DE102007006160A1

DE102007006160A1 - Elektrische Spule

Info

Publication number: DE102007006160A1
Application number: DE200710006160
Authority: DE
Inventors: Tobias Danzer; Josef Burger; Konrad Dr. Huber; Björn Karlson; Reinhard Dr. Maier; Hubert Dr. Schierling
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-02-07
Publication date: 2008-08-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule (1) mit einer von einem elektrischen Leiter gebildeten Wicklung (3), die in einer sie umschließenden elektrisch isolierenden Ummantelung (10) eingebettet ist, wobei die Ummantelung (10) in thermischem Kontakt mit der Wicklung (3) steht und zumindest teilweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Spule mit einer aus einem elektrischen Leiter gebildeten Wicklung. Vor allem in höheren Leistungsbereichen ist die Wärmeentwicklung von Spulen problematisch, insbesondere dann, wenn gleichzeitig eine verkleinerte Spulengeometrie bzw. Spulenbauform gefordert wird. In diesen Fällen erhöht sich die Dichte des von der Spule erzeugten Magnetfelds bzw. die Energiedichte, was mit einer erhöhten nicht tolerierbaren Wärmeentwicklung verbunden ist.
Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Spule vorzuschlagen, die bei kleinen Abmessungen relativ große Leistungen zulässt.
Diese Aufgabe wird nach Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Wicklung in einer sie umschließenden elektrisch isolierenden Ummantelung eingebettet ist, wobei die Ummantelung in thermischem Kontakt mit der Wicklung steht und zumindest teilweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Diese Ausgestaltung gewährleistet eine thermische Verbindung zwischen der Spulenwicklung und einer Wärmesenke, beispielsweise der Umgebung, und dementsprechend eine verbesserte Wärmeabfuhr. Eine erfindungsgemäße Spule kann daher eine gegenüber herkömmlichen Spulen gleicher Leistungsklasse verringerte Baugröße aufweisen, ohne dass dadurch eine Überhitzung zu befürchten wäre.
Der erfindungsgemäße Gedanke lässt sich sowohl bei Spulen mit und ohne Kern anwenden. Die Wärmeabfuhr von der Wicklung kann noch dadurch gesteigert werden, dass der den Spulenkörper bzw. die Spule axial durchsetzende Hohlraum ebenfalls mit einem eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisenden Material gefüllt ist. Die Spule ist dann vollständig in dem Material eingebettet. Dabei kann es sich um das Material handeln, aus dem auch die Ummantelung zumindest teilweise besteht. Es kann aber auch ein anderes Material eingesetzt werden. Vorzugsweise wird ein im fließfähigen Zustand verarbeitbares Kunststoffmaterial verwendet. Mit einem solchen Material lässt sich das Ummanteln der Wicklung und/oder das Ausfüllen des Spulenkörpers im Spritzgussverfahren oder im Gießverfahren, letzteres z. B. mit einem Zweikomponenten-Gießharz, bewerkstelligen. Vorzugsweise ist das Kunststoffmaterial mit wenigstens einem elektrisch isolierenden Füllstoff hoher Wärmeleitfähigkeit versetzt. Die Wärmeleitfähigkeit eines solchen Compounds ist umso höher, je mehr Füllstoffpartikel in gegenseitigem Kontakt miteinander stehen, d. h. es sind relativ hohe Füllgrade zweckmäßig. Als elektrisch isolierende Füllstoffe mit im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen erhöhter Leitfähigkeit werden insbesondere Aluminiumoxid, Quarzmehl, Bornitrid und Aluminiumnitrid verwendet. Als Kunststoffmaterialen werden bevorzugt LCP, PA, PP und PPS eingesetzt.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ummantelung zumindest teilweise von einem Gehäuse umschlossen ist. Dies hat den Vorteil, dass bei der Auswahl des Materials für die Ummantelung im Wesentlichen dessen Wärmeleitfähigkeit im Vordergrund steht und an ein Gehäusematerial gestellte Anforderungen, wie Festigkeit oder Entflammbarkeit außer Acht bleiben können.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen schematisierten Querschnitt durch eine Spule mit Kern,
2 einen Schnitt entsprechend Linie II-II in 1,
3 eine Spule ohne Kern in einer 1 entsprechenden Darstellung.
In 1 ist eine Spule 1 schematisch dargestellt. Sie umfasst in herkömmlicher Weise einen Spulenkörper 2 der eine eine Vielzahl von Windungen aufweisende Wicklung 3 eines elektrischen Leiters, in der Regel eines Kupferdrahtes, trägt. Der Spulenkörper 2 ist in Axialrichtung 4 von einem Hohlraum 5 durchsetzt, der von dem Mittelschenkel 6 eines E-förmigen, beispielsweise ferritischen Kerns 7 durchgriffen ist. Die beiden Außenschenkel 8 des Kerns 7 flankieren die Wicklung 3 unter Einhaltung eines Abstandes 9.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr von der Wicklung 3 ist diese von einer Ummantelung 10 eingebettet. Die Ummantelung 10 besteht aus einem elektrisch isolierenden Material, welches eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und welches z. B. stoffschlüssig mit dem Leiter der Wicklung verbunden ist und dadurch in engem thermischen Kontakt mit ihr steht. Die Ummantelung 10 ist so bemessen, dass sie die Wicklung 3 und die Außenschenkel 8 des Kerns 7 im Wesentlichen vollständig einbettet. Die Ummantelung 10 ist von einem Gehäuse 12 umschlossen. Dieses besteht aus einem Material, das gegenüber dem Material der Ummantelung 10 beispielsweise eine erhöhte mechanische Festigkeit aufweist. Das Material des Gehäuses 12 weist idealerweise auch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf. In jedem Fall ist es, um die Wärmeabgabe über seine Außenseite 13 an die Umgebung möglichst wenig zu behindern, so dünn wie möglich ausgestaltet. Hinsichtlich der Wärmeübertragung an die Umgebung ist es weiterhin zweckmäßig, die Zwischenräume 14 zwischen dem Gehäuse 12 und der Wicklung 3 sowie den Außenschenkeln 8 möglichst klein zu wählen.
Zur Herstellung einer Spule entsprechend 1, 2 kann der mit einer Wicklung 3 versehende Spulenkörper 2 zusammen mit dem Kern 7 innerhalb eines beispielsweise quaderförmigen, einseitig geöffneten Gehäuses 12 positioniert und das Gehäuse mit einer Vergussmasse, beispielsweise einer Zwei-Komponenten-Vergussmasse oder einem thermoplastischen Kunststoff ausgegossen werden. Dankbar ist es auch, den Spulenkörper 2 mit Wicklung 3 und Kern 7 in dem Formhohlraum einer Spritzgussform zu positionieren und den die genannten Teile umgebenden Hohlraum mit einer Spritzgussmasse auszuspritzen. In einem zweiten Schritt kann das entstehende Vorprodukt in einem weiteren Spritzgussschritt mit einem Gehäuse umspritzt werden.
3 zeigt eine Spule 1a ohne Kern. Die Wicklung 3 ist, wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel auch, von einer Ummantelung 10 umhüllt. Diese ist beispielsweise stoffschlüssig mit der Wicklung 3 bzw. den sie bildenden elektrischen Leitern verbunden, steht also in engem thermischen Kontakt mit der Wicklung. Da Luft ein relativ schlechter Wärmeleiter ist, ist es zweckmäßig, wenn auch der den Spulenkörper 2 durchsetzende Hohlraum 5 mit einer Masse 11 mit hoher Wärmeleitfähigkeit, etwa demselben Material aus dem die Ummantelung 10 besteht, gefüllt ist. Die Herstellung einer Spule 1a kann auf die oben beschriebene Weise, also im Spritzguss- oder Gießverfahren erfolgen. Ein die Ummantelung 10 umschließendes Gehäuse 12 ist auch hier relativ dünn gestaltet, um den Wärmetransport an die Außenseite 13 des Gehäuses möglichst wenig zu behindern. Gleiches trifft für den zwischen Gehäuse 12 und Wicklung 3 vorhandenen Zwischenraum 14a zu.
Das wärmeleitende Kunststoffmaterial ist ein Compound aus einer Kunststoffmatrix, beispielsweise aus LCP, PA, PP und PPS und einem elektrisch isolierenden Füllstoff. LCP sind Flüssigkristallpolymere (liquid cristal polymers), beispielsweise flüssigkristalline Polyester. PPS steht für Polyphenylensulfid. Die Wärmeleitfähigkeit der an sich schlecht wärmeleitenden Kunststoffe wird durch einen anorganischen Stoff, beispielsweise Aluminiumoxid, Quarzmehl, Bornitrid und Aluminiumnitrid gewährleistet. Je nach Anteil und Art der verwendeten Füllstoffe lassen sich Wärmeleitfähigkeiten von beispielsweise 1 W/mK bis 10 W/mK erreichen.

Claims

Elektrische Spule mit einer von einem elektrischen Leiter gebildeten Wicklung (3), die in einer sie umschließenden elektrisch isolierenden Ummantelung (10) eingebettet ist, wobei die Ummantelung (10) in thermischem Kontakt mit der Wicklung (3) steht und zumindest teilweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht.
Spule nach Anspruch 1, bei der eine dieser axial durchsetzende Hohlraum mit einem elektrisch isolierenden Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
Spule nach Anspruch 1 oder 2, bei der das eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisende Material ein im fließfähigen Zustand verarbeitbares Kunststoffmaterial ist.
Spule nach Anspruch 3, bei der das Kunststoffmaterial wenigstens einen elektrisch isolierenden Füllstoff hoher Wärmeleitfähigkeit enthält.
Spule nach Anspruch 4, bei der das Kunststoffmaterial einen anorganischen Füllstoff enthält.
Spule nach Anspruch 6, bei der das Kunststoffmaterial wenigstens einen Füllstoff aus der Gruppe Aluminiumoxid, Quarzmehl, Bornitrid und Aluminiumnitrid enthält.
Spule nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei der das Kunststoffmaterial ausgewählt ist der Gruppe LCP, PA, PP, und PPS
Spule nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Ummantelung zumindest teilweise von einem Gehäuse (12) umschlossen ist.