AT17799U1

AT17799U1 - Spule mit einem Spulenkern mit lokaler Kühlung, Transformator mit einer solchen Spule sowie System mit einem solchen Transformator

Info

Publication number: AT17799U1
Application number: ATGM50051/2019U
Authority: AT
Original assignee: Tridonic Gmbh & Co Kg
Priority date: 2019-03-12
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2023-03-15
Also published as: DE202019101381U1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule mit einer Spulenwicklung, einem magnetischen Kern und zumindest einem Wärmeableiter (6a, 6b, 6c) zum Ableiten von Wärme vom Inneren der Spule (1) nach außen, wobei der aus einem elektrisch leitenden Material bestehende Wärmeableiter (6a, 6b, 6c) mit einer lokalen Wärmestelle des Kerns elektrisch und thermisch verbunden ist.

Description

Beschreibung

SPULE MIT EINEM SPULENKERN MIT LOKALER KÜHLUNG, TRANSFORMATOR MIT EINER SOLCHEN SPULE SOWIE SYSTEM MIT EINEM SOLCHEN TRANSFORMATOR

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine einen magnetischen Kern aufweisende Spule mit einer Kühlungseinrichtung. Die Erfindung betrifft ferner einen Transformator, der eine solche Spule aufweist sowie ein System mit einem solchen Transformator.

[0002] Induktive Bauteile, wie Spulen in Transformatoren, Elektromotoren und Generatoren, können sich durch ohmsche und magnetische Verluste erwärmen. Diese Erwärmung muss bei der Konstruktion der induktiven Bauteile und ihrem Einsatz/Betrieb berücksichtigt werden, damit es nicht zu Beschädigungen oder Störungen des Bauteils selbst oder anderer Bauteile kommt.

[0003] Eine Limitierung der Erwärmung ist insbesondere dann notwendig, wenn Materialen dieser oder benachbarter Bauteile nur bis zu bestimmten Temperaturen funktionieren und/oder ihre technischen Eigenschaften behalten.

[0004] Die DE 20 2015 104 205 U1 offenbart eine Spule mit einem Wärmeableiter, der für eine Ableitung von Wärme an einer Wärmestelle zwischen dem Spulenkern und den Spulenwicklungen von dieser Wärmestelle nach außen führt. Der Aufbau mit dem zwischen dem Spulenkern und den Spulenwicklungen angeordneten Wärmeableiter ist jedoch komplex und macht die Spule teuer. Spulen gelten jedoch generell als einfache Bauteile und werden auch in einfachen Systemen verwendet. Dort lässt sich die Weitergabe der Produktionskosten an den Endkunden nur schwer vermitteln.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen anzugeben, die die beschriebenen Probleme verringern ohne dabei zu einer Erhöhung der Produktionskosten zu führen. Aufgabe ist es insbesondere, eine Spule, einen Transformator und ein Kühlsystem bereitzustellen, mit denen die Erwärmung der Spule bzw. des Transformators mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau verringert werden kann.

[0006] Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Erfindung wird durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche weitergebildet.

[0007] Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Spule eine Spulenwicklung, einen magnetischen Kern und zumindest einen Wärmeableiter zum Ableiten von Wärme aus dem Inneren der Spule nach außen auf, wobei der aus einem elektrisch leitenden Material bestehende Wärmeableiter mit einer lokalen Wärmestelle des Kerns elektrisch und thermisch verbunden ist. Das Vorsehen des Wärmeableiters an einer lokalen Wärmestelle des Kerns erlaubt einen einfachen Aufbau, eine gute Kühlung der Spule und durch die elektrische Verbindung eine Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV). Die genaue Position der Wärmestelle (englisch: Hotspot) lässt sich durch die Auslegung der Spule gezielt beeinflussen. Die Auslegung der Spule sowie die Position, an der die Wärme ableiten angeordnet sind, sind daher bei der erfindungsgemäßen Spule aufeinander abgestimmt. Damit wird ein besonders effizientes Ableiten der in der magnetischen Kern erzeugten Wärme ermöglicht. Abgesehen von der damit erreichten insgesamt besseren Kühlung wird auch eine gleichmäßigere Temperaturverteilung ermöglicht.

[0008] Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausführungen, die in den Unteransprüchen definiert sind.

[0009] Die Verbindung zwischen dem Wärmeableiter kann eine Schraub-, Klemm- oder Klebeverbindung sein. Damit keine Kombination aus dem Wärmeableiter sowie dem magnetischen Kern aus mehreren Teilen gefertigt werden. Die entstehende, vergleichsweise komplexe Form, wird damit durch eine Fügetechnik erzielt, wodurch die Produktionskosten niedrig gehalten werden können. Ein Herstellen in einem Stück des magnetischen Kerns ist damit nicht erforderlich. Vorzugsweise ist zumindest der Teil des Wärmeableiters, der mit der lokalen Wärmestelle des Kerns verbunden ist, nicht zwischen dem Kern und der Spulenwicklung angeordnet. Die lokale Wärmestelle kann im Inneren des Kerns angeordnet sein.

[0010] Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Transformator, beispielsweise ein Spartransformator, zumindest eine Spule wie oben beschrieben auf. Alternativ kann der Transformator auch mehrere galvanisch getrennte Spulenwicklungen und einen die Spulenwicklungen magnetisch koppelnden Kern aufweisen, mit dem der Wärmeableiter wie oben beschrieben elektrisch und thermisch verbunden ist.

[0011] Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein System zumindest ein Kühlelement zum Abgeben von Wärme an seine Umgebung und eine der beschriebenen Spulen und/oder einen der beschriebenen Transformatoren auf, wobei das Kühlelement mit dem sich außerhalb der Spule befindlichen Teil des Wärmeableiters elektrisch und thermisch verbunden ist.

[0012] Das Kühlelement ist vorzugsweise eine metallisierte Fläche einer Leiterplatte. Die metallisierte Fläche kann elektrisch mit einer Masseverbindung der Leiterplatte verbunden sein. Die metallisierte Fläche bzw. das Kühlelement kann sich auf der Leiterplatte zumindest teilweise unterhalb der Spule bzw. des Transformators befinden. Vorzugsweise befindet sich die metallische Fläche auf der von der Spule bzw. von dem Transformator abgewandten Seite der Leiterplatte. Insbesondere kann die metallischere Fläche auf der von der Spule abgewandten Seite der Leiterplatte angeordnet sein.

[0013] Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

[0014] Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Spule gemäß der vorliegenden Erfindung,

[0015] Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel der Spule gemäß der vorliegenden Erfindung, und

[0016] Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des Spulen-Kühlsystems gemäß der vorliegenden Erfindung.

[0017] Komponenten mit gleichen Funktionen sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Zugunsten einer knappen Darstellung der Erfindung wird auf eine wiederholende Beschreibung der entsprechenden Elemente verzichtet.

[0018] Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer Spule 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer Seitenansicht. Die in Fig. 1 gezeigte Spule 1 weist einen magnetischen Kern 2, einen Spulenkörper 3 mit Spulenwicklungen (nicht gezeigt), vier elektrische Anschlüsse 4..7, die auf der Unterseite der Spule 1 aus dem Spulenkörper 3 herausführen und mit den Spulenwicklungen elektrisch verbundenen sind, und zwei mit dem Kern 2 verbundene Wärmeableiter 8, 9 auf.

[0019] Der Kern 2 ist in dem gezeigten Beispiel ein El-Kern in Mantelbauform und weist auf seiner Unterseite bzw. der Unterseite der Spule 1 zwei Bohrungen bzw. Ausnehmungen 10, 11 auf, in die jeweils einer der Wärmeableiter 8, 9 eingesetzt ist. Die Bohrungen 10, 11 befinden sich idealerweise an besonders heißen Stellen, den sogenannten „Hotspots“ innerhalb des Kerns 2. Idealerweise sind die Bohrungen also so angeordnet, dass die Wärme im Ergebnis in den eingesetzten Wärmeableitern erzeugt wird. Die Wärmeableiter 8, 9 bestehen aus einem sowohl elektrisch leitenden als auch wärmeleitenden Material und dienen dem Ableiten von Wärme aus dem Kern 2 und somit letztlich der Kühlung der Spule 1 sowie der Erdung des Kerns 2. Der sich außerhalb der Bohrung 10, 11 befindliche Teil der Wärmeableiter 8, 9 gibt die von dem Kern aufgenommenen Wärme an die Umgebung und/oder an ein zusätzliches Kühlelement, wie beispielsweise einen Kühlkörper oder Kühlfläche auf der Leiterplatte, ab.

[0020] Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Spule 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, bei dem die Wärmeableiter 8, 9 nicht in den Kern 2 eingeführt sind, sondern am Kern 2 mittels eines elektrisch leitenden und wärmeleitenden Klebers 12 an sich gegenüberliegenden Seiten insbesondere im Bereich der Ecken des Kerns 2 befestigt sind. Die Wärmeableiter 8, 9 sind an den Klebestellen für eine gute Wärmeaufnahme flächig ausgebildet und leiten die von den Seitenoberflächen des Kerns aufgenommene Wärme ab. Eine solche Anordnung reduziert die Kosten zur Fertigung der erfindungsgemäßen Spule weiter. Die vergleichsweise aufwändige

Fertigung mit den Bohrungen nach dem ersten Ausführungsbeispiel wird vereinfacht. Der spanende Fertigungsschritt beim Erstellen der Bohrungen entfällt. Stattdessen ist lediglich an der gut zugänglichen Außenseite eine Beklebung vorzunehmen.

[0021] Bei dem in Fig. 3 gezeigten System gemäß der vorliegenden Erfindung ist die in Fig. 2 gezeigte Spule 1 auf eine Leiterplatte 13 (Leiterkarte, Platine oder gedruckte Schaltung; englisch printed circuit board, PCB) montiert. Die vier elektrischen Anschlüsse 4..7 sind mit Leiterbahnen (nicht gezeigt) der Leiterplatte 13 durch Löten verbunden.

[0022] Unterhalb der Spule 1 befindet sich eine als Kühlkörper dienende und ein Kühlelement bildende Metallplatte 14, mit der die Wärmeableiter 8, 9 elektrisch und wärmeleitend verbunden sind. Die Ausdehnung des Kühlkörpers 13 auf der Unterseite der Leiterplatte 1 entspricht zumindest ungefähr der Ausdehnung der Spule 1 auf der Oberseite. Alternativ können die Wärmeableiter 8, 9 mit einer freigelegten Metallschicht der Leiterplatte 1, die als Kühlfläche auf der Unterseite der Leiterplatte 13 dient, elektrisch und wärmeleitend verbunden sein. Die Wärmeableiter 8, 9 sind mit der Metallplatte 14 verlötet oder elektrisch und wärmeleitend verklebt.

[0023] In dem Spulen-Kühlsystem wird die Wärme von dem Kern 2 über die Wärmeableiter 8, 9 an die Metallplatte 14 bzw. die Metallschicht abgegeben, welche einen großen Teil der Wärme durch die Anordnung auf der Unterseite der Leiterplatte 13 nicht wieder in Richtung der Spule 1 nach oben abstrahlt, sondern von der Spule 1 weg nach unten.

[0024] Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Metallplatte 14 bzw. die Metallschicht und somit auch der Kern 2 mit dem Massepotential der Leiterplatte verbunden, was die elektromagnetische Verträglichkeit der Spule verbessert. Es können auch weniger oder mehr als zwei Wärmeableiter 8, 9 mit dem Kern 2 elektrisch und wärmeleitend verbunden sein. Insbesondere können wenigstens 3 solcher Wärmeableiter vorgesehen sein, wodurch als Zusatzeffekt die mechanische Befestigung der Spule auf der Leiterplatte erheblich verbessert wird. Kräfte, die eventuell auf die Spule wirken, werden so über die wenigstens drei Wärmeableiter 8, 9 abgestützt und eine mechanische Belastung der vier elektrischen Anschlüsse 4... 7 wird vermieden.

[0025] Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Spulen begrenzt und kann bei allen induktiven Bauelementen mit einem oder mehreren magnetischen Kernen, wie Transformatoren, Motoren oder Generatoren angewendet werden.

Claims

Ansprüche

1. Spule mit

einer Spulenwicklung,

einem magnetischen Kern und

zumindest einem Wärmeableiter (6a, 6b, 6c) zum Ableiten von Wärme vom Inneren der Spule (1) nach außen, dadurch gekennzeichnet, dass

der aus einem elektrisch leitenden Material bestehende Wärmeableiter (6a, 6b, 6c) mit einer lokalen Wärmestelle des Kerns elektrisch und thermisch verbunden ist.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeableiter an der lokalen Wärmestelle mit dem Kern verklebt ist.

3. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Teil des Wärmeableiters (6a, 6b, 6c), der mit der lokalen Wärmestelle des Kerns verbunden ist, nicht zwischen dem Kern (4) und der Spulenwicklung (1) angeordnet ist.

4. Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Wärmestelle im Inneren des Kerns angeordnet ist.

5. Transformator mit zumindest einer Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

6. System mit zumindest einer Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und/oder einem Transformator nach Anspruch 5 und einem Kühlelement (14) zum Abgeben von Wärme an seine Umgebung, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) mit dem sich außerhalb der Spule befindlichen Teil (6b, 6c) des Wärmeableiters (6b, 6c) elektrisch und thermisch verbunden ist.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement (14) eine metallisierte Fläche einer Leiterplatte (7) ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallisierte Fläche elektrisch mit einer Masseverbindung der Leiterplatte (7) verbunden ist.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) oder der Transformator auf der Leiterplatte (7) angebracht ist und sich die metallisierte Fläche zumindest teilweise unterhalb der Spule (1) bzw. des Transformators befindet.

10. System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (1) oder der Transformator auf der Leiterplatte (7) angebracht ist und sich die metallisierte Fläche auf der von der Spule (1) bzw. von dem Transformator abgewandten Seite der Leiterplatte (7) befindet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen