EP2294591B1

EP2294591B1 - Wassergekühlte drossel

Info

Publication number: EP2294591B1
Application number: EP09753402.8A
Authority: EP
Inventors: Alexander Stoev
Original assignee: Woodward IDS Switzerland AG
Current assignee: Woodward Switzerland GmbH
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: CH698904A2; CN102047357A; WO2009143643A1; EP2294591A1; CN102047357B; US20110075368A1; US8462506B2

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Komponente (Drossel, Transformator) gemäss Patentanspruch 1, Verwendungen derselben gemäss den Patentansprüchen 9 und 10 sowie ein Verfahren gemäss Patentanspruch 11.
In stromrichtergespeisten Anlagen müssen für Glättungs- und Filterzwecke oft in erheblichem Umfang Drosseln eingesetzt werden, die hohe Verluste produzieren, schwierig zu kühlen sind und vergleichsweise hohe Gewichte und Volumina aufweisen. Dies ist besonders unangenehm, wenn solche Bauteile in Schränke eingebaut werden sollen.
Im unteren industriellen Leistungsbereich bis etwa 1MW Anlagenleistung werden induktive Leistungskomponenten aus Aufwandgründen oft natürlich, d.h. mit Umgebungsluft gekühlt, darüber meist mit forcierter Luftumwälzung. Dabei wird Luft z.B. durch besondere in der Wicklung ausgesparte Luftkanäle gedrückt. Durch diese Massnahmen steigt das Drosselgewicht und Volumen an, sowie ungünstigerweise auch der Kupferbedarf. Eine gute spezifische Kühlwirkung kann ausserdem nur durch Erhöhen der Wicklungstemperatur erreicht werden, was für die Einbauumgebung sehr störend ist.
Induktive Bauteile für Mittelfrequenzbetrieb, z.B. Transformatoren für induktive Erwärmungsanlagen, die im kHz-Bereich arbeiten, erzeugen hohe Verluste, die praktisch nur mittels Wasserkühlung abzuführen sind. Hier ist Stand der Technik, die Wicklung aus Rohren oder speziellen Hohlleitern zu bilden, wobei diese Rohre von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden. Da diese Kühlflüssigkeit das elektrische Potential des umgebenden Leiters aufweist, muss sie isolierend sein, z.B. bei Verwendung von Wasser muss das Wasser entionisiert werden. Aufbau und Kühlung sind bei direkter Leiterkühlung aufwendig und werden bei konventionellen Industrieanlagen deshalb kaum eingesetzt.
Nach dem Patentdokument DE 10 57 219 ist ein Mittel- und Hochfrequenztransformator bekannt, der geteilte oder ungeteilte Scheibenwicklungen aufweist, wobei abwechselnd primäre und sekundäre Scheibenspulen übereinandergeschichtet vorliegen. Die Scheibenwicklungen sind nur teilweise direkt mit Wasser, Öl oder einem gasförmigen Kühlmittel gekühlt, während die Verlustwärme in den übrigen Teilen durch Wärmeleitung an die direkt gekühlten Teile abgeführt wird. Die Sekundärwicklung weist einen Kühlkanal auf, in dem das Kühlmittel fliesst. Ein Nachteil dieser Anordnung ist, dass das Kühlmittel in direktem Kontakt zur Cu-Wicklung ist, was unerwünscht ist und vermieden werden soll. Patentanmeldung US 4 485 289 A offenbart einen Transformator mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bauform bzw. eine Technologie für magnetische Komponenten und deren Kühlung vorzuschlagen, mit der Folgendes erreicht wird:

Erhebliche Reduktion von Gewicht und Volumen um mindestens einen Faktor zwei;
insbesondere eine Reduktion des spezifischen Kupferanteiles für die Wicklung;
freie Wahl des Kühlmittels insbesondere die Möglichkeit einer Brauchwasserkühlung;
Betrieb der Wicklungen bei Oberflächentemperaturen bis 100 °C, wodurch sich die Komponente für einen Schrankeinbau eignet.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Prinzip einer einfachen, einphasigen Drossel
Fig. 1A: Seitenansicht zu Fig. 1
Fig. 1B: Draufsicht zu Fig. 1
Fig. 2: wassergekühlte dreiphasig ausgeführte Filter-Drossel für eine Stromrichteranlage
Fig. 2A: Seitenansicht zu Fig. 2
Fig. 2B: Draufsicht zu Fig. 2
Fig. 3: Geometrie des Flachkühlers
Fig. 3A: Seitenansicht zu Fig. 3
Fig. 3B: Draufsicht zu Fig. 3
Fig. 4: Windungpaket mit 8 Scheibenspulen
Fig. 4A: Seitenansicht zu Fig. 4
Fig. 4B: Draufsicht zu Fig. 4
Fig. 5: Seitenansicht einer erfindungsgemässen Komponente mit wassergekühltem Eisenkern.

Die Erfindung betrifft eine Bauform, bzw. eine Technologie für elektromagnetische Bauteile (Drosseln, Transformatoren), die aus einer oder mehreren scheibenförmigen Spulen bestehen mit unmittelbar anliegenden, elektrisch isolierten, plattenförmigen Kühlelementen, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.
Fig. 1 zeigt das Prinzip einer einfachen, einphasigen Drossel. Eine solche Drossel 10 besteht aus einem Kernblech-Paket 1 mit zwei Schenkeln 2, 2' und 2 Jochen 3, 3'. Die Schenkel tragen z.B. je 2 Spulen 4, 4', die als einlagige Scheibenspulen ausgebildet sind, dazwischen direkt anliegend liegt ein speziell ausgebildeter, beidseitig wirkender Flachkühler 5. Die Einlagigkeit der Scheibenspule bewirkt, dass jede einzelne Windung der Wicklung direkt mit einer Kühlfläche in Verbindung steht. Ein doppelseitiger Kühler kann pro Schenkel somit stets 2 Scheibenspulen kühlen, was sich besonders vorteilhaft erwiesen hat.
Fig. 1A und 1B zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht zu Fig. 1. Erkennbar sind die Joche 3, 3', die Spulen 4, 4', der Flachkühler 5, sowie der Schenkel 2 in Fig. 1B.
Der Flachkühler 5 muss isolierend ausgeführt sein. Dafür kann ein Kühler in Voll-Kunststofftechnik verwendet werden, wobei das Kühlmedium bzw. die Kühlflüssigkeit vollkommen von Kunststoff umgeben ist und die anliegenden Windungen elektrisch isoliert werden. Möglich ist auch die Verwendung eines Metallkühlers, der mit einer Isolierschicht versehen ist. Der Flachkühler 5 kann als mehrschichtige Metall-Konstruktion mit innenliegender Kühlstruktur und aussenliegender Kunststoffisolation ausgebildet sein, wobei diese Kunststoffschicht den Kühler vollständig umschliesst. Als Metalle eignen sich Aluminium und Stahl sowie deren Legierungen besonders gut. Es hat sich überraschernder Weise gezeigt, dass die Verwendung von rostfreiem, nichtmagnetischem Stahl besonders vorteilhaft ist, da dadurch die schädlichen und unerwünschten Wirbelstromverluste im Vergleich zu Aluminium um einen Faktor grösser als 4 herabgesetzt werden.
Zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Spulenscheibe (Scheibenspule) und angrenzender Oberfläche des Flachkühlers wird eine thermisch leitende Kunststofffolie geringer Härte und nachgiebigen bzw. nachgebenden Eigenschaften von einigen Zehntel mm Dicke eingesetzt. Damit der Wärmetransport maximiert werden kann, müssen die Wärmekontaktflächen planparallel und mit genügend Druck kontaktiert werden. Die beteiligten elektrischen Leiter- und Kühlerisolationen müssen eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Spannungsfestigkeit aufweisen. Diese Anforderungen können nurdurch sorgfältige Auswahl moderner Werkstoffe erfüllt werden, wie z.B. durch keramikgefüllte Polymere bzw. Kunststoffe allgemein.
Der Aufbau von Flachkühlern und Scheibenspulen weist in der Regel Luftspälte auf, in denen sich speziell ausgebildete Luftspalteinlagen befinden.
Die Spule kann auch mit der Kühleroberfläche elastisch und wärmeleitend verklebt werden.
Zur Verbesserung des Wärmetransportes von der Kühlflüssigkeit auf die Kühlfläche ist der Kühler inwendig zur Vergrösserung der Innenfläche strukturiert.
Die Anzahl der Flachkühler-Einheiten in einem Bauteil muss aus Aufwandsgründen möglichst niedrig gehalten werden. Im Beispiel gemäss Fig. 1 wird das dadurch erreicht, dass ein waagerecht durchgehender Flachkühler die Spulen beider Schenkel kühlt. Somit kühlt ein Kühler insgesamt 4 Spulen, in einer 3-phasigen Anordnung mit 3 Schenkeln sogar 6 Spulen. Damit werden externe Verbindungen und damit zusätzliches Anschlussmaterial für das Kühlmedium eingespart, da sich diese Verbindungen innerhalb des Flachkühlers befinden.

Ausführungsbeispiel:

Fig. 2 zeigt eine wassergekühlte Filter-Drossel für eine Stromrichteranlage. Anhand einer 3-phasig ausgeführten, wassergekühlten Filter-Drossel für eine Stromrichteranlage im Leistungsbereich 2 MW wird eine Ausführung der erfindungsgemässen Drossel mit insgesamt 24 Teilspulen beschrieben, die auf 8 Ebenen angeordnet sind.
Die Drossel besitzt einen Eisenkern mit 3 bewickelten Schenkeln 2, 2', 2". Jeder Schenkel besitzt in diesem Beispiel 8 einlagige Flachspulen 4, 4' (Scheiben). Zwischen jeweils 2 Spulenscheiben jedes Schenkels, die auf gleicher Einbauebene sitzen, ist ein Flachkühler 5 vorgesehen. Dieser Flachkühler ist somit 3-teilig und kühlt insgesamt 8 Spulen. Gesamthaft werden in dieser Anordnung 4 Flachkühler benötigt, wobei erfindungsgemäss jede einzelne Windung der gesamten Wicklung der Drossel mit einer Kühlerfläche in direktem Kontakt steht und so optimal gekühlt werden kann. Der gesamte Stapelaufbau wird über eine Pressvorrichtung 6 zusammengehalten, die den Anpressdruck zwischen Spulenscheiben und den Oberflächen der Flachkühler aufrecht erhält.
In diesem Beispiel sind alle Spulenscheiben, die zu einem Schenkel gehören, elektrisch in Serie geschaltet und werden somit vom gleichen elektrischen Strom durchflossen. Alternativ sind die Spulenscheiben parallel geschaltet. Die Kühlflüssigkeit wird dagegen zur Verbesserung der Kühlwirkung und zur Kleinhaltung des Druckabfalles über einen Wasserverteiler parallel in alle 4 Flachkühler ein- und ausgeleitet. Fig. 2A und 2B zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht zu Fig. 2. Erkennbar sind die Einlauf- bzw. Auslaufstutzen 7, 7' des Kühlmediums sowie die elektrischen Anschlüssen 8, 8' für das erste Windungspaket der drei Phasen.
Fig. 3 zeigt die Geometrie des Flachkühlers. Die Form ist S-förmig und besitzt damit 3 Aussparungen A, womit sichergestellt wird, dass der Kühler infolge der transformatorischen Kopplung nicht als Kurzschlusswindung arbeitet. In diesen Aussparungen können zudem die Serieverbindungen zwischen der jeweils über und der unter dem Flachkühler 5 liegenden Spulenscheiben verlaufen.
Die Flachkühler bestehen aus mehreren zusammengeschweissten Aluminium- oder Stahlplatten, die zusammen eine Dicke von weniger als 8 mm haben. Die mittleren, wasserführenden Platten in diesem Lagenaufbau sind zur Vergrösserung der Wärmeübergangsfläche mittels Noppen strukturiert.
Aus isolationstechnischen Gründen sind die Kühlerplatten durchgehend, d.h. gesamtflächig mit einer Isolierschicht von einigen Zehntel mm überzogen. Das verwendete Isoliermaterial hat eine hohe Isolationsfestigkeit bei ausreichender Wärmeleitfähigkeit und mechanischer Druckfestigkeit. Zur Vergleichmässigung des Auflagedruckes der Spulen auf die Kühlflächen sind letztere mit einer speziellen, relativ weichen, wärmeleitenden Kunststofffolie belegt, die ebenfalls eine Dicke von einigen Zehntel mm aufweist.
Fig. 3A und 3B zeigen die Seitenansicht und die Draufsicht zu Fig. 3. Erkennbar sind die Einlauf- bzw. Auslaufstutzen 9, 9' des Kühlmediums des Flachkühlers 5 sowie die Aussparungen A.
Die erwähnten 8 Spulen eines Schenkels können als Einzelspulen gewickelt werden und müssten dann alle einzeln - im Beispiel in Serie - geschaltet werden. Bei der ausgeführten Drossel wurden diese störenden Serieverbindungen durch eine spezielle Wickeltechnik vermieden. Dabei werden im Stapel übereinander liegende Spulen teilweise im Gegensinn gewickelt, wodurch jede zweite Serieverbindung ins Spuleninnere verlagert wird. Dadurch wird es möglich, die Serieverbindungen genau in die oben erwähnten Aussparungen des Flachkühlers zu legen.
Ein Flachkühler 5 kann mehrere Spulen 4, 4' einer Wicklungsanordnung tragen, z.B. jeweils 2 Spulen jeder Phase einer mehrphasigen Anordnung, wobei der Flachkühler durch die Formgebung und die Materialwahl so gestaltet ist, dass er möglichst geringe Wirbelstromverluste aufweist.
Vorteilhafterweise eignet sich als Flachkühlerisolation ein Kunststoff mit Füllung, wofür ein wärmeleitendes, isolierendes Metalloxid wie z.B. Aluminiumoxid oder ein Karbid zwischen 20 - 50% dem Kunststoff beigefügt wird.
Zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Spulenscheibe (Scheibenspule) und angrenzender Oberfläche des Flachkühlers kann eine thermisch leitende Kunststofffolie mit Dicken von 0,1 - 0,4 mm eingesetzt werden oder eine Verklebung mit einem wärmeleitenden Kleber.
Fig. 4 zeigt das Windungpaket 11 mit 8 Scheibenspulen. Fig. 4A und 4B die entsprechenden Seitenansicht bzw. Draufsicht. In Fig. 4A ist die einzelne Scheibenspule 4 mit ihrem nach aussen führenden Anschluss 12 dargestellt. Der innen liegende Anschluss 13 führt zur nächsten benachbarten Scheibenspule.
Die Scheibenspulen 4, 4' einer Phase bzw. eines Aufbaustapels werden so gewickelt, dass aussenliegende, im Bereich des Flachkühlers liegende Verbindungen vermieden werden und dass die innenliegenden Serieverbindungen 13 in die hierfür vorgesehenen Aussparungen der zugeordneten Kühlerplatte passen.
Die ausgeführte Drossel zeigt infolge der getroffenen Kühlmassnahmen sowohl eine Gewichtsreduktion, als auch eine Volumenreduktion um etwa Faktor 2,5 gegenüber einer forciert luftgekühlten Drossel gleicher Bauleistung und konventioneller Bauart mit röhrenförmiger Lagenwicklung.
Es ist grundsätzlich möglich, die erfindungsgemässe Kühlanordnung auch bei anderen elektromagnetischen Komponenten anzuwenden, wie etwa bei eisenlosen Drosseln und Transformatoren im Allgemeinen und im Besonderen bei Mittelfrequenztransformatoren.
Fig. 5 zeigt die Seitenansicht einer erfindungsgemässen Komponente mit wassergekühltem Eisenkern. Erkennbar sind wiederum das aus einem Eisenkern bestehende Joch 3, die Scheibenspulen 4, 4' und der Flachkühler 5. Auf beiden Seiten des Joches 3 sind zwei Metallplatten 14, 14' vorzugsweise Aluminiumplatten angebracht, die jede endseitig aufgeschweisste Rohre 16, vorzugsweise Aluminiumrohre aufweist. Durch die Rohre 16 wird nun ebenfalls das Kühlmedium geleitet, wodurch der Eisenkern zusätzlich effizient gekühlt wird. Sinnvollerweise, aber nicht zwingend, handelt es sich um das gleiche Kühlmedium wie für die Scheibenspulen. Vorteilhafterweise, aber nicht zwingend wird das Kühlmedium zuerst durch die Scheibenspulen geführt und danach noch durch die Rohre 16. Durch eine derartige Kombination der Kühlung des Kupfers und des Eisens mit einem einzigen Kühlmedium ergibt sich ein überaus effizienter Kühlkreislauf bzw. eine überaus effiziente Kühlung der Komponente.
Ein Verfahren zur Herstellung der Komponente zeichnet sich dadurch aus, dass der Flachkühler 5 mit der Scheibenspule 4 wärmeleitend verklebt wird. Dadurch bilden der Flachkühler und die Scheibenspule eine modulare Einheit.
Verwendungen finden derartige Komponenten in wassergekühlten Stromrichteranlagen und in Mittelfrequenzanlagen, insbesondere zur induktiven Erwärmung.

Claims

Flüssigkeitsgekühlte elektromagnetische Komponente, insbesondere Drossel oder Transformator, bestehend aus mehreren scheibenförmigen Spulen mit einer oder mehreren Windungen und dazwischen liegenden Flachkühlern, wobei mindestens 2 Scheibenspulen (4, 4') einem Flachkühler (5) zugeordnet sind, wobei jede Scheibenspule Wicklungselemente in Form von Windungen der Spule aufweist, von denen sich jede über eine wärmeleitende Isolierschicht in direktem thermischen Kontakt zu den Oberflächen der Flachkühler befindet, wobei zur Kühlung ein Kühlmedium vorgesehen ist, das durch die Isolierschicht vom Wicklungselement potentialgetrennt ist, und wobei als Flachkühler (5) eine mehrschichtige Metall-Konstruktion mit Innenliegender Kühlstruktur und aussenliegender Kunststoffisolation verwendet wird, wobei diese Kunststoffschicht den Kühler vollständig umschliesst, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Konstruktion aus rostfreiem, nichtmagnelischem Stahl besteht.
Komponente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff eine Füllung enthält, die den thermischen Leitwert verbessert.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung des Wärmeüberganges zwischen Spulenscheibe (Scheibenspule) und angrenzender Oberfläche des Flachkühlers eine thermisch leitende Kunststofffolie geringer Härte und nachgiebigen bzw. nachgebenden Eigenschaften von einigen Zehntel mm Dicke eingesetzt wird.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenspulen (4, 4') einer Wicklungsanordnung durch eine mechanische Pressanordnung (6) zu engem Kontakt mit den Oberflächen des Flachkühlers (5) gezwungen werden.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenspulen (4, 4') direkt mit der Kühleroberfläche wärmeleitend verklebt vorliegen.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibenspulen (4, 4') einer Phase bzw. eines Aufbaustapels so gewickelt werden, dass aussenliegende, im Bereich des Flachkühlers liegende Verbindungen vermieden werden und die innenliegenden Serienverbindungen (13) in die hierfür vorgesehenen Aussparungen einer zugeordneten Kühlerplatte passen.
Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Joch (3) mit Metallplatten (14, 14'), vorzugsweise Aluminiumplatten umgeben ist, die endseitig aufgeschweisste Metallrohre (16), vorzugsweise Aluminiumrohre aufweisen, und dass durch die Metallrohre das gleiche oder ein verschiedenes Kühlmedium geleitet wird, wodurch sich eine effiziente Kühlung von Kupfer und Eisen ergibt.
Komponente nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium zuerst den Flachkühler (5) passiert und erst danach die Metallrohre (16).
Verwendung der Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 8 in wassergekühlten Stromrichteranlagen.
Verwendung der Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 8 in Mittelfrequenzanlagen insbesondere zur induktiven Erwärmung.
Verfahren zur Herstellung der Komponente nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Flachkühler (5) mit der Scheibenspule (4) wärmeleitend verklebt wird und dass dadurch eine modulare Einheit gebildet wird.