärme oft über eine reine Luftkühlung abgeführt, wobei ein Luftstrom Luftkanäle zwischen Wicklungsteilen durchströmt. Um eine möglichst große Oberfläche für die Kühlung zur Verfügung zu haben, wird die Wicklung dabei bisweilen in mehrere Wicklungsteile unterteilt, so dass mehrere geschichtete Luftkanäle entstehen.
Nachteilig bei der Luftkühlung ist insbesondere die Anfälligkeit der Drosseln oder Transformatoren für Umwelteinflüsse, da bei dieser technischen Lösung Frischluft aus der Umgebung benötigt wird. Insbesondere salz- und säurehaltige oder mit Schmutzpartikeln durchsetzte Umgebungsluft, sowie Eiskristalle können die Lebensdauer des Produktes stark verringern. Bei notwendiger Zwangsbelüftung ist außerdem noch ein nicht unerheblicher technischer und kostenintensiver Aufwand durch die anzubringenden Ventilatoren erforderlich. Durch Verwendung einer Flüssigkeitskühlung hingegen können Drosseln und Transformatoren gegen die Umgebung nahezu hermetisch abgeschottet werden, da die entstehende Verlustleistung zu einem großen Teil über die Kühlflüssigkeit abtransportiert werden kann. Dabei werden bei bekannten Ausführungen die Kühlkörper als Kühlbarren zwischen Eisenblechkern und Wicklung eingebracht.
Problematisch stellen sich hierbei die Befestigung der Kühlbarren auf dem Kern und vor allem das Umlenken der Wicklung an den Kanten der Kühlkörper dar. Die Wicklung wird, wie in Fig. 3 gezeigt, um eine Kante des Kühlbarrens geführt, wobei die Gefahr besteht, dass die Wicklungsisolation durch den Wickelzug an der Kante des Kühlkörpers durchgedrückt und damit beschädigt wird. Es besteht zudem die Gefahr, dass die Kühlkörper und die Kühlflüssigkeit - und somit das gesamte Kühlsystem - unter Spannung gesetzt werden. Insbesondere in der Nähe der Kanten des Kühlbarrens kann es außerdem jederzeit zu einem Verrutschen von dort vorgesehenen Kanalleisten kommen, da durch das abrupte Umlenken der Wicklung hinter der Kante des Kühlkörpers die Kanalleiste durch die Wicklung nicht mehr genügend stark an den Kern gepresst wird. Verrutscht die Kanalleiste, wird die Wicklung instabil und sackt ab. Hierdurch kann auch der Kühlkörper verrutschen. Bei der in Fig. 1 dargestellten bekannten luftgekühlten Drossel besteht dieses Problem nur in geringerem Ausmaß, da sich die Kanal- und Kanaleckleisten durch ihre Anordnung und den Wickelzug abstützen können.
Ferner tritt über dem Kühlkörper infolge der Balligkeit der Wicklung eine weitere Schwierigkeit dahingehend auf, dass die Wicklung nicht vollständig und fest an der Oberfläche des Kühlkörpers anliegt, womit sich eine reduzierte und nicht-optimale Wärmekopplung zum Abtransport der Verlustleistung ergibt. Wie in Fig. 3 gezeigt, bildet sich ein Hohlraum zwischen Wicklung und Kühlkörper. Das hat zur Folge, dass die Joule'sche Verlustwärme der Wicklung nicht mehr direkt über den Kühlkörper und die Kühlflüssigkeit abgeführt werden kann, sondern größtenteils über stark wärmeisolierende Luft geführt werden muss. Die Wicklung heizt sich ungewollt auf.
Es gibt bereits bekannte Ansätze, die oben geschilderten Probleme bei flüssigkeitsgekühlten Drosseln und Transformatoren anzugehen.
Ein Verrutschen der Kühlkörper kann vermieden werden, indem diese mit dem Eisenkern verschraubt werden. Dieser Ansatz macht allerdings gelochte Bleche und gebohrte Kühlkörper sowie zusätzliche Teile zur Verschraubung nötig, was außer dem höheren Material- bzw. Bearbeitungsaufwand auch die Montagezeiten und somit die Kosten für das Produkt nachteilig in die Höhe treibt. Ein Verrutschen der Kanalleisten kann auch erschwert werden, indem diese am Kern verklebt, oder aber teurere Kanalleisten mit Kanalblechen verwendet werden, so dass die Kanalbleche die Kanalleisten abstützen können. Durch die Wickelzugkräfte besteht beim Wickeln jedoch die Gefahr, dass der Kleber die Kanalleisten nicht halten kann, bzw. diese brechen können, so dass die Wicklung absacken würde.
Das Durchdrücken der Wicklungsisolation wird bisher dadurch minimiert, dass die Kühlkörper an den Kanten mit leichten Radien versehen werden. Des Weiteren kann der Einfluss der Balligkeit der Wicklung am Kühlkörper durch Anschrägen der Kühlkörperprofile verringert werden.
Ein zusätzliches Problem ergibt sich bei den zuvor beschriebenen Ausführungen, bei denen die Kühlkörper auf den Ober- bzw. Unterseiten der den Kern bildenden Blechpakte angeordnet sind, darin , dass der Kern der Drossel oder des Transformators u.U. nur ungenügend gekühlt wird, wenn die Kühlkörper nur jeweils auf dem obersten bzw. untersten Blech aufliegen. Die Lackisolierung, die auf bzw. zwischen den Elektroblechen zur Vermeidung von Wirbelströmen aufgebracht wird, behindert den Wärmeabtransport durch die Bleche hindurch zum oberen oder unteren Kühlkörper. Um auch verstärkt die Verlustwärme aus den mittleren Blechen des Eisenkern ziehen zu können, werden bisher ebenfalls Kühlbarren links und rechts des Eisenkerns angeordnet. Zur Vermeidung von Wirbelstromschleifen im Eisenblechkern werden diese zusätzlichen Kühlbarren mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen an den Stirnflächen der Eisenbleche positioniert. Die Isolationsschicht ist hierbei mit wenigen zehntel Millimetern deutlich geringer, als die Schichtdicke der Lackisolierung der Eisenbleche in Summe, so dass der Wärmeübergang zu den seitlichen Kühlbarren weiterhin effektiv ist. Beträgt beispielsweise bei einem 80 mm hohen Kernpaket der Füllfaktor ca. 97 %, so gehen ca. 2,4 mm Eisenhöhe durch die Isolationsschichten "verloren". Die mittleren Bleche müssten ihre Verlustwärme also durch mindestens den halben Weg durch Isolationsschichten, entsprechend 1 ,2 mm, zum oberen oder unteren Kühlkörper hindurch transportieren. Weist die Isolationsschicht zwischen den seitlichen Barren und den Kemstirnflächen hingegen nur beispielsweise 0,4 mm, so lässt sich damit eine günstigere thermische Ankopp- lung der mittleren Eisenbleche an die seitlichen Barren erreichen.
Die Montage seitlicher Kühlkörper gestaltet sich jedoch extrem schwierig, da eine Fixierung mittels Bohrung hier aufgrund der Stapelrichtung der Bleche gerade nicht möglich ist. Zudem werden zumeist weiterhin Eckleisten verwendet, um die Wicklung umzulenken. Wird eine solche Leiste beschädigt, besteht wiederum die Gefahr, dass die Wicklung in sich zusammen sackt und hierdurch nicht mehr optimalen Kontakt auf die Kühlbarren hat. Es kann zur thermischen Überhitzung kommen, die zur Zerstörung des gesamten Produktes führt. - A - Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben aufgeführten Nachteile aus dem
Stand der Technik zu vermeiden oder zumindest zu vermindern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Kühlelement der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der eine gute Stabilität, eine geringe Gefahr des Verrutschens von Bauelementen und eine gute Wärmeabführung, insbesondere ein gutes Anliegen der Wicklung am Kühlelement, erreicht werden, ohne dass damit ein besonderer Material- oder Montageaufwand zur Erreichung dieser Ziele nötig würde.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Kühlelement für eine Drossel oder einen Transformator mit einer Außenseite und einer Innenseite, wobei die Innenseite zum Anliegen an einer Oberfläche eines Kerns der Drossel oder des Transformators oder einer Oberfläche einer ersten Wicklung der Drossel oder des Transformators vorgesehen ist, wobei das Kühlelement ferner wenigstens einen entlang der Außen- und Innenseite verlaufenden Kanal aufweist, der zur Durchströmung mit einem Kühlmittel vorgesehen ist, adressiert, bei dem das Kühlelement einen ersten und einen zweiten Schenkel aufweist, wobei eine dem ersten Schenkel zugehörige erste Teilinnenfläche der Innenseite und eine dem zweiten Schenkel zugehörige zweite Teilinnenfläche der Innenseite miteinander einen Winkel zur Aufnahme des Kerns oder der ersten Wicklung einschließen.
Zudem wird erfindungsgemäß eine Drossel oder ein Transformator mit einem solchen Kühlelement vorgeschlagen, das zwischen einem Kern der Drossel oder des Transformators und einer Wicklung der Drossel oder des Transformators, insbesondere an einer Kante der Kerns, vorgesehen ist, wobei insbesondere vier Kühlelementen an gegenüberliegenden Kanten des Kerns vorgesehen sind.
Ein erfindungsgemäßes Kühlelement für eine Drossel oder einem Transformator mit einem typischen quaderförmigen Kern hat im Querschnitt entsprechend eine L-Form, mit einem inneren (genauen oder nahezu) rechten Winkel zwischen den beiden Schenkeln. Diese Anordnung der Schenkel erreicht eine Sicherung gegenüber einem Verrutschen, da jeweils der eine Schenkel den anderen Schenkel von einem Verrutschen in Richtung der Mitte der jeweiligen Oberfläche des Kerns schützt. Die über die Außenseite des Kühlelements geführte Wicklung drückt durch die Wickelkräfte einerseits das Kühlelement an den Kern und leistet einen weiteren Beitrag zur Fixierung des Kühlelements. Andererseits wird die Wicklung selbst durch die Wickelkräfte an die Außenseite des Kühlelements angelegt, wodurch die Schwierigkeit einer Beabstandung zwischen Wicklung und Kühlelement infolge einer Balligkeit vermieden oder zumindest reduziert wird. Da erfindungsgemäß allein durch die grundsätzliche Form des Kühlelements im Einbauzustand insbesondere eine gute Stabilität und ein gutes Anliegen der Wicklung am Kühlelement erreicht wird, kann damit auf zusätzliche Maßnahmen zur Erreichung einer Beständigkeit der Drossel oder des Transformators gegenüber einem Verrutschen und zur besseren Wärmeabfuhr verachtet werden. Da das erfindungsgemäße Kühlelement im Einbaustand automatisch an zwei benachbarten Außenflächen des Kerns anliegt, ergibt sich zudem eine verbesserte Wärmeabfuhr gegenüber einer entsprechenden Anordnung, bei der ein Kühlkörper lediglich an einer Ober- oder Unterseite des Kerns anliegt, ohne dass der bei an den Stirnflächen des Kerns anzuordnenden Kühlkörpern Zusatzaufwand zur Fixierung der Kühlkörper an den Stirnfläche (Kleben o.a., siehe oben) nötig wäre.
Bei einem Kern, dessen Geometrie von der typischen quaderförmigen Geometrie abweicht, ergibt sich zum Aufnehmen des Kerns (oder der ersten Wicklung) zwischen den Schenkel ein entsprechend anderer Winkel. Zudem ist auch bei einem quaderförmigen Kern die vorliegende Erfindung nicht auf einen exakten rechten Winkel zwischen den Schenkeln beschränkt. Beispielsweise kann durch Vorsehen eines Winkels, der etwas kleiner als 90° ist, erreicht werden, dass das Kühlelement sich beim Aufbringen auf den Kern mit diesem verklammert und so eine gesonderter Fixierung des Kühlelements vor und bei dem Wickelvorgang unnötig wird.
Wie bei den bekannten barrenförmigen, d.h. flachen oder ebenen, Kühlkörpern ist das erfindungsgemäße Kühlelement mit wenigstens einem längs durchlaufenden Kanal zur Führung von Kühlmittel versehen, so dass eine im wesentlichen von den Umgebungsbedingungen abgekoppelte Kühlung der Drossel oder des Transformators erreicht werden kann.
Sind mehrere Kanäle in einem Kühlelement vorgesehen, so kann wahlweise auch einer oder mehrere der Kanäle nicht zur Führung von Kühlmittel verwendet werden, solange die gewünschte Wärmeabfuhr auch durch das Kühlelement als solches oder durch den verwendeten Kanal bzw. die verwendeten Kanäle erreicht werden kann. Die nicht für die Kühlmittelführung benutzen Kanäle haben dabei die Funktion von Aussparungen, um die Wirbelströme und das Gewicht des Kühlelements zu minimieren.
Mit der vorliegenden Erfindung ergibt sich eine Vielzahl von Vorteilen. Durch die L-Form können die erfindungsgemäßen Kühlelemente ohne Verschraubungen an den Kanten eines quaderförmigen Eisenblechkerns einer Drossel oder eines Transformators angelegt werden. Durch die Wicklung und den bestehenden Wickelzug werden diese dann fest an den Kern gepresst. Der Wickelzug sichert ebenfalls einen guten Kontakt zur Wicklung hin. Die Kühlelemente werden somit rutschsicher und mit sehr guter thermischer Ankopplung an Wicklung und Kern in der Drossel oder dem Transformator positioniert. Da im Grundsatz keine weiteren Anbauteile wie Kanalleisten oder Kanalbleche zur Abstützung der Wicklung mehr notwendig sind, reduziert sich der Montageaufwand, sowie die Anzahl der Bauteile erheblich, wodurch Material- und Montagezeitkosten sinken. Die erfindungsgemäßen Kühlelemente können in vorteilhafter Weise einer einzigen Ausführung für nahezu beliebige Kernquerschnitte verwendet werden, ohne dass zusätzliche Bauteile zur Abstützung der Wicklung verwendet werden müssen.
Da die erfindungsgemäßen Kühlelemente ähnlich zu konventionell eben bzw. flach ausgeführten Kühlbarren weiterhin kostengünstig im Strang pressprozess etwa aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung (z.B. AIMgSi) hergestellt werden können, ergibt sich im Vergleich zur Herstellung von konventionellen Kühlbarren kein oder ein nur unwesentlicher zusätzlicher Aufwand bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Kühlelemente.
Zusätzlich zu den oben angeführten Vorteilen wurde gefunden, dass erfindungsgemäße Kühlelemente überraschenderweise trotz einer höheren Masse im Vergleich zu entsprechenden herkömmlichen Kühlanordnungen im Kern deutlich geringere parasitäre Wirbelstromverluste durch magnetische Streufelder verursachen.
Durch die vergrößerte Oberfläche ist zudem die Abfuhr der Verlustwärme deutlich günstiger, als bei einem konventionellen ebenen Kühlkörper.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenseite des Kühlelements als Auflagefläche für eine zweite Wicklung der Drossel oder des Transformators ausgestaltet.
Mit dem Vorsehen einer definierten Außenform des Kühlelements, die zur Führung einer Wicklung ausgelegt ist, ist eine gezielte Einstellung der Umlenkung der Wicklung im Einbauzustand möglich, womit insbesondere Knickstellen oder Krümmungsbereiche, in denen die Wicklung nicht von dem Kühlelement gestützt und geführt wird, vermieden werden. Die Bezeichnung „zweite Wicklung" dient hier lediglich der Abgrenzung gegenüber der zuvor erwähnten ersten Wicklung und ist nicht als Angabe hinsichtlich einer Reihenfolge oder Anordnung der Wicklung in Bezug auf andere Wicklungen zu verstehen.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind eine dem ersten Schenkel zugehörige erste Teilaußenfläche der Außenseite und eine dem zweiten Schenkel zugehörige zweite Teilaußenfläche der Außenseite durch eine Führungsfläche zur Führung der zweiten Wicklung vom ersten Schenkel zum zweiten Schenkel verbunden, insbesondere durch eine gekrümmte Führungsfläche, wobei die Krümmung der Führungsfläche insbesondere konstant ist. Durch einen Radius, der die äußeren Kanten der beiden Schenkel des erfindungsgemäßen
Kühlelements miteinander verbindet, wird die Wicklung optimal umgelenkt. Insbesondere lässt sich durch die Wahl der Krümmung und der Krümmungsform zudem eine besondere Anpassung an das Wicklungsmaterial erreichen. Zudem sind Kanaleckleisten oder sonstige zusätzliche Teile zum Umlenken der Wicklung im Vergleich zu den bekannten Lösungen nicht mehr notwendig. Somit ist auch die Gefahr verrutschender oder brechender Kanalleisten, die zum Absacken der Wicklung und somit zu einem Totalausfall des Produktes führen können, gänzlich gebannt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Außenseite des Kühlelements derart ausgestaltet, dass eine erste Tangentenfläche an einem der Führungsfläche gegenüberliegenden Ende der Teilaußenfläche des ersten Schenkels und eine zweite Tangentenfläche an einem der Führungsfläche gegenüberliegenden Ende der Teilaußenfläche des zweiten Schenkels einander gegenüber der Führungsfläche in einem Winkel schneiden, der größer als der Winkel ist, den die Teilinnenflächen der Innenseite einschließen.
Sind die Teilaußenflächen der Schenkel bereits an ihren jeweiligen Ende gegenüber den Teilinnenflächen verkippt, so ist es möglich, im Einbauzustand eine über die Außenfläche des Kühlelements geführte Wicklung mit einer Krümmung vorzusehen, die sich über einen Bereich erstreckt, der größer ist als der des Kühlelements. So ist bei einem quaderförmigen Kern bei dieser Ausgestaltung der Winkel zwischen den Endbereichen der Außenseite größer als 90° und das Kühlelement unterstützt die Wicklung im Einbauzustand in einem Bereich, in dem die Wicklung nicht mehr parallel zu der Kernflächen verläuft.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Schenkel und der zweite Schenkel miteinander durch ein Verbindungselement verbunden, das zur Einstellung des Winkels zwischen der ersten Teilinnenfläche und der zweiten Teilinnenfläche verformbar, insbesondere verbiegbar, ausgestaltet ist.
Die Einstellmöglichkeit des Winkels, den die Teilinnenflächen der Schenkel miteinander einschließen, erlaubt eine größere Flexibilität hinsichtlich der Geometrie des einzuschließenden Kern bzw. der Wicklung, auf die das Kühlelement aufgesetzt wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Kühlelement ein Kanalelement, das den Kanal aufweist, und ein ein- oder mehrstückiges Trennelement zur Anordnung zwischen dem Kanalelement und wenigstens einer Oberfläche des Kerns auf, wobei das Trennelement insbesondere als nichtmagnetisches Blechelement mit einer elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet ist, die geringer ist als die des Materials des Kanalelements, und eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Luft, wobei das Trenn- element bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 0,5 W/(m-K), besonders bevorzugt von nicht weniger als 1/3 der Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kanalelements, aufweist
Es wurde gefunden, dass die direkte Montage der Kühlbarren auf dem Kern Wirbelstromverluste erzeugt, da diese großflächig direkt über dem Luftspalt verlaufen, wo hohe magnetische Streufelder Wirbelströme in die Kühlbarren induzieren können. Mit dem Vorsehen eines Trennelements kann ein Einfluss dieser Streufelder weiter reduziert werden.
Bei einer spezielleren Ausgestaltung der Erfindung ist das Trennelement dazu ausgestaltet, sich im Einbauzustand über einen Kontaktbereich mit dem Kanalelement hinaus entlang der Oberfläche des Kerns zu erstrecken.
Mit einem Trennelement, bei dem beispielsweise die Auflagefläche auf dem Kern größer ist, als die Fläche der Innenseite des Kanalelements, kann eine verbesserte Wärmeabfuhr aus Bereichen erreicht werden, die nicht direkt unter dem Kanalelement liegen. Das sich über das Kanalelement hinaus erstreckende Trennelement wirkt somit als eine Art Kühlfinger und transportiert Wärme zum Kanalelement hin.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Kühlelement eine Vielzahl von entlang der Außen- und Innenseite verlaufenden Kanälen auf, die zur Durchströmung mit einem Kühlmittel vorgesehen sind, wobei wenigstens zwei der Kanäle innerhalb des Kühlelements miteinander verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Kühlelement ist nicht auf das Vorsehen lediglich eines einzelnen Kanals beschränkt. Je nach den speziellen Gegebenheiten und Anforderungen eines Einsatzes können auch mehrere Kanäle vorgesehen werden, die einerseits eine größere Kühlmittelmenge führen können und mit denen andererseits der Wärmetransportweg durch das Material des Kühlelements selbst reduziert werden kann.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Kühlelement einen Mittelteil zwischen dem ersten und zweiten Schenkel auf, wobei der erste Schenkel einen ersten Kanal, der zweite Schenkel einen zweiten Kanal und der Mittelteil einen dritten Kanal aufweisen, wobei in einem Zuführbereich des dritten Kanals jeweils eine Verbindung zum ersten und zweiten Kanal und in einem Abführbereich des dritten Kanals jeweils eine Verbindung zum ersten und zweiten Kanal vorgesehen sind.
Bei einer spezielleren Ausgestaltung der Erfindung sind die Verbindung im Zuführbereich und die Verbindung im Abführbereich als Bohrungen ausgestaltet, die teilweise durch das Kühlelement führen und mit einem Blindstopfen verschlossen sind. Profile mit Kanälen oder Bohrungen direkt im Eckbereich ermöglichen eine interne Verbindung der Einzelkanäle, so dass die Durchflussmengen ggf. den entsprechenden Anforderungen angepasst werden können und die Aufwendungen für eine externe Verschlauchung somit reduziert werden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist wobei ein Schenkel mit einer Isolierschicht zur elektrischen Isolierung gegenüber einer Stirnseite des Kerns versehen, insbesondere mit einer Isolierschicht aus Isolierlack.
Das Vorsehen der elektrischen Isolierung, beispielsweise in Form einer Isolierschicht aus Isolierlack, auf der Innenseite wenigstens (und bevorzugt genau) eines Schenkels vermeidet, dass durch einen elektrischen Kontakt zwischen dem Kernmaterial, das typischerweise in Form Blechpaketen vorgesehen ist, und dem Material des Schenkels des Kühlelements Wirbelströme auftreten, die zu unerwünschten Verlusten führen würden.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Kühlelement wenigstens zwei Teilkühlelemente auf, die insbesondere formschlüssig miteinander verbunden sind.
Bei einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung weist ein erstes Teilkühlelement einen Vorsprung und ein zweites Teilkühlelement eine Ausnehmung zur Aufnahme des Vorsprungs auf, wobei das erste und zweite Teilkühlelement, die miteinander verbunden sind, zwischen sich eine sich zumindest teilweise durch das Kühlelement erstreckende Aussparung einschließen.
Es ist erfindungsgemäß möglich, das Kühlelement in modularer Weise aus einzelnen Teilelementen zusammenzusetzen, was zu einer größeren Flexibilität im Einsatz der Modulelemente führt, etwa beispielsweise bei der Anpassung an verschiedene Drossel- bzw. Transformatorgeometrien.
Im Folgenden werden bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren näher erläutert.
Hierbei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch die Schenkel und die Wicklung einer typischen konventionellen luftgekühlten Drossel,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die Schenkel und die Wicklung einer wassergekühlten Drossel mit Kühlbarren ober- und unterhalb des Schenkelpakets. Fig. 3 eine Illustration der Problemzonen, die bei der Verwendung ebener Kühlbarren bei einer Drossel auftreten, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.
Fig. 4 eine Abwandlung der in Fig. 3 und 4 dargestellten konventionellen Kühlbarren.
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch den Schenkel einer Drossel, bei der vier Kühlbarren um den Kern gruppiert sind.
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Drossel mit erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Drossel mit erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 8 eine schematische Perspektivansicht einer Anordnung mit einem Kern und erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 9 eine schematische Perspektivansicht der in Fig. 7 illustrierten Drossel entsprechend der Ansicht von Fig. 8.
Fig. 10 einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Drossel mit erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 11a und 11 b jeweils schematische Perspektivansichten von erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 12 einen schematischen Querschnitt durch zwei erfindungsgemäße Kühlelemente gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 13 eine schematische Perspektivansicht von erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 14 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kühlelement gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 15 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kühlelement gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 16 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kühlelement gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei den verwendeten Bezugszeichen beziehen sich ähnliche Bezugszeichen in unterschiedlichen Ausführungsformen aufeinander entsprechende Elemente, wobei bei der detaillierten Beschreibung unterschiedliche Ausführungsformen teilweise eine Beschreibung bereits vorher diskutierter Elemente bzw. deren Entsprechungen ausgelassen wird.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Schenkel und die Wicklung einer typischen konventionellen luftgekühlten Drossel 10. Zum Zwecke der einfacheren Diskussion sind allerdings in Fig. 1 zwei unterschiedliche Ansätze zur Positionierung von Kanalleisten bzw. Kanaleckleisten dargestellt.
Der durch geschichtete Eisenbleche aufgebaute Kern 120 wird von der Wicklung 125 umschlossen. Diese ist zwecks Vergrößerung der Oberfläche in drei Wicklungsteile 125 unterteilt, so dass insgesamt drei den Kern 120 umlaufende Luftkanäle entstehen. Die Wicklungsteile werden dabei durch sogenannte Kanalleisten 15 bzw. Kanaleckleisten 20 aus Hartfaserglasgewebe (HGW) gegeneinander und gegenüber dem Eisenblechkern abgestützt, so dass der Luftstrom nahezu ungehindert hindurch strömen und die an die Umgebung abgegebene Verlustleistung der Drossel 10 abtransportieren kann. In der hier gezeigten Ausführung sind im linken Teil der Figur zwischen den Kanalleisten 15 noch Kanalbleche 25 aus nichtmagnetischem Stahl eingeführt, die die Wicklungsteile 125 besser abstützen sollen.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Schenkel und die Wicklung einer wassergekühlten Drossel mit Kühlbarren ober- und unterhalb des Schenkelpakets. Wiederum sind bei der in Fig. 2 dargestellten Drossel 2 leicht voneinander abweichende Ausgestaltungen bekannter Drosseln gemeinsam dargestellt. Oberhalb und unterhalb des durch aufeinander geschichtete Eisenbleche gebildeten Kerns 120 sind Kühlbarren 30 angeordnet, durch die hindurch Kühlkanäle 35 führen, die zur Durchströmung mit einem Kühlmittel, beispielsweise Wasser, ausgestaltet sind. Die Wicklung 125 umschließt den Kern 120 und die Kühlbarren 30. Im linken Teil von Fig. 2 ist dargestellt, dass die Kühlbarren 30 durch eine sich durch den Kern 120 erstreckende Verschraubung 40 miteinander verbunden und fixiert sind. Eine Alternative zu der im linken Teil dargestellten Verschraubung stellt eine Verklebung dar, bei der sich eine Anordnung ergibt, wie sie im rechten Teil von Fig. 2 dargestellt ist. Im rechten Teil von Fig. 2 sind zudem im rechten Teil zusätzlich zu den oberhalb und unterhalb des Kerns angeordneten Kühlbarren 30 Kanalleisten 15 vorgesehen, deren Zweck es ist, die Wicklung 125 abzustützen. Bei DC-Anwendungen ist mit einem deutlichen Vorteil der flüssigkeitsgekühlten Drosseln zu rechnen, da keine Wirbelströme induziert und die Wicklungen gleichzeitig kompakter ausgeführt werden können, wodurch der ohmsche Widerstand sinkt.
Fig. 3 zeigt eine Illustration der Problemzonen, die bei der Verwendung ebener Kühlbarren bei einer Drossel auftreten, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, insbesondere entsprechend der Darstellung des rechten Teils von Fig. 2. Bei der bekannten Verwendung ebener Kühlbarren treten insbesondere drei Schwierigkeiten auf bzw. ergeben sich drei Nachteile. Im mit Bezugszeichen 45 bezeichneten Bereich liegt die Wicklung nicht optimal am Kühlkörper 30 an, womit sich ergibt, dass zum Wärmeübertrag von der Wicklung 125 auf den Kühlbarren 30 zum Teil eine Wärmeübertragung durch die Luft hindurch erfolgen muss, womit die Wärmekopplung zwischen der Wicklung 125 und dem Kühlbarren 30 gegenüber einer direkten Kon- taktierung deutlich verschlechtert wird. Zudem kann es bei der Führung der Wicklung um die Kanten des Kühlbarrens herum (Bezugszeichen 50) dazu kommen, dass die Kanten beim Vorgang des Wickeins, bei dem starke Kräfte auf die Wicklung ausgeübt werden, in die Isolierung der Wicklung einschneiden und diese beschädigen, wodurch es später zu Kurzschlüssen oder Verlustströmen kommen kann. Zudem besteht bei der Anordnung von Kanalleisten, wie sie hier vorgesehen wird, um die Wicklung gegenüber einem Zusammenfallen oder Einsacken abzustützen, das Problem der Fixierung der Kanalleisten (Bezugszeichen 55). Die Kanalleisten können insbesondere beim Wickeln, beim Transport oder beim späteren Betrieb verschoben werden, beispielsweise durch Vibrationen, womit es zu einem Führungsverlust für die Wicklung kommen kann, der zu einem unerwünschten Absacken der Wicklung führt. Zudem müssen bereits beim Vorgang des Wickeins besondere Anstrengungen unternommen werden, um die Kanalleisten an der gewünschten Position anzuordnen.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 3 und 4 dargestellten konventionellen Kühlbarren. Der Kühlbarren 60, der ebenfalls Kühlkanäle 35 aufweist, ist an seiner Außenseite, d.h. an der Seite, die im Einbauzustand dem Kern gegenüber liegt, mit Abschrägungen 65 versehen, die beispielsweise durch Abfräsen erzeugt werden können, um den negative Einfluss der Balligkeit der Wicklung (siehe obige Problemzone 45) zu reduzieren.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Schenkel einer Drossel, bei der vier Kühlbarren um den Kern gruppiert sind. Wie bereits weiter oben diskutiert, ist die Anordnung von Kühlbarren 30 lediglich oberhalb und unterhalb des Kerns 120 insofern unbefriedigend, dass insbesondere aus dem Mittelbereich des Kerns abzuführende Wärme einen vergleichsweise langen Weg zu den außen (d.h. oberhalb und unterhalb) angeordneten Kühlbarren 30, wie sie in den Figuren 2 und 3 gezeigt sind, zurücklegen muss. Die Wärmean- kopplung des Mittelbereichs des Kerns 120 wird in der in Fig. 5 dargestellten Anordnung dadurch verbessert, dass zusätzlich zu den unterhalb und oberhalb des Kerns 120 angeord- neten Kühlbarren 30 zusätzliche Kühlbarren 30 auf den Stirnflächen des Kerns 120 angeordnet sind, um auch seitlich Wärme aus dem Kern 120 abzuführen. Da zwar in der Regel zwischen den einzelnen Blechen des Kerns 120 Isolierungsmaterial vorgesehen ist, um Wirbelströme innerhalb des Kerns 120 zu reduzieren, die Stirnflächen des Kernpakets 120 allerdings normalerweise nicht isoliert sind, ist hierbei eine Isolationsschicht 70 zwischen den seitlichen Kühlbarren 30 und den Blechelementen des Kerns 120 vorzusehen, um einen Kurzschluss zwischen den Blechpaketen über den Kühlbarren 30 zu vermeiden. Nachteilig an der in Fig. 5 dargestellten Anordnung ist insbesondere, dass eine sichere Fixierung der seitlich angeordneten Kühlbarren 30 kaum möglich ist.
Fig. 6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Drossel mit erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Jeweils um einen Kern 120 der Drossel 105 sind vier erfindungsgemäße Kühlelemente 100 angeordnet, und zwar derart, dass ein erster Schenkel 135 und ein zweiter Schenkel 140 des Kühlelementes 100 eine Ecke bzw. Kante des Kerns 120 einschließen. Die erfindungsgemäßen Kühlelemente weisen jeweils eine Innenseite 115 und eine Außenseite 110 auf, wobei in der Darstellung von Fig. 6 die Innenseite der Kühlelemente 100 jeweils an den Außenflächen des Kerns 120 anliegt, und über die Außenseite 110 eine Wicklung 125 der Drossel 105 geführt wird. Die Kühlelemente 100 weisen in ihrem Inneren zwei Kanäle 130 auf, die in der Darstellung von Fig. 6 im Wesentlichen senkrecht zur Zeichnungsebene durch das Kühlelement 100 hindurchführen. Genauer ist einer der Kanäle 130 im ersten Schenkel 135 und der zweite der Kanäle 130 im zweiten Schenkel 140 angeordnet.
In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass auch abweichend von den in den Figuren dargestellten Ausführungsformen andere Anordnungen beispielsweise der Kanäle möglich sind. Zudem kann in Abhängigkeit von der gewünschten Kühlwirkung auch lediglich einer der hier in Fig. 6 dargestellten zwei Kanäle pro Kühlelement verwendet werden, wobei der zweite Kanal 130 damit lediglich die Funktion einer Aussparung annimmt, mit der insbesondere das Gewicht des Kühlelements reduziert wird.
Um die erfindungsgemäßen Kühlelemente 100 herum verläuft jeweils eine Wicklung 125 der Drossel 105, wobei die Kühlelemente 100 infolge der beim Wicklungsvorgang in die Wicklung 125 eingebrachten Zugspannung an den Kern 120 gepresst werden.
Zu einer entsprechenden Passung und damit verbundenen Kontaktierung zwischen dem Kern 120 und dem jeweiligen Kühlelement 100 weisen die in Fig. 6 dargestellten Kühlelemente 100 einen rechten Winkel zwischen dem ersten Schenkel 135 und den zweiten Schenkel 140 auf. In alternativen Ausgestaltungen kann allerdings ebenfalls vorgesehen sein, in Abhängigkeit von der Geometrie des Kerns von einem rechten Winkel abzuweichen.
Zudem kann auch bei einem wie in Fig. 6 dargestellten im wesentlichen quaderförmigen Kern vorgesehen sein, dass der Winkel zwischen dem ersten Schenkel 135 und dem zweiten Schenkel 140 kleiner als 90° ist, wobei bei einer Montage der Kühlelemente 100 mit einem derartigen gegenüber dem rechten Winkel, insbesondere geringfügig, verkleinertem Winkel ein Einklemmen des Kerns 120 im jeweiligen Kühlelement 100 und eine dementspre- chende Fixierung des Kühlelements 100 am Kern 120 erreicht werden kann.
Zudem ist nicht auszuschließen, dass eine (geringfügige) Vergrößerung des Winkels zwischen den Schenkeln 135, 140 des Kühlelements 100 über den rechten Winkel hinaus unter bestimmten Bedingungen von Vorteil sein kann.
An der Innenseite des ersten Schenkels 135 der jeweiligen Kühlelemente 100 ist jeweils eine Isolierschicht 185 vorgesehen, um eine elektrische Kontaktierung zwischen den Blechen des Kerns 120 und dem Kühlelement 100 zu vermeiden.
Die Kühlelemente 100 sind jeweils an einer Kante des Kerns 120 vorgesehen und werden insbesondere durch die Wicklung 125 gegenüber einer Bewegung entgegen der Wicklung gesichert. Mit den gegeneinander verwinkelten Schenkeln 135, 140 ist zudem ein Verrutschen der Kühlelemente in Richtung der Mitte der Ober- bzw. Unterseite bzw. der Mitte des Kerns ausgeschlossen.
Im Betrieb nehmen die Kühlelemente 100 durch die Innenseite 115 (bzw. durch die Isolierung 185 hindurch) Wärme aus dem Kern auf und leiten diese dem durch wenigstens einen Kanal eines Kühlelements strömenden Kühlmittels zu. Entsprechend nehmen die Kühlelemente 100 auch aus der umlaufenden Wicklung 125 durch die Außenseite 110, an der die Wicklung 125 entlangläuft, Wärme auf, um diese über das durch einen oder mehrere Kanäle 130 strömende Kühlmittel aus der Drossel 105 abzuführen.
Fig. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Drossel mit erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 7 dargestellte zweite Ausführungsform mit erfindungsgemäßen Kühlelementen 200 entspricht weitgehend der Ausführungsform, die in Fig. 6 dargestellt ist. Der wesentliche Unterschied der Kühlelemente 200 gemäß der zweiten Ausführungsform gegenüber den Kühlelementen 100 der ersten Ausführungsform besteht darin, dass die Kühlelemente 200 mit jeweils einem Kanalelement 165 und einem Trennelement 170 zweiteilig ausgestaltet sind. Das Trennelement 170 befindet sich zwischen dem Kanalelement 165 und der Kern 120 und erstreckt sich in der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform zudem wenigstens teilweise über das Kanalelement 165 hinaus am Kern 120 entlang. Wie auch das erfin- dungsgemäße Kühlelement der ersten Ausführungsform ist das Kanalelement 165 der zweiten Ausführungsform bevorzugt mittels eines Strangpressverfahrens aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wie beispielswiese AIMgSi hergestellt. Die Herstellung des Kühlelements bzw. zumindest des Kanalelements 165 aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung mittels eines Strangpressverfahrens stellt eine besonders kostengünstige Möglichkeit dar, die erfindungsgemäßen Kühlelemente bzw. Kanalelemente herzustellen. Das Vorsehen des Trennelements 170, das insbesondere als nichtmagnetisches Blechelement mit einer elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet ist, die geringer ist als die des Materials des Kanalelements 165, stellt eine Möglichkeit dar, ein besser an gewisse Leistungsdaten bzw. an bestimmte Bedingungen im Zusammenhang mit der Spule bzw. dem Transformator angepass- tes Kühlelement bereitzustellen. Ist beispielsweise das Kanalelement 165 aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung wie AIMgSi hergestellt, so kann in vorteilhafter Weise das Trennelement aus Zink oder einem nichtmetallischen Stahl hergestellt werden, womit der folgende Vorteil erreicht wird: Da das Trennelement aus Zink im Vergleich mit Aluminium eine geringere elektrische Leitfähigkeit bzw. dementsprechend einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, ergeben sich damit auch bei ansonsten gleichbleibenden Bedingungen geringere Wirbelströme und damit geringere Verluste der Drossel bzw. des Transformators, bei der ein erfindungsgemäßes Kühlelement, wie es beispielsweise in Fig. 7 gezeigt ist, verwendet wird. Eine entsprechende Reduktion der Wirbelströme ließe sich zwar auch dadurch erreichen, dass das Kühlelement vollständig aus einem Material wie Zink hergestellt würde, womit sich dann allerdings deutlich erhöhte Materialkosten, ein höheres Gewicht der Kühlelemente und Schwierigkeiten bei der Herstellung ergeben würden, da Zink nicht im Rahmen eines Strang pressprozesses verarbeitet werden kann. Das Vorsehen des Kanalelements, das damit weiterhin aus Aluminium oder eine Aluminiumlegierung besteht, erlaubt damit gegenüber einem vollständig aus Zink oder einem ähnlichen Material hergestellten Kühlelement ein geringeres Gewicht, geringere Kosten und ein einfacheres Herstellungsverfahren. Um einen gewünschten Wärmeübergang vom Kern 120 in das Kühlelement 200 zu erreichen, ist allerdings zu beachten, dass das Material des Trennelementes eine entsprechende Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Das Trennelement 170 erstreckt sich im Vergleich zum Kanalelement 165 über einen größeren Bereich des Kerns 120, so dass auch aus Bereichen, die dem Kanalelement 165 nicht direkt benachbart sind, Wärme aus dem Kern 120 mittels des Trennelements 170 abgeführt werden kann.
In der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform entspricht die Außengeometrie des Kühlelementes 200 - abgesehen von den sich weiter erstreckenden Trennelementen 170 - der Geometrie der Kühlelemente 100 aus der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform. Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform kann allerdings auch in einfacher Weise in die zweite Ausführungsform, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist, überführt werden, indem die Kühlelemente 100 aus Fig. 6 mit zusätzlichen Trennelementen entsprechend den Trennelementen 170 aus Fig. 7 versehen werden, so dass ein Kühlelement 100 aus Fig. 6 die Funktion eines Kanalelements 165 aus Fig. 7 übernehmen kann.
Fig. 8 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Anordnung mit einem Kern und erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 8 ist zu erkennen, dass die erfindungsgemäßen Kühlelemente 200 um den Kern 120 gruppiert sind und sich entlang des Kerns erstrecken. Zwischen den Kanalelementen 165 und dem Kern 120 sind die oben beschriebenen Trennelemente 170 angeordnet, wobei sich die Trennelemente ebenfalls in Längsrichtung über das Ausmaß der Kanalelemente 165 hinaus entlang dem Kern 120 erstrecken, um somit als „Wärmefinger" zu fungieren.
Die erfindungsgemäßen Kühlelemente 200 der zweiten Ausführungsform machen die bekannten Kanalleisten und Kanaleckleisten zur Abstützung der Wicklung überflüssig. Die im Profil ausgestalteten Kühlelemente können für nahezu jeden beliebigen Querschnitt des Kerns verwendet werden. Einerseits stellt die spezielle Geometrie der erfindungsgemäßen Kühlelemente eine Stabilisierung insbesondere der Position der Kühlelemente gegenüber dem Kern und entsprechend auch gegenüber der Wicklung dar, andererseits stabilisieren die erfindungsgemäßen Kühlelemente auch ihrerseits die aufeinandergeschichteten Eisenbleche des Kerns, wodurch sowohl die Montage als auch die Stabilität der erfindungsgemäßen Drossel bzw. des erfindungsgemäßen Transformators verbessert wird. Neben der erhöhten Stabilität wurde zudem gefunden, dass die Verlustwärme auch besser aus dem Kern und der Wicklung abgeführt wird. Das vorstehende gilt im Übrigen nicht nur für die zuvor beschriebene zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, sondern für die erfindungsgemäßen Kühlelemente und für die Erfindung als Ganzes.
Fig. 9 zeigt eine schematische Perspektivansicht der in Fig. 7 illustrierten Drossel entsprechend der Ansicht von Fig. 8. Die in Fig. 9 dargestellte einphasige Drossel 105 umfasst den Kern 120, um den jeweils an seinen Ecken die Kühlelemente 200 mit jeweils einem Kanalelement 165 und einem zwischen dem Kanalelement 165 und dem Kern 120 angeordneten Trennelement 170 vorgesehen sind. Die Kühlelemente 200 werden ihrerseits von der Wicklung 125 eingeschlossen. Die Darstellung von Fig. 9 entspricht somit weitgehend einer einsatzfähigen bzw. sich im Einsatz befindlichen Drossel 105, wobei lediglich der Übersichtlichkeit halber die Kontaktierungen der Wicklung und die Um- bzw. Abführung von Kühlmittel sowie weitere Zusatzelemente nicht dargestellt sind. Fig. 10 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäßen Drossel mit erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wiederum entspricht die Darstellung der Fig. 10 weitgehend der Darstellungen der Figuren 6 und 7, wobei Fig. 10 hier lediglich einen Teilausschnitt zeigt. Fig. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Form von modular aufgebauten Kühlelemente 300, die in ihrer Form so ausgestaltet sind, dass sie durch Ineinanderstecken miteinander verbunden werden können. Die einzelnen Teilkühlelemente 301 weisen jeweils einen Vorsprung 302 auf, der passend zur Aufnahme in eine Ausnehmung 303 eines weiteren Teilkühlelementes ausgestaltet ist. Die Teilkühlelemente 301 , die in Fig. 10 dargestellt sind, weisen mit Ausnahme eines Eckelementes jeweils einen Kanal 130 auf, der wahlweise als Aussparung zur Gewichtsreduktion oder als Durchleitung für Kühlmittel verwendet werden kann. Zusätzlich zu den Kanälen weisen die zusammengesteckten Teilkühlelemente zwischeneinander jeweils noch eine Aussparung 304 auf, die sich durch das Zusammenstecken der Teilkühlelemente ergibt und durch das Kühlelement 300 erstreckt. Der Vorspruch 302 und die Ausnehmung 303 sind dabei bevorzugt so ausgestaltet, dass die bei Ineinanderstecken auftretenden Reibungskräfte eine ausreichende Fixierung der Teilkühlelemente 301 gegeneinander gewährleisten. Ein besonderer Vorteil der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform liegt darin, dass durch Hinzufügen bzw. von Teilkühlelementen das erfindungsgemäße Kühlelement 300 an unterschiedliche Geometrien von Kernen bzw. Drosseln oder Transformatoren angepasst werden. Durch das Vorsehen von vorliegend im wesentlichen zwei unterschiedlichen Grundformen der Teilkühlelemente 301 werden die Herstellungskosten insofern reduziert, dass eine Anzahl von unterschiedlichen Formen für ein Strangpressverfahren zur Herstellung von erfindungsgemäßen Kühlelementen reduziert wird.
Die Figuren 11a und 11b zeigen jeweils schematische Perspektivansichten von erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 11a und 11b gezeigten Kühlelemente 300 unterscheiden sich einerseits von den Kühlelementen der zuvor diskutierten Ausführungsformen dadurch, dass sie im Gegensatz zu den vorherigen kreisrunden Kanalquerschnitten einen sechseckigen Querschnitt der Kanäle 330 aufweisen. Zudem sind die in Fig. 11a und Fig. 11b dargestellten Kühlelemente 300 durch Kombination von zwei Teilkühlelementen aufgebaut, wobei ein Teilkühlelement den ersten Schenkel 135 mit einem Kanal 330 bildet und ein weiteres Teilkühlelement durch den zweiten Schenkel 140 zusammen mit einem Übergangsstück dargestellt wird.
Das Vorsehen von Kanälen in Kühlelementen bzw. Kühlköpem als solches ist dem Fachmann wohl vertraut, so dass auf eine detaillierte Beschreibung zu den Einzelheiten der unterschiedlichen Kanäle bzw. unterschiedlichen Kanalausführungen verzichtet werden kann. Insbesondere die bekannten Möglichkeiten Kühlmittelkanäle, die sich wie insbesondere in Fig. 11a gezeigt in Längsrichtung durch das Kühlelement erstrecken, in Form einer einfachen Bohrung bzw. eines einfachen Kanals im Inneren des Kühlelements vorzusehen oder diese Kanäle durch Vorsehen von Rohren innerhalb entsprechender Ausnehmungen im Inneren des Kühlelementes zu realisieren, die insbesondere aus Kupfer oder Stahl hergestellt sind, gelten auch für die vorliegende Erfindung.
Fig. 12 zeigt einen schematischen Querschnitt durch zwei erfindungsgemäße Kühlelemente gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In Fig. 12 ist zu erkennen, dass die Innenseiten 110 des ersten Schenkels 135 und des zweiten Schenkels 140 miteinander einen Winkel 142 einschließen, der an die Geometrie des Kerns bzw. einer Wicklung angepasst sind, an den bzw. auf die das erfindungsgemäße Kühlelement aufgesetzt wird. Obgleich in den hier dargestellten Ausführungsformen der Winkel zwischen dem ersten und zweiten Schenkel im wesentlichen als rechter Winkel dargestellt ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Winkel beschränkt, der im wesentlichen einem rechten Winkel entspricht, insbesondere da Geometrien des Kerns möglich sind, die einen anderen Winkel zwischen dem ersten und zweiten Schenkel 135, 140 nötig machen. In der Darstellung von Fig. 12 ist zudem die Führungsfläche 145 zwischen dem ersten Schenkel 135 und dem zweiten Schenkel 140 zu erkennen, die in ihrer Krümmung derart ausgestaltet ist, dass sich eine möglichst optimale Kontaktierung und Führung zur Wicklung 125 ergibt.
Fig. 13 zeigt eine schematische Perspektivansicht von erfindungsgemäßen Kühlelementen gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 14 einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kühlelement gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Durch das Kühlelement 100 der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erstrecken sich drei Kühlkanäle 130, 330, wobei jeweils im ersten und zweiten Schenkel 135, 140 ein Kanal 130, 330 vorgesehen ist. Zudem ist in einem Mittelteil 172 zwischen dem ersten Schenkel 135 und dem zweiten Schenkel 140 ein weiterer Kanal 130, 330 vorgesehen, der mit den Kanälen 130, 330 des ersten und zweiten Schenkels 135, 140 in Verbindung steht. In einem Zuführbereich zu dem Kühlelement sind quer verlaufende Bohrungen 175 als Verbindungen zwischen den Kanälen vorgesehen, die jeweils mit Blindstopfen 180 gegen ein Auslaufen von Kühlmittel gesichert sind. Entsprechendes gilt für den Abführbereich. Zudem sind die in den Schenkeln vorgesehenen Kanäle 130, 330 ebenfalls mit Blindstopfen gegenüber einem Austreten von Kühlmittel abgesichert.
Durch eine derartige Verzweigung eines gemeinsamen Kühlmittelzulaufs und eines gemeinsamen Kühlmittelablaufs lässt sich mit geringerem Aufwand hinsichtlich einer Montage dennoch eine ausreichende und gewünschte Durchströmung des erfindungsgemäßen Kühlelementes mit Kühlmittel sicherstellen. Fig. 15 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kühlelement gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kühlelement 100 in Fig. 15 zeichnet sich beispielsweise gegenüber dem in Fig. 12 dargestellten Kühlelement dadurch aus, dass die Außenseite 110 und die Innenseite 115 der Schenkel 135, 140 nicht parallel zueinander verlaufen. Die Außenseite weist über ihren kompletten Bereich ausgehend von einem Ende 150 des ersten Schenkels zum Ende 155 des zweiten Schenkels eine Krümmung auf in der Art, dass eine Tangentenfläche am Ende 150 der Teilaußenfläche des ersten Schenkels 135 in einem Winkel zu einer zweiten Tangentenfläche am gegenüberliegenden Ende 155 der Talaußenfläche des zweiten Schenkels 140 einen Winkel aufweist, der größer ist als der Winkel der Teilinnenfläche an der Innenseite 110 des ersten und zweiten Schenkels 135, 140. Damit ist das erfindungsgemäße Kühlelement nicht auf Ausgestaltungen beschränkt, in denen die Wicklung nicht in einem Bereich auf das Kühlelement stößt, in dem die Wicklung parallel zu einer Kernfläche geführt wird.
Fig. 16 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Kühlelement gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kühlelement 100 gemäß der siebten Ausführungsform, die in Fig. 16 gezeigt ist, umfasst neben dem ersten Schenkel 135 und dem zweiten Schenkel 140, die jeweils mit einem Kanal 130 versehen sind, ein Verbindungselement 160, das verformbar ausgestaltet ist, so das der Winkel zwischen den Innenseiten 115 der Schenkel 135 und 140 durch eine Verformung des Verbindungselements 160 eingestellt werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Kühlelement (100, 200, 300) für eine Drossel (105) oder einen Transformator mit: einer Außenseite (110) und einer Innenseite (115), wobei die Innenseite zum Anliegen an einer Oberfläche eines Kerns (120) der Drossel (105) oder des Transformators oder einer Oberfläche einer ersten Wicklung (125) der Drossel (105) oder des Transformators vorgesehen ist, wobei das Kühlelement (100, 200, 300) ferner wenigstens einen entlang der Außen- und Innenseite (110, 115) verlaufenden Kanal (130, 330) aufweist, der zur Durchströmung mit einem Kühlmittel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (100, 200, 300) einen ersten und einen zweiten Schenkel (135, 140) aufweist, wobei eine dem ersten Schenkel (135) zugehörige erste Teilinnenfläche der Innenseite (115) und eine dem zweiten Schenkel (140) zugehörige zweite Teilinnenfläche der Innenseite (115) miteinander einen Winkel (142) zur Aufnahme des Kerns (120) oder der ersten Wicklung (125) einschließen.
2. Kühlelement (100, 200, 300) nach Anspruch 1 , wobei die Außenseite (110) des Kühlelements (100, 200, 300) als Auflagefläche für eine zweite Wicklung (125) der Drossel (105) oder des Transformators ausgestaltet ist.
3. Kühlelement (100, 200, 300) nach Anspruch 2, wobei eine dem ersten Schenkel (135) zugehörige erste Teilaußenfläche der Außenseite (110) und eine dem zweiten Schenkel (140) zugehörige zweite Teilaußenfläche der Außenseite (110) durch eine Führungsfläche (145) zur Führung der zweiten Wicklung (125) vom ersten Schenkel (135) zum zweiten Schenkel (140) verbunden sind, insbesondere durch eine gekrümmte Führungsfläche (145), wobei die Krümmung der Führungsfläche (145) insbesondere konstant ist.
4. Kühlelement (100, 200, 300) nach Anspruch 3, wobei die Außenseite (110) des Kühlelements (100, 200, 300) derart ausgestaltet ist, dass eine erste Tangentenfläche an einem der Führungsfläche (145) gegenüberliegenden Ende (150) der Teilaußenfläche des ersten Schenkels (135) und eine zweite Tangentenfläche an einem der Führungsfläche gegenüberliegenden Ende (155) der Teilaußenfläche des zweiten Schenkels (140) einander gegenüber der Führungsfläche in einem Winkel schneiden, der größer als der Winkel ist, den die Teilinnenflächen der Innenseite (110) einschließen.
5. Kühlelernent (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Schenkel (135) und der zweite Schenkel (140) miteinander durch ein Verbindungselement (160) verbunden sind, das zur Einstellung des Winkels zwischen der ersten Teilinnenfläche und der zweiten Teilinnenfläche verformbar, insbesondere verbiegbar, ausgestaltet ist.
6. Kühlelement (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Kanalelement (165), das den Kanal (130) aufweist, und einem ein- oder mehrstückigen Trennelement (170) zur Anordnung zwischen dem Kanalelement (165) und wenigstens einer Oberfläche des Kerns (120), wobei das Trennelement (170) insbesondere als nichtmagnetisches Blechelement mit einer elektrischen Leitfähigkeit ausgebildet ist, die geringer ist als die des Materials des Kanalelements (165), und eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer ist als die Wärmeleitfähigkeit von Luft, wobei das Trennelement bevorzugt eine Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 0,5 W/(rτvK), besonders bevorzugt von nicht weniger als 1/3 der Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kanalelements (165), aufweist.
7. Kühlelement (200) nach Anspruch 6, wobei das Trennelement (170) dazu ausgestaltet ist, sich im Einbauzustand über einen Kontaktbereich mit dem Kanalelement (165) hinaus entlang der Oberfläche des Kerns (120) zu erstrecken.
8. Kühlelement (100, 200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Vielzahl von entlang der Außen- und Innenseite verlaufenden Kanälen (130), die zur Durchströmung mit einem Kühlmittel vorgesehen sind, wobei wenigstens zwei der Kanäle (130) innerhalb des Kühlelements (100, 200, 300) miteinander verbunden sind.
9. Kühlelement (100, 200, 300) nach Anspruch 8, wobei das Kühlelement (100, 200, 300) einen Mittelteil (172) zwischen dem ersten und zweiten Schenkel (135, 140) aufweist und der erste Schenkel (135) einen ersten Kanal (130), der zweite Schenkel (140) einen zweiten Kanal (130) und der Mittelteil (172) einen dritten Kanal (130) aufweisen, wobei in einem Zuführbereich des dritten Kanals jeweils eine Verbindung (175) zum ersten und zweiten Kanal (130) und in einem Abführbereich des dritten Kanals (130) jeweils eine Verbindung zum ersten und zweiten Kanal (130) vorgesehen sind.
10. Kühlelement (100, 200, 300) nach Anspruch 9, wobei die Verbindung (175) im Zuführbereich und die Verbindung (175) im Abführbereich als Bohrungen (175) ausgestaltet sind, die teilweise durch das Kühlelement (100, 200, 300) führen und mit einem Blindstopfen (180) verschlossen sind.
11. Kühlelement (100, 200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Schenkel (135, 140) mit einer Isolierschicht zur elektrischen Isolierung (185) gegen-über einer Stirnseite des Kerns (120) versehen ist, insbesondere mit einer Isolierschicht (185) aus Isolierlack.
12. Kühlelement (300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kühlelement (300) wenigstens zwei Teilkühlelemente (301) aufweist, die insbesondere formschlüssig miteinander verbunden sind.
13. Kühlelement (300) nach Anspruch 12, wobei ein erstes Teilkühlelement (301) einen Vorsprung (302) und ein zweites Teilkühlelement (301 ) eine Ausnehmung (303) zur Aufnahme des Vorsprungs (302) aufweist, wobei das erste und zweite Teilkühlelement (301), die miteinander verbunden sind, zwischen sich eine sich zumindest teilweise durch das Kühlelement (300) erstreckende Aussparung (304) einschließen.
14. Drossel (105) oder Transformator mit einem Kühlelement (100, 200, 300) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das zwischen einem Kern (120) der Drossel (105) oder des Transformators und einer Wicklung (125) der Drossel oder des Transformators, insbesondere an einer Kante des Kerns, vorgesehen ist, insbesondere mit vier Kühlelementen (100, 200, 300), die an gegenüberliegenden Kanten des Kerns (120) vorgesehen sind.
PCT/EP2010/058853 2009-06-22 2010-06-22 Kühlelement für eine drossel oder einen transformator und drossel und transformator mit einem solchen kühlelement WO2010149671A1 (de)

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