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WO2010149673A1 - Kühlkörper für eine drossel oder einen transformator und drossel und transformator mit einem solchen kühlkörper - Google Patents

Kühlkörper für eine drossel oder einen transformator und drossel und transformator mit einem solchen kühlkörper Download PDF

Info

Publication number
WO2010149673A1
WO2010149673A1 PCT/EP2010/058855 EP2010058855W WO2010149673A1 WO 2010149673 A1 WO2010149673 A1 WO 2010149673A1 EP 2010058855 W EP2010058855 W EP 2010058855W WO 2010149673 A1 WO2010149673 A1 WO 2010149673A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
heat sink
recess
cooling
transformer
core
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/058855
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Harling
Marc Bröske
Holger Gerlach
Original Assignee
Mdexx Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mdexx Gmbh filed Critical Mdexx Gmbh
Publication of WO2010149673A1 publication Critical patent/WO2010149673A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/22—Cooling by heat conduction through solid or powdered fillings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F3/00—Cores, Yokes, or armatures
    • H01F3/10—Composite arrangements of magnetic circuits
    • H01F3/14—Constrictions; Gaps, e.g. air-gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H01F27/16—Water cooling

Definitions

  • the present invention relates to a heat sink for a reactor or a transformer, wherein the heat sink has a cooling contact side for heat coupling to a core of the throttle or the transformer, and a choke and a transformer with such a heat sink.
  • An important criterion for the performance of, for example, an electromagnetic throttle (or a transformer) represents the dissipation of the resulting power loss during operation.
  • the power loss results from hysteresis and eddy current losses in the iron sheet of the core of the inductor, but also by winding losses and eddy current losses (additional losses) winding.
  • the power loss Via convection and radiation, the power loss is dissipated in the form of heat to the environment, which can be heated up considerably.
  • An increase in the ambient temperature generally leads to an increase in the thermal load and load for the throttle itself, which also applies to neighboring equipment.
  • higher losses as well as accelerated aging threaten. It can lead to the failure of the throttle or neighboring components.
  • an increase in the ambient temperature can increase the risk of fire.
  • a flowing through the throttle coolant transports the resulting power loss out of the throttle and, for example via a hose connection to a heat exchanger system where the heat can be targeted and controlled in a non-critical environment.
  • cooling liquids such as water or water-glycol-ethylene mixtures compared to a much higher heat capacity and thermal conductivity, a considerably higher amount of heat energy can be dissipated via a liquid cooling. This allows a higher stress on the throttle components. Since a higher power loss can be removed, for example, the iron core of the choke can be made much more compact, resulting in a higher magnetic flux density results, which, however, can also lead to higher Ummagnetmaschinesbuchen. However, this can save a huge amount of material and the dimensions and weight of the throttle can be greatly reduced.
  • connection of the liquid cooling to the throttle or the transformer is usually accomplished via pipes and / or bores, which run through solid metal body. Since metals have very good thermal conductivity and high heat capacity, they are a preferred coupling to other components of the reactor or transformer, in particular to the winding or the iron core package.
  • massive aluminum ingots or also AIMgSi compounds
  • AIMgSi compounds are often used, which are interspersed with a plurality of cooling channels, through which the cooling liquid can flow. These are then usually positioned in and around the vicinity of the iron core of the throttle. Thus, at the same time losses can be discharged from the core and from the iron core and the cooling bars rotating winding to the cooling medium.
  • Chokes in the magnetic main circuit sometimes require a considerable air gap width in order to achieve a required inductance can. Particularly in the area around an air gap stray fields occur, which bring additional losses. So far, these stray fields are sometimes minimized by dividing the iron circle in the area of the legs into several individual air gaps.
  • this object is addressed with a heat sink according to the invention for a choke or a transformer, wherein the heat sink has a cooling contact side for heat coupling to a core of the inductor or the transformer, wherein the heat sink is provided on the cooling contact side with at least one recess and / or a blocking region comprising a material whose electrical conductivity is lower than that of the heat sink material outside the stopband.
  • the object is further addressed with a choke and a transformer with such a heat sink.
  • Quantity u.U. a significant proportion of the total losses can be caused by eddy currents within the cooling bars. This leads to a reduction in the efficiency of the throttle and a higher load on the cooling system, since these additional losses must be dissipated via a higher flow rate, or via a higher pressure. In contrast, with the present invention, the efficiency of the throttle is increased in this regard as the losses in the cooling bars decrease.
  • the cooling system to be connected can be dimensioned considerably smaller, since less heat is dissipated with the reduced power losses.
  • the throttle or the transformer can now be made even more compact, which can be saved considerable material costs, as well as construction weight.
  • the invention is based on the insight that in comparison to the formerly solid and only with cooling channels or cooling tubes through the cooling bars in a heat sink, which has recesses or grooves on one of the air gaps of the legs facing side of the heat sink, for example, milled or are drilled or has a stopband, which allows only lower eddy currents due to its lower electrical conductivity, significantly lower losses occur.
  • the blocking region can in this case be realized, in particular, by filling one or more recesses with a material which is less electrically conductive or even insulating.
  • a desired thermal coupling of the heat sink is achieved in the case of recesses (regardless of whether filled or not) by the region in direct contact with the core between the recesses.
  • the blocking region can also fill the entire area between a cooling block with the cooling channels for dissipating heat and the core, for example in the form of a sheet or laminated core arranged between the cooling block and the core, the material of which has a greater resistance compared to the material of the cooling block having eddy currents, wherein the desired thermal coupling is adjusted by a corresponding thermal conductivity of the stopband.
  • the recesses or grooves preferably run parallel over the air gaps.
  • the recesses or grooves can also have the same width as the air gaps in the leg packets. It has also been found that eddy current losses can be further reduced if the recesses have a width which is greater than that of the air gaps. However, it has also been found that even recesses, grooves or restricted areas that do not run parallel to the air gaps, for example, transversely to this, lead to positive results. It is believed that a recess serves as an obstacle to the propagation of eddy currents within the heat sink.
  • the recess and / or the blocking region are arranged so that their position in an installed state of the heat sink in the throttle or the transformer are aligned with an air gap of the core.
  • the recess and / or the blocking region are configured such that they extend along the air gap in the installed state, in particular over an entire width or length of the cooling body.
  • the greatest possible reduction in losses caused by the introduction of eddy currents in the heat sink can be achieved by a continuous withdrawal of the heat sink relative to the air gap or the core.
  • the recess and / or the blocking region comprise a plurality of mutually separate partial recesses or partial blocking regions, which are each arranged in a row, in particular such that the row extends in the installed state along the air gap.
  • the provision of separate Operaaus strictly ausbrookept is disadvantageous in that in the arranged close to the air gap or the core areas in which no recess is provided, the losses discussed - albeit on the heat sink as a whole reduced - still can occur.
  • this disadvantage can sometimes be accepted if, for example, the stability of the heat sink as a whole makes it desirable to leave partial reinforcements in the region of the recess.
  • a larger desired diameter of a coolant channel leading inside the heat sink can be adjusted when the channel passes through the area between the partial recesses.
  • the blocking region comprises a recess of the heat sink, in which the material is provided whose electrical conductivity is lower than that of the heat sink material outside the blocking region, wherein the recess is in particular at least partially filled with an electrical insulator.
  • the recess provided in the cooling body is provided with a material which is less electrically conductive or even electrically insulating in comparison with the surrounding material of the cooling body, improved heat transfer from the core to the cooling body can result for a corresponding filling material in comparison with an unfilled recess. because the filling material also contributes to heat dissipation.
  • the heat sink is designed in one piece.
  • a one-piece design of the heat sink allows by reducing the number of components to be handled a simple and therefore cost-effective installation, which is also less error prone.
  • An inventively and integrally madestalteteter heatsink can be prepared for example in the extrusion process, wherein in a subsequent machining process, the recess is milled or drilled in the heat sink. In the case of a recess extending longitudinally, that is to say along cooling channels extending through the heat sink, through the heat sink, this recess can likewise already be produced in the extrusion process.
  • the heat sink has a cooling block with at least one channel for the passage of coolant and an intermediate element as a blocking region, wherein the intermediate element is configured for installation in the installed state between the cooling block and the core and the heat conduction from the core to the cooling block.
  • the design in two or more sub-elements allows greater flexibility in terms of the respectively optimal setting of material properties, even if it may be connected under certain circumstances, a greater installation effort.
  • the intermediate element may be specifically selected in its material for resistance to introduced eddy currents. while in this case no consideration should be paid to, for example, a good thermal coupling to the coolant or a corrosion resistance to the coolant.
  • the intermediate element has a recess as a recess of the heat sink.
  • the recess of the heat sink as a whole can be achieved in a simple manner by providing, for example, a long hole in the intermediate element.
  • the intermediate element has a non-magnetic sheet metal element, in particular a sheet metal element with at least two layers.
  • the intermediate element and thus the blocking region is realized in this embodiment as a non-magnetic sheet, which is arranged in the installed state between the remaining heat sink and the core.
  • the intermediate element comprises a plurality of individual intermediate elements, which can be arranged spaced from one another in the installed state, wherein the recess of the heat sink results with the free space between the individual intermediate elements.
  • the intermediate element as such does not have to be realized coherently, with the spacing of partial intermediate elements without a separate processing being able to be provided with the recess according to the invention merely by arranging the latter.
  • the cooling block comprises aluminum and / or an aluminum alloy, wherein the intermediate element comprises zinc, aluminum and / or an aluminum alloy and / or a nonmagnetic material, in particular a nonmagnetic steel.
  • the heat sink comprises at least two partial cooling blocks each having at least one sub-channel for carrying coolant, wherein the sub-cooling blocks are spaced apart and the sub-channels are connected to each other by carrying coolant.
  • One possibility of providing recesses in the heat sink is to provide a plurality of separate heat sinks (or blocks) separate from one another, the cutouts then being formed by the spaces between the heat sinks.
  • a reliable passage of coolant can for example be realized that as channels for performing Coolant tubes, for example made of copper or stainless steel, are provided which extend through the partial heat sink and transmit the heat absorbed by the partial heat sinks to the coolant.
  • the ratio of the width of the recess or the blocking region to the width of the air gap is in the range of 1/2 to 10/1, preferably in the range of 3/1 to 8/1.
  • the ratio of the depth of the recess or thickness of the stop band to the width of the air gap is in the range of 1/2 to 5/2, preferably in the range of 3/4 to 3/2.
  • the recess and / or the separation region have a rectangular, semicircular, semi-oval, triangular and / or trapezoidal cross section or a cross section in a shape resulting from a chamfer and / or rounding of corners or edges of these cross sections ,
  • FIG. 1 shows a schematic cross section of a known three-phase mains choke with cooling bars for connecting a liquid cooling.
  • Fig. 2 is a schematic cross section of a known arrangement of leg packages with
  • FIG. 3 shows a schematic cross section of an arrangement of leg packages with air gaps and mounted heat sink according to a first embodiment of the invention.
  • 4 shows a schematic cross section of an arrangement of leg packages with air gaps and mounted heat sink according to a second embodiment of the invention.
  • Fig. 5 is a schematic perspective view of an arrangement of leg packages with air gaps and mounted heat sink according to the first embodiment of the invention.
  • Fig. 6 is an enlarged schematic perspective view of an arrangement of leg packages with air gaps and mounted heat sink according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 7a shows a schematic cross-section of an arrangement of leg pits with air gaps and mounted heat sink according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 7b is a schematic cross-sectional exploded view of the arrangement of leg gaps with air gaps and mounted heat sink according to the third embodiment of the invention of Fig. 7a.
  • Fig. 8 is a schematic cross-section of an arrangement of leg gaps with air gaps and mounted heat sink according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 9 shows a schematic cross-section of an arrangement of leg pits with air gaps and mounted heat sink according to a fifth embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section of a known three-phase mains choke with cooling bars for connecting a liquid cooling.
  • the throttle 105 comprises three (partial) cores 120, which - as indicated in Fig. 1 - are interconnected by a yoke.
  • Around the cores 120 around four cooling bars 30 are provided with therein cooling channels 35. Since the person skilled in the art is well acquainted with the concept of liquid cooling and the corresponding details, in particular the details of the cooling bars as such and of the cooling channels, further explanation can be omitted here. It should be noted, however, that the invention is not limited to the embodiments of heat sinks shown, for example, in the embodiments.
  • Fig. 2 shows a schematic cross section of a known arrangement of leg packages with air gaps and attached cooling bar.
  • the cross-sectional view in FIG. 2 corresponds to a partial Representation of the throttle 105, as illustrated in Fig. 1, wherein, however, the drawing levels of Fig. 1 and Fig. 2 are mutually perpendicular.
  • the cooling bar 30 is shown in FIG. 2 as resting on the partial packets of the core 120, air gaps 122 being provided between the partial pacts of the core 120.
  • air gaps 122 being provided between the partial pacts of the core 120.
  • a stray field from the air gaps 122 acts in the area of the cooling bar 30 and causes eddy currents there with corresponding heat losses.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-section of an arrangement of leg packs with air gaps and mounted heat sink according to a first embodiment of the invention.
  • the illustration of FIG. 3 corresponds in principle to the illustration of FIG. 2.
  • the heat sink 400 of the first embodiment has recesses 415 in the region of the air gaps 122, which are arranged on the cooling contact side 410 of the heat sink abutting against the core 120. According to the invention, it has been found that the influence of the stray field from the air gaps 422 on the heat sink 400 can be reduced with the recesses 415 described here.
  • the result is initially a limitation of the depth of the recesses 415, since the coolant-carrying channels occupy a certain space within the heat sink 400 and also a certain wall thickness of these channels is desired.
  • the invention can also be realized, for example, in that the heat sink is composed of a plurality of individual heat sinks whose extension in the plane of the drawing of FIG.
  • FIG. 4 shows a schematic cross-section of an arrangement of leg packs with air gaps and mounted heat sink according to a second embodiment of the invention.
  • the second embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 3 in particular in that, instead of the recesses 415, an intermediate element 420 with the function of a blocking region 420 is provided between a cooling block 425 of the heat sink 500 and the packets of the core 120.
  • heat sinks or cooling bars for chokes and transformers are often made of aluminum or an aluminum alloy such as AIMgSi.
  • the blocking region 420 has an electrical conductivity which is lower than that of the heat sink material outside the blocking region, that is to say that of the cooling block 425.
  • the blocking region 420 can be produced, in particular in a sandwich construction, from two or more sheets of the same or different materials, wherein additional layers, for example heat-conductive adhesive, can be provided between the sheets.
  • FIG. 4 shows by way of example that the blocking region 420 or the intermediate element 420 can also extend beyond the extent of the cooling block 425. This allows additional heat removal via the intermediate element 420 to the cooling block 425 and thus to the coolant also from the areas that are not in direct proximity to the cooling block 425.
  • Fig. 5 shows a schematic perspective view of an arrangement of leg packs with air gaps and mounted heat sink according to the first embodiment of the invention.
  • Fig. 6 also shows an enlarged schematic perspective view of an arrangement of leg packs with air gaps and mounted heat sink according to the first embodiment of the invention.
  • the arrangement of the heat sink 400 according to the invention on the packages of the core 120 with the air gaps 122, ie ultimately the installation state of the heat sink relative to the core can be seen, although the winding with the terminals, the supply and discharge of coolant and other components for reasons of clarity are not shown.
  • the cooling channels 130 extending through the heat sink 400 can be seen.
  • FIG. 7a shows a schematic cross-section of an arrangement of leg gaps with air gaps and mounted heat sink according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 7b shows a schematic cross-sectional exploded view of the arrangement of leg gaps with air gaps and mounted heat sink according to the third embodiment of the invention from FIG. 7a.
  • the elements recess and barrier layer are combined.
  • the heat sink 600 includes a cooling block 425, wherein in the installed state shown in Fig. 7a between the cooling block 425 and the core 120 a plurality of partial blocking regions 430 are arranged.
  • the partial blocking regions 430 are spaced apart from each other, adapted to the air gaps 122 of the core 120, so that recesses 415 of the cooling body 600 result.
  • This embodiment combines the advantages of the first two embodiments with each other, adding that the machining step for manufacturing the recesses in the heat sink by the provision of the separate partial lock regions 430 is unnecessary.
  • it can certainly be provided to use, instead of the cooling block 425 shown in FIGS. 7a and 7b without recesses, also a cooling block which, like the cooling body shown in FIGS. 3, 5 and 6, is in turn provided with recesses .
  • the blocking region 420 not in the form of many partial blocking regions 430 but as a contiguous blocking region 420 or one-piece intermediate element Provide 420, which in turn is provided with recesses corresponding to the recesses of the heat sink 400.
  • the heat sink according to the invention is designed in several parts. Similar to the embodiment shown in Fig. 7a and Fig. 7b, a cooling block is provided, wherein in the installed state between the cooling block and the core intermediate elements are provided, which are made of the same or a similar material as that of the cooling block. Although, especially if the same material is used for cooling block and intermediate materials, the intermediate elements do not act as a separating layer, there is nevertheless a possible advantage over an embodiment, as shown in Fig. 3, that additional processing steps for producing the recesses omitted when the recesses are realized by providing a plurality of intermediate elements which are spaced from each other.
  • the recesses or spacings of the intermediate elements can also extend in any other direction through the heat sink.
  • longitudinal recesses i. are provided substantially parallel to the cooling channels (see Fig. 4 and Fig. 5)
  • the heat sink is produced by an extrusion or a similar method
  • the recesses can already be provided during the manufacturing process, without then additional processing steps would be necessary for the production of the already generated recesses.
  • thermal paste or thermal adhesive can be provided between the components.
  • a thermal adhesive also achieves a fixation of the components to each other, wherein such a fixation can be achieved by other bonding or screwing or other appropriate methods.
  • FIG. 8 shows a schematic cross section of an arrangement of leg gaps with air gaps and mounted heat sink according to a fourth embodiment of the invention.
  • partial intermediate elements 430 are provided between the cooling block 425 and the packets of the core 120.
  • the explanations provided for the third embodiment also apply to the fourth embodiment.
  • the heat sink 600 illustrated in FIG. 8 differs from that of the third embodiment in that the recesses 415 resulting from the pitches of the sub-intermediate members 430 are larger in width than the air gaps 122, so that they extend beyond the region of the air gaps 122 also in the area in which the packets of the core 120 and the cooling block 425 opposite each other.
  • a ratio of the depth of the recess or thickness of the stop band to the width of the air gap in the range of 1/2 to 5/2 is preferred, with a range of 3/4 to 3/2 being particularly preferred.
  • FIG. 9 shows a schematic cross section of an arrangement of leg gaps with air gaps and mounted heat sink according to a fifth embodiment of the invention.
  • the heat sink 400 shown in FIG. 9 largely corresponds to the heat sink shown in FIG. 3, wherein the recesses 415 provided from the cooling contact side 410, which are similar to those in FIG Pacts of the core 120, unlike the previous embodiments are executed semicircular, wherein the centers of the semicircles, which are described by the shape of the recesses 415 respectively, lie in the plane of the contact surface with the core 120.
  • the present invention is not applicable to the illustrated rectangular or semicircular cross-sections of the recesses, each of which can be filled to improve heat transfer with a material whose thermal conductivity is better than that of air, and which is more preferably electrically insulating. is limited, and also a variety of other shapes is possible, in particular semi-oval, triangular and / or trapezoidal cross-sections or cross-sections in a shape that results from a chamfer and / or rounding corners or edges of these cross sections, and combinations of these cross sections.
  • the embodiments described above each relate to an arrangement in which the heat sink according to the invention is ultimately provided together with a throttle with an air gap.
  • the present invention is not limited thereto and also relates to a heat sink for a transformer as well as to a heat sink for a reactor or a transformer without an air gap.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper (400, 500, 600) für eine Drossel (105) oder einen Transformator, wobei der Kühlkörper (400, 500, 600) eine Kühlkontaktseite (410) zur Wärmeankopplung an einen Kern (120) der Drossel (105) oder des Transformators aufweist, sowie eine Drossel (105) und einen Transformator mit einem derartigen Kühlkörper (400, 500, 600). Um einen derartigen Kühlkörper (400, 500, 600) bereitzustellen, mit dem eine gewünschte Abkopplung der Kühlung von der direkten Umgebung der Drossel (105) bzw. des Transformators und eine gute Verlustleistungs- bzw. Wärmeabfuhr aus der Drossel (105) erreicht werden kann, und bei dessen Verwendung gegenüber einer herkömmlichen Flüssigkeitskühlung geringere Verlustleistungen auftreten, wird vorgeschlagen, den Kühlkörper (400, 500, 600) auf der Kühlkontaktseite (410) mit wenigstens einer Ausnehmung (415) und/oder einem Sperrbereich (420) zu versehen, der ein Material aufweist, dessen elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die des Kühlkörpermaterials außerhalb des Sperrbereichs (420).

Description

Kühlkörper für eine Drossel oder einen Transformator und Drossel und Transformator mit einem solchen Kühlkörper
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kühlkörper für eine Drossel oder einen Transformator, wobei der Kühlkörper eine Kühlkontaktseite zur Wärmeankopplung an einen Kern der Drossel oder des Transformators aufweist, sowie eine Drossel und einen Transformator mit einem derartigen Kühlkörper.
Ein wichtiges Kriterium zur Leistungsfähigkeit beispielsweise einer elektromagnetischen Drossel (oder eines Transformators) stellt die Abfuhr der beim Betrieb entstehenden Verlustleistung dar. Die Verlustleistung ergibt sich durch Hysterese- und Wirbelstromverluste im Eisenblech des Kerns der Drossel, aber auch durch Wicklungsverluste und Wirbelstromverluste (Zusatzverluste) im Wickelgut. Über Kon- vektion und Strahlung wird die Verlustleistung dabei in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben, die hierdurch stark aufgeheizt werden kann. Eine Erhöhung der Umgebungstemperatur führt dabei im Allgemeinen zu einer Erhöhung der thermischen Beanspruchung und Belastung für die Drossel selbst, was auch für benachbarte Gerätschaften gilt. Zudem drohen bei einer erhöhten Umgebungstemperatur höhere Verluste, sowie eine beschleunigte Alterung. Es kann zum Ausfall der Drossel oder benachbarter Komponenten kommen. Hinzu kommt, dass mit einer deutlichen Erhöhung der Umgebungstemperatur eine Erhöhung der Brandgefahr einhergehen kann.
Ein bekannter Ansatz, um eine gewünschte Kühlung von Drosseln oder Transformatoren zu erzielen, besteht darin, diese mit umlaufenden Luftkanälen zwischen den Wicklungslagen versehen, durch die ein Luftstrom hindurchfließen kann. Über eine Zwangsbelüftung kann die Konvektion dabei erhöht und eine Kühlung der Drossel oder des Transformators erreicht werden. Das Einbringen von Luftkanälen erhöht aber zwangsläufig den Radius der Wicklung, so dass mehr Wickelgut benötigt wird, um eine bestimmte Anzahl an Windungen in der Drossel bzw. dem Transformator realisieren zu können. Hierdurch steigt wiederum der Ohmsche Widerstand an, so dass zusätzliche Verluste entstehen. Des Weiteren erhöhen sich die Baukosten durch den größeren Materialbedarf, das erhöhte Gesamtgewicht sowie die größeren Abmessungen der Drossel. Ein weiterer Nachteil bleibt bei der luftgekühlten Drossel ungelöst: die Verlustleistung wird nach wie vor durch den Luftstrom an die direkte Umgebung abgegeben. Mit dem direkten Kontakt mit Umgebungsluft ergeben sich schließlich auch Korrosions- und Betriebsbeständigkeitsprobleme, wenn mit der zur Kühlung verwendeten Luft Feuchtigkeit oder Schmutzpartikel eingebracht werden oder die Luft salz- oder säurehaltig ist.
Mit einem weiteren bekannten Ansatz, der Flüssigkeitskühlung, könne die mit der Luftkühlung verbundenen Probleme teilweise umgangen oder gemindert werden. Eine durch die Drossel fließende Kühlflüssigkeit transportiert die hier entstehende Verlustleistung aus der Drossel heraus und beispielsweise über eine Schlauchverbindung zu einem Wärmetauschersystem, wo die Wärme gezielt und kontrolliert in eine unkritische Umgebung abgegeben werden kann. Entsprechendes gilt auch für Transformatoren.
Da Kühlflüssigkeiten, wie z. B. Wasser oder Wasser-Glykol-Ethylen-Mischungen im Vergleich zu eine wesentlich höhere Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit haben, kann eine beträchtlich höhere Wärmeenergiemenge über eine Flüssigkeitskühlung abgeführt werden. Dieses ermöglicht eine höhere Beanspruchung der Drosselkomponenten. Da eine höhere Verlustleistung abtransportiert werden kann, kann zudem beispielsweise der Eisenblechkern der Drossel wesentlich kompakter ausgelegt werden, woraus eine höhere magnetische Flussdichte resultiert, die jedoch auch zu höheren Ummagnetisierungsverlusten führen kann. Hierbei kann allerdings eine enorme Materialmenge eingespart und die Abmessungen und das Gewicht der Drossel stark reduziert werden.
Die Anbindung der Flüssigkeitskühlung an die Drossel bzw. den Transformator wird in der Regel über Rohre und/oder Bohrungen bewerkstelligt, die durch massive Metallkörper hindurch laufen. Da Metalle eine sehr gute thermische Leitfähigkeit und eine hohe Wärmekapazität besitzen, stellen sie eine bevorzugte Ankopplung zu anderen Komponenten der Drossel oder des Transformators dar, insbesondere zu der Wicklung oder dem Eisenkernpaket.
Bei bekannten Realisierungen werden häufig massive Aluminium-Barren (oder aus auch AIMgSi- Verbindungen) verwendet, die mit mehreren Kühlkanälen durchsetzt sind, durch die die Kühlflüssigkeit hindurchströmen kann. Diese werden dann meist in und um die Nähe des Eisenkerns der Drossel positioniert. Somit können gleichzeitig Verluste aus dem Kern und aus der den Eisenkern und die Kühlbarren umlaufenden Wicklung an das Kühlmedium abgegeben werden. Bei der Flüssigkeitskühlung tritt allerdings ein anderes Problem auf. Drosseln benötigen im magnetischen Hauptkreis teilweise eine beträchtliche Luftspaltweite, um eine geforderte Induktivität erreichen zu können. Insbesondere im Bereich um einen Luftspalt treten Streufelder auf, die Zusatzverluste mit sich bringen. Bisher werden diese Streufelder bisweilen dadurch minimiert, dass der Eisenkreis im Bereich der Schenkel in mehrere Einzelluftspalte unterteilt wird. Trotz dieser Maßnahme können jedoch bei einer bekannten Flüssigkeitskühlung gegenüber einem Fall, bei dem nur auf eine Luftkühlung zurückgegriffen wird, auch starke parasitäre Verluste auftreten, die den zuvor diskutierten Vorteil einer Flüssigkeitskühlung gegenüber der Luftkühlung, nämlich die verbesserte Abfuhr von Wärme aus der Drossel, reduzieren und in Einzelfällen sogar ganz aufheben können.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, unter grundsätzlicher Beibehaltung der Vorteile einer Flüssigkeitskühlung weitgehend zu erreichen, dass die bei Drosseln, insbesondere mit einem oder mehren Luftspalten, oder Transformatoren auftretenden Verluste verringert werden. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kühlkörper der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem eine gewünschte Abkopplung der Kühlung von der direkten Umgebung der Drossel bzw. des Transformators und eine gute Verlustleistungs- bzw. Wärmeabfuhr aus der Drossel erreicht werden kann, und bei dessen Verwendung gegenüber einer herkömmlichen Flüssigkeitskühlung geringere Verlustleistungen auftreten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe adressiert mit einem erfindungsgemäßen Kühlkörper für eine Drossel oder einen Transformator, wobei der Kühlkörper eine Kühlkontaktseite zur Wärmeankopplung an einen Kern der Drossel oder des Transformators aufweist, wobei der Kühlkörper auf der Kühlkontaktseite mit wenigstens einer Ausnehmung und/oder einem Sperrbereich versehen ist, der ein Material aufweist, dessen elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die des Kühlkörpermaterials außerhalb des Sperrbereichs. Die Aufgabe wird ferner mit einer Drossel und einen Transformator mit einem derartigen Kühlkörper adressiert.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wurde zunächst gefunden, dass, wenn Kühlbarren in direkter Nähe des Eisenkerns positioniert sind und diese damit auch die Luftspalte im Kern überspannen, auch bei einer starken Aufteilung des Drosselluftspalts in Einzelluftspalte noch immer ein Streufeld im Bereich der Luftspalte vorhanden ist und dieses die metallischen Kühlbarren durchsetzt. Im Fall eines magnetischen Wechselfeldes (also bei allen AC-Applikationen, aber auch bei ober- schwingungsbehafteten DC-Applikationen) entstehen hierdurch in den Kühlbarren hohe Wirbelströme, die extrem hohe zusätzliche parasitäre Verluste erzeugen. Dies führt zu einer suboptimalen Ausnutzung der Flüssigkeitskühlung und zu einer unter Umständen deutlichen Verschlechterung des Wirkungsgrades der Drossel oder des Transformators.
Durch die vorliegende Erfindung können die Wirbelstromverluste unter Wahrung einer gewünschten thermischen Ankopplung des Kühlkörpers an die Drossel stark minimiert werden. Hierdurch erhöht sich sowohl der Wirkungsgrad der Drossel als auch die Effektivität der Flüssigkeitskühlung beträchtlich. Es wurde gefunden, dass bei einer Drossel mit massiven Kühlbarren je nach Anordnung und - A -
Menge u.U. ein wesentlicher Anteil der Gesamtverluste durch Wirbelströme innerhalb der Kühlbarren verursacht werden können. Dies führt zu einer Absenkung des Wirkungsgrades der Drossel und einer höheren Belastung des Kühlsystems, da diese zusätzlichen Verluste über eine höhere Durchfluss- menge, bzw. über einen höheren Druck abgeführt werden müssen. Demgegenüber wird mit der vorliegenden Erfindung der Wirkungsgrad der Drossel in dieser Hinsicht erhöht, wenn die Verluste in den Kühlbarren absinken.
Mit der vorliegenden Erfindung kann bei ansonsten gleichen Leistungsdaten das anzuschließende Kühlsystem, ebenso wie die Kühlbarren in der Drossel bzw. dem Transformator selbst, erheblich kleiner dimensioniert werden, da mit den reduzierten Verlustleistungen auch weniger Wärme abzuführen ist.
Wird die Dimensionierung des Kühlsystems beibehalten, kann die Drossel bzw. der Transformator nun noch kompakter gestaltet werden, wodurch erhebliche Materialkosten, sowie Baugewicht eingespart werden können.
Für den Betreiber stellt ein höherer Wirkungsgrad zudem geringere Betriebskosten dar, im Falle des Einsatzes in Anlagen zur Energieeinspeisung (z. B. bei Windkraftanlagen) erhöht sich der Profit für den Betreiber, da er nun mehr Leistung ins Netz einspeisen kann.
Die Erfindung beruht auf der Einsicht, dass im Vergleich zu den vormals massiven und nur mit Kühlkanälen bzw. Kühlrohren durchzogenen Kühlbarren bei einem Kühlkörper, der an einer den zu den Luftspalten der Schenkel zugewandten Seite des Kühlkörpers Ausnehmungen oder auch Nuten aufweist, die beispielsweise eingefräst oder eingebohrt sind oder der einen Sperrbereich aufweist, der aufgrund seiner geringeren elektrischen Leitfähigkeit nur geringere Wirbelströme zulässt, deutlich geringere Verluste auftreten. Der Sperrbereich kann hierbei insbesondere dadurch realisiert sein, dass eine oder mehrere Ausnehmungen mit einem elektrisch wenig leitfähigen oder gar isolierendem Material gefüllt werden. Eine gewünschte thermische Ankopplung des Kühlkörpers wird im Fall von Ausnehmungen (unabhängig ob gefüllt oder nicht) durch die in direktem Kontakt zum Kern stehenden Bereich zwischen den Ausnehmungen erreicht. Andererseits kann der Sperrbereich auch den kompletten Bereich zwischen einem Kühlblock mit den Kühlkanälen zur Abfuhr von Wärme und dem Kern ausfüllen, beispielsweise in Form eines zwischen dem Kühlblock und dem Kern angeordneten Bleches oder Blechpakets, wobei dessen Material im Vergleich zum Material des Kühlblocks einen größeren Widerstand gegenüber Wirbelströmen aufweist, wobei die gewünschte Wärmekopplung durch einen entsprechenden Wärmeleitwert des Sperrbereichs eingestellt wird.
Die Ausnehmungen oder Nuten verlaufen dabei bevorzugt parallel über den Luftspalten. Die Ausnehmungen oder Nuten können dabei auch die gleiche Breite wie die Luftspalte in den Schenkelpaketen haben. Es wurde zudem gefunden, dass sich Wirbelstromverluste noch weiter reduzieren lassen, wenn die Ausnehmungen eine Breite haben, die größer ist als die der Luftspalte. Es wurde allerdings ebenfalls gefunden, dass auch Ausnehmungen, Nuten oder auch Sperrbereiche, die nicht parallel zu den Luftspalten verlaufen, also beispielsweise quer dazu, zu positiven Ergebnissen führen. Es wird angenommen, dass eine Ausnehmung bzw. ein Sperrbereich als Hindernis für die Ausbreitung von Wirbelströmen innerhalb des Kühlkörpers dienen.
Auch Bohrungen oder Schrägungen sind als Form der Ausnehmung im Querschnitt denkbar. Erfindungsgemäß ist es ebenfalls möglich, die Ausnehmung dadurch zu realisieren, dass durchbrochene Zwischenelemente aus Aluminium oder bevorzugt Zink zwischen einem Kühlblock und dem Kern vorgesehen werden. Die Durchbrüche bzw. Zwischenräume der Zwischenelemente stellen hierbei dann die Ausnehmung(en) des so Zusammengesetzen Kühlkörpers dar. Zink oder auch nichtmagnetischer Stahl haben eine ähnlich hohe thermische Leitfähigkeit wie Aluminium. Da aber z.B. Zink-Klötze oder Zink-Blechstreifen unter den Aluminium-Kühlkörpern einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen als Aluminium, werden insbesondere die hohen Wirbelstromverluste direkt in Luftspaltnähe erheblich reduziert, ohne dass gravierende Nachteile hinsichtlich der Wärmeübertragung in Kauf genommen werden müssten.
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmung und/oder der Sperrbereich so angeordnet, dass ihre Position in einem Einbauzustand des Kühlkörpers in der Drossel oder dem Transformator mit einem Luftspalt des Kerns ausgerichtet sind.
Wie schon zuvor diskutiert, reduziert eine Anordnung, bei der das in direkter Nähe zum Luftspalt befindliche Material des Kühlkörpers elektrisch isolierend oder zumindest im Vergleich zum Kühlkörper als Ganzem (bzw. dem Kühlblock) weniger leitfähig ist oder bei der im Bereich direkt um den Luftspalt kein Material (also eine Ausnehmung) vorgesehen ist, die Bildung von Wirbelströmen im Kühlkörper, die beispielsweise durch die mit dem Luftspalt verbundenen Streufelder verbunden sind.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausnehmung und/oder der Sperrbereich derart ausgestaltet, dass sich sie im Einbauzustand entlang des Luftspalts erstrecken, insbesondere über eine gesamte Breite bzw. Länge des Kühlkörpers.
Eine möglichst weitgehende Reduktion der Verluste, die durch die Einbringung von Wirbelströmen in den Kühlkörper entstehen, lässt sich durch eine durchgehende Zurücknahme des Kühlkörpers gegenüber dem Luftspalt bzw. dem Kern erreichen.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Ausnehmung und/oder der Sperrbereich eine Vielzahl von voneinander getrennten Teilausnehmungen bzw. Teilsperrbereichen, die jeweils in einer Reihe angeordnet sind, insbesondere derart dass die Reihe sich im Einbauzustand entlang des Luftspalts erstreckt. Gegenüber den zuvor genannten Ausgestaltungen der Erfindung ist das Vorsehen von voneinander getrennten Teilausnehmungen insofern von Nachteil, als dass in den nahe am Luftspalt bzw. am Kern angeordneten Bereichen, in denen keine Ausnehmung vorgesehen ist, die diskutierten Verluste - wenn auch über den Kühlkörpers als ganzes reduziert - noch immer auftreten können. Dieser Nachteil kann jedoch unter Umständen in Kauf genommen werden, wenn es beispielsweise die Stabilität des Kühlkörpers als Ganzes wünschenswert erscheinen lässt, im Bereich der Ausnehmung teilweise Verstärkungen verbleiben zu lassen. Zudem kann bei gleichbleibender Dicke des Kühlkörpers ein größerer gewünschter Durchmesser eines Kühlmittel führenden Kanals im Inneren des Kühlkörpers eingestellt werden, wenn der Kanal durch den Bereich zwischen den Teilausnehmungen führt.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sperrbereich eine Ausnehmung des Kühlkörpers, in der das Material vorgesehen ist, dessen elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die des Kühlkörpermaterials außerhalb des Sperrbereichs, wobei die Ausnehmung insbesondere zumindest teilweise mit einem elektrischen Isolator gefüllt ist.
Ist die im Kühlkörper vorgesehene Ausnehmung mit einem Material versehen, das im Vergleich zum umgebenden Material des Kühlkörpers elektrisch weniger leitfähig oder gar elektrisch isolierend ist, kann sich bei einen entsprechenden Füllungsmaterial im Vergleich mit einer ungefüllten Ausnehmung eine verbesserte Wärmeübertragung vom Kern an den Kühlkörper ergeben, da das Füllungsmaterial ebenfalls zur Wärmeabfuhr beitragt.
Bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Kühlkörper einstückig ausgestaltet.
Eine einstückige Bauweise des Kühlkörpers erlaubt durch die Reduzierung der Anzahl von zu handhabenden Bauteilen eine einfache und damit kostengünstige Montage, die zudem weniger fehleranfällig ist. Ein erfindungsgemäß und einstückig ausgestalteter Kühlkörper kann beispielsweise im Strangpressverfahren hergestellt werden, wobei in einem nachfolgenden Bearbeitungsprozess die Ausnehmung in den Kühlkörper einge-fräst oder gebohrt wird. Bei einer Ausnehmung, die längs, also entlang von durch den Kühlkörper verlaufenden Kühlkanälen durch den Kühlkörper verläuft, kann diese Ausnehmung ebenfalls bereits im Strangpressverfahren mit hergestellt werden.
Bei einer anderen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Kühlkörper einen Kühlblock mit wenigstens einem Kanal zur Durchführung von Kühlmittel und ein Zwischenelement als Sperrbereich auf, wobei das Zwischenelement zur Anordnung im Einbauzustand zwischen dem Kühlblock und dem Kern und zur Wärmeleitung vom Kern zum Kühlblock ausgestaltet ist.
Die Ausgestaltung in zwei oder mehr Teilelementen erlaubt eine größere Flexibilität in Hinsicht auf die jeweils optimale Einstellung von Materialeigenschaften, auch wenn damit unter Umständen ein größerer Montageaufwand verbunden sein kann. Das Zwischenelement kann beispielsweise in seinem Material speziell auf einen Widerstand gegenüber eingebrachten Wirbelströmen ausgewählt werden, während hierbei keine Rücksicht auf beispielsweise eine gute thermische Ankopplung an das Kühlmittel oder eine Korrosionsresistenz gegenüber dem Kühlmittel geachtet werden müsste.
Bei einer spezielleren Ausgestaltung weist das Zwischenelement eine Aussparung als Ausnehmung des Kühlkörpers aufweist.
Die Aussparung des Kühlkörpers als Ganzen lässt sich in einfacher Weise durch das Vorsehen beispielsweise eines Langloches im Zwischenelement erreichen.
Bei einer spezielleren Ausgestaltung weist das Zwischenelement ein nichtmagnetisches Blechelement auf, insbesondere eine Blechelement mit wenigstens zwei Schichten.
Das Zwischenelement und damit der Sperrbereich ist bei dieser Ausgestaltung als nichtmagnetisches Blech realisiert, das im Einbauzustand zwischen restlichen Kühlkörper und dem Kern angeordnet wird. Damit ergibt sich eine Schicht mit reduzierter elektrischer Leitfähigkeit zwischen dem Kühlblock und dem Kern, in der im Vergleich zu einem bekannten massiven Kühlkörper ohne Ausnehmungen oder Sperrbereiche weniger Verluste durch Wirbelströme auftreten. Es wurde gefunden, dass eine Sandwichstruktur des Zwischenelement hier zudem weitere Vorteile erlaubt.
Bei einer weiteren spezielleren Ausgestaltung umfasst das Zwischenelement eine Vielzahl von Einzelzwischenelementen, die im Einbauzustand voneinander beabstandet angeordnet werden können, wobei sich die Ausnehmung des Kühlkörpers mit dem Freiraum zwischen den Einzelzwischenelementen ergibt.
Das Zwischenelement als solches muss nicht zusammenhängend realisiert werden, wobei mit der Beabstandung von Teilzwischenelementen ohne eine gesonderte Bearbeitung lediglich durch deren Anordnung der Kühlkörper mit der erfindungsgemäßen Ausnehmung versehen werden kann.
Bei einer anderen spezielleren Ausgestaltung umfasst der Kühlblock Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung, wobei das Zwischenelement Zink, Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder ein nichtmagnetisches Material, insbesondere einen nichtmagnetischen Stahl, umfasst.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Kühlkörper wenigstens zwei Teilkühlblöcke mit jeweils wenigstens einem Teilkanal zur Durchführung von Kühlmittel, wobei die Teilkühlblöcke voneinander beabstandet sind und die Teilkanäle miteinander durch Durchführung von Kühlmittel verbunden sind.
Eine Möglichkeit, Ausnehmungen im Kühlkörper vorzusehen, besteht darin, mehrere an sich voneinander separate Teilkühlkörper (oder -blocke) vorzusehen, wobei die Ausnehmungen dann durch die Zwischenräume zwischen den Teilkühlkörpern gebildet werden. Eine zuverlässige Durchleitung von Kühlmittel kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass als Kanäle zur Durchführung von Kühlmittel Rohre, beispielsweise aus Kupfer oder Edelstahl, vorgesehen sind, die sich durch die Teilkühlkörper erstrecken und die von den Teilkühlkörpern aufgenommene Wärme an das Kühlmittel übertragen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis von Breite der Ausnehmung bzw. des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts im Bereich von 1/2 bis 10/1 , bevorzugt im Bereich von 3/1 bis 8/1.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung liegt das Verhältnis von Tiefe der Ausnehmung bzw. Dicke des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts im Bereich von 1/2 zu 5/2, bevorzugt im Bereich von 3/4 zu 3/2.
Es wurde gefunden, dass in den genannten Bereichen, insbesondere in den engeren Bereichen, eine gute Balance zwischen einander wiedersprechenden Anforderungen erreicht wird. Bei einer gegenüber dem Luftspalt reduzierten Breite ergeben sich teilweise unerwünschte Verluste, während die verringerte Spaltbreite mit einer größeren Wärmeaufnahme des Kühlkörpers verbunden ist. Wird die Breite der Ausnehmung größer gewählt als die des Luftspalts, so können die Verluste zudem weiter reduziert werden. Allerdings verringert sich mit größerer Breite der Ausnehmung die Kontaktfläche zwischen Kühlkörper und Kern, womit die Wärmeaufnahme des Kühlkörpers aus dem Kern erschwert wird. Eine größere Tiefe der Ausnehmung bzw. Dicke des Sperrbereichs führt zu geringeren Wirbelströmen, wobei allerdings mit einer größeren Tiefe bzw. Dicke auch eine geringere Stabilität des Kühlkörpers einhergeht und weniger Platz für eine Durchführung von Kühlmittel verbleibt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Ausnehmung und/oder der Trennbereich einen rechteckigen, halbrunden, halbovalen, dreieckigen und/oder trapezförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in einer Form auf, die sich durch eine Fase und/oder Abrundung von Ecken oder Kanten dieser Querschnitte ergibt.
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 einer bekannten dreiphasigen Netzdrossel mit Kühlbarren zum Anschluss einer Flüssigkeitskühlung.
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer bekannten Anordnung von Schenkelpaketen mit
Luftspalten und aufgesetztem Kühlbarren.
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 4 einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 eine schematische Perspektivansicht einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 eine vergrößerte schematische Perspektivansicht einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7a einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7b eine schematische Querschnittsexplosionsansicht der Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung aus Fig. 7a.
Fig. 8 einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 9 einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer fünften Ausführungsform der 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 einer bekannten dreiphasigen Netzdrossel mit Kühlbarren zum Anschluss einer Flüssigkeitskühlung. Die Drossel 105 umfasst drei (Teil-)Kerne 120, die - wie in Fig. 1 angedeutet - durch ein Joch miteinander verbunden sind. Um die Kerne 120 herum sind jeweils vier Kühlbarren 30 mit darin vorgesehenen Kühlkanälen 35 angeordnet. Da der Fachmann vorliegend mit dem Konzept einer Flüssigkeitskühlung und den entsprechenden Details, insbesondere der Details der Kühlbarren als solchen und der der Kühlkanäle, gut vertraut ist, kann auf eine weitere Erläuterung hierzu verzichtet werden. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die beispielsweis in den Ausführungsformen dargestellten Ausführungen von Kühlkörpern beschränkt ist.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer bekannten Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlbarren. Die Querschnittsdarstellung in Fig. 2 entspricht einer Teil- Darstellung der Drossel 105, wie sie in Fig. 1 illustriert ist, wobei allerdings die Zeichnungsebenen von Fig. 1 und Fig. 2 zueinander senkrecht stehen.
Der Kühlbarren 30 ist in Fig. 2 als auf dem Teilpaketen des Kerns 120 aufliegend dargestellt, wobei zwischen den Teilpakten des Kerns 120 jeweils Luftspalte 122 vorgesehen sind. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass insbesondere im Bereich der Luftspalte 122 ein Streufeld aus den Luftspalten 122 in den Bereich des Kühlbarrens 30 einwirkt und dort Wirbelströme mit entsprechenden Wärmeverlusten hervorruft.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Darstellung von Fig. 3 entspricht im Grundsatz der Darstellung von Fig. 2. Allerdings weist der erfindungsgemäße Kühlkörper 400 der ersten Ausführungsform im Bereich der Luftspalte 122 Ausnehmungen 415 auf, die auf der an den Kern 120 anstoßenden Kühlkontaktseite 410 des Kühlkörpers anordnet sind. Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass sich mit den hier beschriebenen Ausnehmungen 415 der Einfluss des Streufeldes aus den Luftspalten 422 auf den Kühlkörper 400 reduzieren lässt.
Werden die Ausnehmungen 415, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, in ihrem Querschnitt konstant durch den gesamten Kühlkörper 400 vorgesehen, so ergibt sich zunächst eine Beschränkung der Tiefe der Ausnehmungen 415, da die Kühlmittel führenden Kanäle einen gewissen Raum innerhalb des Kühlkörpers 400 beanspruchen und zudem eine gewisse Wandstärke dieser Kanäle gewünscht ist. Allerdings kann die Erfindung auch beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Kühlkörper aus einer Vielzahl von einzelnen Teilkühlkörpern zusammengesetzt ist, deren Ausdehnung in der Zeichnungsebene von Fig. 3 sich an den Luftspalten 122 orientiert, wobei die Luftspalte durch den Abstand zwischen den Teilkühlkörpern gewissermaßen fortgesetzt werden. Eine Durchströmung der Teilkühlkörper würde dann beispielsweise durch eine Führung eines oder mehrerer kühlmittelführender Rohre (z.B. aus Kupfer oder Edelstahl), wie sich bereits in herkömmlichen Kühlbarren verwendet werden, durch die Teilkühlkörper und die Zwischenräume dazwischen gewährleistet werden können.
Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 3 dargestellten ersten Ausführungsform insbesondere dadurch, dass anstelle der Ausnehmungen 415 ein Zwischenelement 420 mit der Funktion eines Sperrbereichs 420 zwischen einem Kühlblock 425 des Kühlkörpers 500 und den Paketen des Kerns 120 vorgesehen ist. Insbesondere aus Kosten- und Gewichtsgründen sowie angesichts des vergleichsweise einfachen Herstellungsverfahrens des Strangpressens werden Kühlkörper oder Kühlbarren für Drosseln und Transformatoren oft aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung wie AIMgSi hergestellt. Der Sperrbereich 420 weist eine elektrische Leitfähigkeit auf, die geringer ist als die des Kühlkörpermaterials außerhalb des Sperrbereichs, also hier die des Kühlblocks 425. Wird für den Kühlblock 425 nun Aluminium oder AIMgSi verwandt, so wurde als bevorzugtes Material für den Sperrbereich ein Blech aus Zink und/oder einem nichtmagnetischen Werkstoff wie nichtmagnetischem Stahl gefunden. Allerdings schließt die vorliegende Erfindung auch die Verwendung eines anderen nichtmagnetischen Werkstoffs nicht aus, wobei sich lediglich durch eine gewünschte Wärmeleitung durch den Sperrbereich hindurch eine Einschränkung hinsichtlich der Materialwahl und der Dimensio- nierung ergeben kann. Der Sperrbereich 420 kann insbesondere in Sandwich-Bauweise aus zwei oder mehreren Blechen aus dem gleichen oder unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt werden, wobei zwischen den Blechen zusätzliche Schichten, beispielsweise Wärmeleitkleber vorgesehen werden kann.
In Fig. 4 ist zudem beispielhaft gezeigt, dass sich der Sperrbereich 420 bzw. das Zwischenelement 420 auch über die Ausdehnung des Kühlblocks 425 hinaus erstrecken kann. Dies erlaubt eine zusätzliche Wärmeabfuhr über das Zwischenelement 420 an den Kühlblock 425 und damit an das Kühlmittel auch aus den Bereichen, die sich nicht in direkter Nähe zum Kühlblock 425 befinden.
Fig. 5 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 6 zeigt zudem eine vergrößerte schematische Perspektivansicht einer Anordnung von Schenkelpaketen mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. In den Darstellungen von Fig. 5 und 6 ist die Anordnung des erfindungsgemäßen Kühlkörper 400 auf den Paketen des Kerns 120 mit den Luftspalten 122, also letztlich der Einbauzustand des Kühlkörpers gegenüber dem Kern zu erkennen, wenn auch die Wicklung mit den Anschlüssen, die Zu- und Abführung von Kühlmittel und sonstige Bauelemente aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Zudem sind in den Fig. 5 und 6 die durch den Kühlkörper 400 verlaufenden Kühlkanäle 130 zu erkennen.
Fig. 7a zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 7b zeigt eine schematische Querschnittsexplosionsansicht der Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung aus Fig. 7a. In der dritten Ausführungsform sind die Elemente Ausnehmung und Sperrschicht miteinander kombiniert. Der Kühlkörper 600 umfasst einen Kühlblock 425, wobei im in Fig. 7a dargestellten Einbauzustand zwischen dem Kühlblock 425 und dem Kern 120 mehrere Teilsperrbereiche 430 angeordnet sind. Die Teilsperrbereiche 430 sind - angepasst an die Luftspalte 122 des Kerns 120 - voneinander beabstandet, so dass sich damit Ausnehmungen 415 des Kühlkörpers 600 ergeben. Diese Ausführungsform kombiniert die Vorteile der ersten beiden Ausführungsformen miteinander, wobei hinzukommt, dass der Bearbeitungsschritt zur Herstellung der Ausnehmungen im Kühlkörper durch das Vorsehen der separaten Teilsperrbereiche 430 unnötig wird. Es kann allerdings durchaus vorgesehen werden, anstelle des in Fig. 7a und Fig. 7b dargestellten Kühlblocks 425 ohne Ausnehmungen auch einen Kühlblock zu verwenden, der wie der in Fig. 3, Fig. 5 und Fig. 6 gezeigte Kühlkörper seinerseits mit Ausnehmungen versehen ist. Zudem ist es auch möglich, den Sperrbereich 420 nicht in Form von vielen Teilsperrbereichen 430 sondern als zusammenhängenden Sperrbereich 420 oder einstückiges Zwischenelement 420 vorzusehen, wobei dieser wiederum mit Ausnehmungen entsprechend den Ausnehmungen des Kühlkörpers 400 versehen ist.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) ist der erfindungsgemäße Kühlkörper mehrteilig ausgestaltet. Ähnlich zu der in Fig. 7a und Fig. 7b dargestellten Ausführungsform ist ein Kühlblock vorgesehen, wobei im Einbauzustand zwischen den Kühlblock und den Kern Zwischenelemente vorgesehen sind, die aus dem gleichen oder einem vergleichbaren Material hergestellt sind, wie das des Kühlblocks. Obgleich, insbesondere wenn das gleiche Material für Kühlblock und Zwischenmaterialien verwendet wird, die Zwischenelemente nicht als Trennschicht wirken, so ergibt sich dennoch insofern ein möglicher Vorteil gegenüber einer Ausführungsform, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, dass zusätzliche Bearbeitungsschritte zur Herstellung der Ausnehmungen wegfallen, wenn die Ausnehmungen durch Vorsehen einer Vielzahl von Zwischenelementen realisiert werden, die voneinander beabstandet sind.
Abweichend von den hier dargestellten Ausführungsformen können die Ausnehmungen oder Beabstandungen der Zwischenelemente auch in jeder anderen Richtung durch den Kühlkörper verlaufen. Wenn beispielsweise Ausnehmungen in Längsrichtung, d.h. im Wesentlichen parallel zu den Kühlkanälen (vgl. Fig. 4 und Fig. 5), vorgesehen sind und der Kühlkörper durch ein Strangpressen oder ein ähnliches Verfahren hergestellt wird, so können die Ausnehmungen bereits beim Herstel- lungsprozess vorgesehen werden, ohne dass dann zusätzliche Bearbeitungsschritte zur Herstellung der damit bereits erzeugten Ausnehmungen nötig wären.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform, wie auch bei den anderen Ausführungsformen der Erfindung, bei der Bauteile aneinander angeordnet werden, wobei ein guter Wärmeübergang zwischen den Bauteilen gewünscht ist, kann Wärmeleitpaste oder Wärmekleber zwischen den Bauteilen vorgesehen werden. Ein Wärmekleber erreicht zudem eine Fixierung der Bauteile zueinander, wobei eine solche Fixierung auch durch sonstiges Verkleben oder auch Verschrauben oder andere entsprechende Methoden erreicht werden kann.
Fig. 8 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung. Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform sind wie bei der Ausführungsform in den Fig. 7a und 7b Teilzwischenelemente 430 zwischen dem Kühlblock 425 und den Paketen des Kerns 120 vorgesehen. Die zur dritten Ausführungsform (Fig. 7a, 7b) vorgebrachten Erläuterungen gelten insofern auch für die vierte Ausführungsform. Der Kühlkörper 600, der in Fig. 8 illustriert ist, unterscheidet sich allerdings von dem der dritten Ausführungsform dadurch, dass die Ausnehmungen 415, die sich durch die Abstände der Teilzwischenelemente 430 ergeben, in ihrer Breite größer sind als die Luftspalte 122, so dass sie sich jeweils über den Bereich der Luftspalte 122 hinaus auch in die Bereich erstrecken, in denen die Pakete des Kerns 120 und der Kühlblock 425 einander gegenüberliegen. Es wurde gefunden, dass durch eine entsprechende Verbreiterung der Ausnehmungen 415 im Vergleich zur dritten Ausführungsform Verluste, die im Kühlkörper 600 auftreten, weiter gesenkt werden können. Auch wenn in der Darstellung in Fig. 8 die Breite der Ausnehmungen 415 jeweils etwa doppelt so groß ist wie die der Luftspalte 122, stellt dies lediglich eine nicht beschränkende Möglichkeit der Auswahl des Breitenverhältnisses dar. Es wurde gefunden, dass erfindungsgemäße Vorteile insbesondere auch mit einem Verhältnis von Breite der Ausnehmung bzw. des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts im Bereich von 1/2 bis 10/1 erreicht werden können, wobei ein Bereich von 3/1 bis 8/1 besonders bevorzugt wird.
Hinzu kommt, dass auch durch die Wahl der Tiefe der Ausnehmung bzw. die Dicke des Sperrbereichs Einfluss auf die im Kühlkörper auftretenden Verluste genommen werden kann. Erfindungsgemäß wird ein Verhältnis von Tiefe der Ausnehmung bzw. Dicke des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts im Bereich von 1/2 zu 5/2 bevorzugt, wobei ein Bereich von 3/4 zu 3/2 besonders bevorzugt wird.
Fig. 9 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Anordnung von Schenkelpakten mit Luftspalten und aufgesetztem Kühlkörper gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. Der Kühlkörper 400, der in Fig. 9 gezeigt ist, entspricht weitgehend dem Kühlkörper, der in Fig. 3 gezeigt ist, wobei die aus der Kühlkontaktseite 410 vorgesehenen Ausnehmungen 415, die ähnlich wie bei Fig. 8 über die Breite der Luftspalte 122 zwischen den Pakten des Kerns 120 hinausgehen, anders als bei den vorherigen Ausführungsformen halbrund ausgeführt sind, wobei die Mittelpunkte der Halbkreise, die durch die Form der Ausnehmungen 415 jeweils beschrieben werden, in der Ebene der Kontaktfläche mit dem Kern 120 liegen.
Es ist zu bemerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die dargestellten rechteckigen oder halbkreisförmigen Querschnitte der Ausnehmungen, die jeweils zur Verbesserung eines Wärmeübergangs auch mit einem Material gefüllt werden können, dessen Wärmeleitfähigkeit besser als die von Luft ist und das besonders bevorzugt elektrisch isolierend ist, beschränkt ist, und auch eine Vielzahl anderer Formen möglich ist, insbesondere halbovale, dreieckige und/oder trapezförmige Querschnitte oder Querschnitte in einer Form, die sich durch eine Fase und/oder Abrundung von Ecken oder Kanten dieser Querschnitte ergibt, sowie Kombinationen aus diesen Querschnitten.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich zwar jeweils auf eine Anordnung, bei der der erfindungsgemäße Kühlkörper letztlich zusammen mit einer Drossel mit einem Luftspalt vorgesehen ist. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht darauf beschränkt und bezieht sich ebenfalls auf einen Kühlkörper für einen Transformator sowie auf einen Kühlkörper für eine Drossel oder einen Transformator ohne Luftspalt.
Es ist zudem zu bemerken, dass die Darstellung in den Figuren nicht maßstabsgerecht ist.

Claims

Ansprüche
1. Kühlkörper (400, 500, 600) für eine Drossel (105) oder einen Transformator, wobei der Kühlkörper (400, 500, 600) eine Kühlkontaktseite (410) zur Wärmeankopplung an einen Kern (120) der Drossel (105) oder des Transformators aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (400, 500, 600) auf der Kühlkontaktseite (410) mit wenigstens einer Ausnehmung (415) und/oder einem Sperrbereich (420) versehen ist, der ein Material aufweist, dessen elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die des Kühlkörpermaterials außerhalb des Sperrbereichs (420).
2. Kühlkörper (400, 500, 600) nach Anspruch 1 , wobei die Ausnehmung (415) und/oder der Sperrbereich (420) so angeordnet sind, dass ihre Position in einem Einbauzustand des Kühlkörpers (400, 500, 600) in der Drossel (105) oder dem Transformator mit einem Luftspalt (122) des Kerns (120) ausgerichtet sind.
3. Kühlkörper (400, 500, 600) nach Anspruch 2, wobei die Ausnehmung (415) und/oder der Sperrbereich (420) derart ausgestaltet sind, dass sie sich im Einbauzustand entlang des Luftspalts (122) erstrecken, insbesondere über eine gesamte Breite bzw. Länge des Kühlkörpers (400, 500, 600).
4. Kühlkörper (400, 600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung (415) und/oder der Sperrbereich (420) eine Vielzahl von voneinander getrennten Teilausnehmungen bzw. Teilsperrbereichen umfassen, die jeweils in einer Reihe angeordnet sind, insbesondere derart dass die Reihe sich im Einbauzustand entlang des Luftspalts (422) erstreckt.
5. Kühlkörper (600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sperrbereich (420) eine Ausnehmung (415) des Kühlkörpers umfasst, in der das Material vorgesehen ist, dessen elektrische Leitfähigkeit geringer ist als die des Kühlkörpermaterials außerhalb des Sperrbereichs (420), wobei die Ausnehmung (415) insbesondere zumindest teilweise mit einem elektrischen Isolator gefüllt ist.
6. Kühlkörper (400) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kühlkörper (400) einstückig ausgestaltet ist.
7. Kühlkörper (500, 600) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kühlkörper (500, 600) einen Kühlblock (425) mit wenigstens einem Kanal (130) zur Durchführung von Kühlmittel und ein Zwischenelement (420) als Sperrbereich (420) aufweist, wobei das Zwischenelement (420) zur Anordnung im Einbauzustand zwischen dem Kühlblock (425) und dem Kern (120) und zur Wärmeleitung vom Kern (120) zum Kühlblock (425) ausgestaltet ist.
8. Kühlkörper (600) nach Anspruch 7, wobei das Zwischenelement (420) eine Aussparung als Ausnehmung (415) des Kühlkörpers (600) aufweist.
9. Kühlkörper (600) nach Anspruch 7, wobei das Zwischenelement (420) ein nichtmag netisches Blechelement aufweist, insbesondere eine Blechelement mit wenigstens zwei Schichten.
10. Kühlkörper (600) nach Anspruch 7, wobei das Zwischenelement (420) eine Vielzahl von Einzelzwischenelementen (430) umfasst, die im Einbauzustand voneinander beabstandet angeordnet werden können, wobei sich die Ausnehmung (415) des Kühlkörpers (660) mit dem Freiraum zwischen den Einzelzwischenelementen (430) ergibt.
11. Kühlkörper (500, 600) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Kühlblock (500, 600) Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung umfasst und wobei das Zwischenelement (420) Zink und/oder Aluminium und/oder eine Aluminiumlegierung und/oder ein nichtmagnetisches Material, insbesondere einen nichtmagnetischen Stahl, umfasst.
12. Kühlkörper (400, 500, 600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit wenigstens zwei Teilkühlblöcken mit jeweils wenigstens einem Teilkanal zur Durchführung von Kühlmittel, wobei die Teilkühlblöcke voneinander beabstandet sind und die Teilkanäle miteinander durch Durchführung von Kühlmittel verbunden sind.
13. Kühlkörper (400, 500, 600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis von Breite der Ausnehmung bzw. des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts im Bereich von 1/2 bis 10/1 , bevorzugt im Bereich von 3/1 bis 8/1 liegt.
14. Kühlkörper (400, 500, 600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verhältnis von Tiefe der Ausnehmung bzw. Dicke des Sperrbereichs zu Breite des Luftspalts im Bereich von 1/2 zu 5/2, bevorzugt im Bereich von 3/4 zu 3/2, liegt.
15. Kühlkörper (400, 500, 600) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung und/oder der Trennbereich einen rechteckigen, halbrunden, halbovalen, dreieckigen und/oder trapezförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in einer Form aufweist, die sich durch eine Fase und/oder Abrundung von Ecken oder Kanten dieser Querschnitte ergibt.
16. Drossel (105) oder Transformator mit einem Kühlkörper (400, 500, 600) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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