DE19814897C2 - Induktives Bauelement für hohe Leistungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Übertragung von hohen Leistungen mittels induktiver Bauelemente entsteht aufgrund von Verlusten Wärme. Die über­ tragbare Leistung kann beträchtlich erhöht werden, wenn die Wärmeleitung von den wärmeerzeugenden Gebieten hin zu den ge­ kühlten Gebieten verbessert werden kann. Beispielsweise in Schaltnetzteilen, die üblicherweise mit einer Frequenz von mehr als 1 kHz betrieben werden, kann bei einer bestimmten übertragbaren Leistung eine Reduktion des Volumens des Über­ tragers durch eine verbesserte Wärmeabfuhr erreicht werden. Es ist prinzipiell möglich, die übertragbare Leistung bei gleichem Volumen zu erhöhen, indem die Arbeitsfrequenz ange­ hoben wird, jedoch ergeben sich bei hohen Frequenzen neben den Verlusten im Magnetkern zusätzliche Verluste in den zur Zerhackung verwendeten Halbleiterbausteinen. Eine Erhöhung des Volumens des Bauelements ist in der Regel zumindest dann nicht möglich, wenn das induktive Bauelement auf engem Raum eingesetzt werden muß. Für diese Anwendungen, bei denen es auf eine hohe übertragbare Leistung bei möglichst geringem Volumen ankommt, werden als Magnetkerne Ringbandkerne auf Ba­ sis von nanokristallinen oder amorphen Legierungen einge­ setzt. Derartige Magnetkerne weisen weitaus niedrigere Umma­ gnetisierungsverluste auf, als herkömmliche Kerne.

Aus der DE-OS 23 54 980 ist ein Transformator mit ringförmi­ gem Spulenkern bekannt, dessen Innenraum mit Hilfe eines ge­ schlossenen Kühlkreislaufs gekühlt wird. Die Rohre des Kühl­ kreislaufs sind dabei in Nähe des ringförmigen Spulenkerns angeordnet, um die Wärme möglichst in der Nähe ihres Entste­ hungsortes abzuführen.

Ein Nachteil des bekannten Transformators ist, daß bei hohen Betriebsfrequenzen Wirbelströme in den Kühlrohren entstehen können. Bei hohen Betriebsfrequenzen erhöht sich daher die Verlustleistung des Transformators.

Ein Übertrager für elektrische Energie, bestehend aus einem Gehäuse und einem mit Wicklungen umgebenen Ringkern aus einer nanokristallinen oder amorphen Legierung, wobei der bewic­ kelte Ringkern innerhalb des Gehäuses mit Gießharz vergossen ist, wird weiter in der DE 94 06 996 U1 beschrieben. Das Gehäuse besteht aus einem gut wärmeleitenden Metall, welches einen mit dem Gehäuseboden fest verbundenen massiven Mittelsteg aufweist, der in die Mittelöffnung des Übertragers hin­ einragt. Mit Hilfe des massiven Mittelsteges soll eine Ver­ besserung der Wärmeableitung zum Gehäuse erreicht werden.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein auf wirksame Weise gekühltes induk­ tives Bauelement zu schaffen, das sich für den Einsatz bei einer Betriebsfrequenz oberhalb von 1 kHz eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein induktives Bau­ element mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bekannte mit ei­ nem Gießharz vergossene Leistungsübertrager durch die Ver­ wendung einer als "Heatpipe" bekannten Kühlröhre noch weiter verbessert werden können. Unter einer Heatpipe wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein gasdicht abgeschlossener stabför­ miger oder rohrförmiger, einen Hohlraum aufweisender Metall­ körper verstanden, welcher mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.

In einem bestimmten Temperaturbereich kann mit einer Heatpipe eine wesentlich größere Wärmemenge transportiert werden (pro Zeiteinheit), als mit den besten wärmeleitenden Metallen, wie etwa Cu oder Ag. So weist Silber als bestes wärmeleitendes Metall beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 410 W/(mK) auf; die Wärmeleitfähigkeit einer Heatpipe kann bis zu einem Faktor 1000 höher sein.

Heatpipes sind beispielsweise aus der DE-A-20 15 518 bekannt. Bei den beschriebenen Heatpipes handelt es sich um Gefäße, die eine Arbeitsflüssigkeit enthalten. Die Kühlwirkung wird dadurch erreicht, daß im Bereich mit hoher Temperatur das Kühlmittel von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht und im Bereich niedriger Temperatur das Kühlmittel kon­ densiert, so daß die aufgenommene Wärme an die Umgebung abge­ geben wird. Als Kühlmittel kann Wasser verwendet werden, was aufgrund der hohen Verdampfungsenthalpie des Wassers vor­ teilhaft ist. Auf diese Weise können erhebliche Mengen an Wärmeenergie pro Volumeneinheit transportiert werden. Der Rückfluß des Arbeitsmittels vom Bereich tiefer Temperatur zum erwärmten Bereich läßt ohne eine aktive Pumpvorrichtung mit Hilfe einer kapillaren Struktur, welche beispielsweise durch einen Docht gebildet werden kann, bewerkstelligen. D. h., daß die Kapillarkräfte ausreichen, für einen Rückfluß des Kühl­ mittels zur heißen Zone zu sorgen.

Die Druckschrift betrifft ferner die Anwendung solcher Heat­ pipes in Lasern und elektrischen Bauelementen, wie Gleich­ richtern oder Transistoren. Die Verwendung des Kühlelements in einem Übertrager wird nicht offenbart.

Weitere erfindungsgemäß einsetzbare Heatpipes sind auch aus der EP-A-0 498 897 bekannt. In dieser Schrift sind die Heat­ pipes hohle Drähte, für die verschiedene Verbindungsvarianten beschrieben sind. Die Verbindungsvarianten sollen eine Ver­ besserung der Wärmeableitung an den Verbindungspunkten ermög­ lichen. Obwohl in dieser Schrift die prinzipielle Möglichkeit der Verwendung von Heatpipes in Transformatoren beschrieben ist, wird keine konkrete Anordnung für einen vergossenen Übertrager entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 offen­ bart. Die in Fig. 3 dargestellte Skizze eines Transformators weist eine Hoch- und Niederspannungswicklung auf, wobei der Kern aus Eisen besteht und der Transformator in offener, d. h. in nicht vergossener Bauweise, ausgeführt ist. Gemäß der besagten Figur ist der Eisenkern stabförmig ausgebildet und innerhalb eines Spulenkörpers (Haspel) angeordnet. Auf dem Spulenkörper befindet sich auf der Hochspannungsseite eine Primärwicklung, auf der Niedrig-Volt-Seite ein hohler Draht, welcher über die Hochspannungswicklung gewickelt ist.

Das hochpermeable Material des Kerns kann ein üblicherweise für Leistungsübertrager eingesetztes Material sein, wie bei­ spielsweise Ferrite, oder übliche weichmagnetische kristalli­ ne, nanokristalline oder amorphe Legierungen. Vorzugsweise werden weichmagnetische Materialien mit niedrigen Ummagneti­ sierungsverlusten eingesetzt, insbesondere nanokristalline oder amorphe weichmagnetische Legierungen. Besonders bevor­ zugt sind solche weichmagnetischen amorphen oder nanokristal­ linen Legierungen, welche eine niedrige Magnetostriktion zei­ gen. Vorzugsweise sind diese Legierungen so temperaturbehan­ delt, daß die Magnetisierungskurve die Form einer F-Schleife hat. Ein Beispiel für einen erfindungsgemäß einsetzbaren Kern aus einer amorphen Legierung ist VITROVAC 6030 F (Vacuum­ schmelze GmbH). Als nanokristalliner Kern kann beispielsweise das Material VITROPERM 500 F eingesetzt werden. Die Sätti­ gungsinduktion der Kerne liegt vorzugsweise bei mindestens 0,7 T. Die Ummagnetisierungsverluste liegen bevorzugt unter­ halb 150 mW/g bei 100 kHz und 0,3 T.

Das induktive Bauelement enthält vorzugsweise einen Ringband­ kern der vorstehend genannten Art. Es ist jedoch für beson­ ders hohe zu übertragende Leistungen auch möglich, daß mehre­ re Ringbandkerne innerhalb des induktiven Bauelementes ent­ halten sind oder das Schnittbandkerne eingesetzt werden.

Innerhalb der vom Magnetkern umschlossenen Fläche befindet sich vorzugsweise eine zur Rotationssymmetrieachse des Kerns ausgerichtete Heatpipe (5). Der Durchmesser der enthaltenen Heatpipe beträgt vorzugsweise 2 bis 10 mm.

Zwischen Kern und der Heatpipe ist vorzugsweise ein Ring aus einem gut wärmeleitendem Material angeordnet.

Vorzugsweise durchdringt die Heatpipe (5) auf einer ebenen Seite des Metallgehäuses das Metallgehäuse. Sie schließt dann ebenflächig mit dieser Gehäuseebene ab.

Die Primär- und Sekundärwicklung kann auf dem Kern ist derart aufgebracht werden, daß die Primär- und Sekundärwicklungen räumlich voneinander getrennt (in Sektoren) sind und sich ge­ genseitig nicht überlappen. Vorzugsweise werden die Wicklun­ gen so aufgebracht, daß sie übereinander liegen.

Vorzugsweise sind die Kerne und die enthaltene Heatpipe auf den der Wicklung zugewandten Oberflächen mit einer Isolati­ onsschicht bedeckt. Diese isolierende Beschichtung oder auch Fixierung bedeckt den Kern und kann die Heatpipe zumindest teilweise auch mitüberdecken. Dies vereinfacht den Arbeitsab­ lauf bei der Herstellung und führt zu einer zusätzlichen Iso­ lation der Heatpipe gegenüber den Wicklungen.

Als Gießharz läßt sich ein beliebiges gießfähiges Material mit einer Isolationswirkung einsetzen. Beispiele für geeigne­ te Harze sind übliche thermoplastische Materialien, wie Poly­ ester oder ähnliches, oder vernetzende Klebstoffe, wie etwa Epoxydharze oder Phenolharze. Es ist zweckmäßig, wenn dem Harz eine die Wärmeleitfähigkeit verbessernde Substanz zuge­ geben wird. Derartige Substanzen sind im Stand der Technik üblich. Besonders geeignet sind daher Gießharze, die eine Wärmeleitfähigkeit von 6 bis 10 mW/cm.K aufweisen.

Bei dem induktiven Bauelement gemäß der vorliegenden Erfin­ dung handelt es sich vorzugsweise um einen Leistungsübertra­ ger.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen induktiven Bauelementes ist, daß durch die Verwendung einer Gießmasse und der damit hervorgerufenen optimierten Kopplung eine hohe Wärmeleitung vom Kern und von den Wicklungen zur Heatpipe und zum gekühl­ ten Gehäuse gewährleistet ist.

Durch das Eingießen des Spulenkörpers in ein Gehäuse ist es möglich, das erfindungsgemäße induktive Bauelement auf beson­ ders einfache Weise an einen Kühlkörper zu montieren. Insbe­ sondere durch die in den Gehäuseboden hineingehende und plan mit dem Gehäuseboden abschließende Heatpipe wird ein verbes­ serter Wärmeübergang zu ggf. außen angebrachten Kühlelementen erreicht.

Die übertragbare Leistung richtet sich nach der Dimensionie­ rung des induktiven Bauelementes. Vorzugsweise liegt die übertragbare Leistung in einem Bereich von 100 W bis 1000 kW, insbesondere 2 bis 40 kW, gemessen bei 20 kHz. Das Volumen des induktiven Bauelementes beträgt vorzugsweise 100 bis 10000 cm³.

Die Betriebsfrequenz des induktiven Bauelementes ist unter anderem durch die Verluste in den zur Zerhackung verwendeten Halbleiterelementen nach oben hin beschränkt. Als Betriebs­ frequenz ist ein Bereich von 1 bis 500 kHz üblich. Besonders bevorzugt ist eine Arbeitsfrequenz von 10 bis 100 kHz.

Anhand der Fig. 1 wird nun die vorliegende Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Übertrager in einem Schnitt parallel zur Rotationsachse.

Gemäß Fig. 1 befindet sich im erfindungsgemäßen Übertrager ein weichmagnetischer Kern 3, beispielsweise aus einer nano­ kristallinen Legierung der Bezeichnung ®Vitroperm (Vacuum­ schmelze GmbH) mit Wicklung 4. Der Kern des Übertragers be­ steht aus einem gewickelten Band. Mit einem Gießharz 2 sind die übrigen im Gehäuse 1 befindlichen Leerräume vergossen. Im Inneren des rotationssymmetrischen Kerns befindet sich eine Heatpipe 5, welche in den Gehäuseboden 7 hineinragt und eben mit diesem abschließt. Dabei ist es zweckmäßig, das Gehäuse aus Aluminium auszuführen. Bei der eingesetzten Gießmasse handelt es sich um ein Harz, welches in Bezug auf die Wärme­ leitfähigkeit optimiert ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Gieß­ harzes liegt vorzugsweise in einem Bereich von 6 bis 10 mW/cm.K. Im Betrieb des Übertragers von Fig. 1 ergibt sich ein Temperaturgradient über der Heatpipe von weniger als 2°C. Der Durchmesser der Heatpipe beträgt 5 mm. Der Außendurchmesser des Gehäuses ist 150 mm und die Höhe 130 mm.

Das induktive Bauelement läßt sich vorteilhaft für getaktete Stromversorgungen verwenden.

Weiterhin ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen indukti­ ven Bauelements als Drossel möglich.

Claims (11)

1. Induktives Bauelement für hohe Leistungen, welches in ei­ nem Frequenzbereich oberhalb 1 kHz arbeitet, umfassend ei­ nen Ringbandkern (3), aus im wesentlichen einem weichma­ gnetischen Material mit geringen Ummagnetisierungsverlu­ sten bei hoher Sättigungsinduktion, wobei der Ringbandkern in sich geschlossen ist, und der mit einer Wicklung verse­ hene Kern sich in einem Metallgehäuse befindet, und die innerhalb des Gehäuses befindlichen Zwischenräume mit ei­ ner Gießmasse gefüllt sind, wobei der in sich geschlossene Kern durch eine Heatpipe (5) gekühlt wird und sich die Heatpipe (5) innerhalb der vom Kern umschlossenen Fläche befindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der stabförmigen Heatpipe (5) entlang der Rotationssymmetrie-Achse des geschlossenen Kerns ver­ läuft.

2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochpermeable Material des Kerns aus einer nano­ kristallinen oder amorphen Legierung mit einer Sättigungs­ induktion von mindestens 0,7 T und mit Ummagnetisierungs­ verlusten von weniger als 150 mW/g bei 100 kHz und 0,3 T besteht.

3. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kern und der Heatpipe ein Ring aus einem gut wärmeleitenden Material (6) angeordnet ist.

4. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heatpipe (5) auf einer ebenen Seite des Metallge­ häuses das Metallgehäuse durchdringt und ebenflächig mit dieser Gehäuseebene abschließt.

5. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und Sekundärwicklung auf dem Kern derart aufgebracht ist, daß die Primär- und Sekundärwicklungen räumlich voneinander getrennt sind und sich gegenseitig nicht überlappen.

6. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne und die enthaltene Heatpipe auf den der Wicklung zugewandten Oberflächen mit einer Isolations­ schicht bedeckt sind.

7. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der enthaltenen Heatpipe 2 bis 10 mm beträgt.

8. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießharz eine Wärmeleitfähigkeit von 6 bis 10 mW/cm.K aufweist.

9. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Bauelement ein Leistungsübertrager ist.

10. Verwendung des induktiven Bauelements nach Anspruch 1 für getaktete Stromversorgungen.

11. Verwendung des induktiven Bauelements nach Anspruch 1 als Drossel.