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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente, und insbesondere eine flüssigkeitsgekühlte, passive, induktive Komponente, wie z. B. eine Drossel oder einen Transformator.
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Wassergekühlte oder allgemeiner flüssigkeitsgekühlte induktive Komponenten, wie Drosseln und Transformatoren, finden in der industriellen Stromrichtertechnik seit Jahren Anwendung.
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Es gibt unterschiedliche Methoden zur Kühlung derartiger Bauteile. Eine induktive Komponente besteht in der Regel aus einer Spule, beispielsweise einer Wicklung aus Kupfer oder Aluminium, und einem magnetischen Eisenkreis, beispielsweise aus weichmagnetischem Siliziumeisen.
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Bekannte Lösungsansätze zur Flüssigkeitskühlung derartiger Bauteile bestehen darin, die Spule aus Hohlleitern bzw. Kupferrohren zu realisieren, durch die die Flüssigkeit fließen muss. Dies hat diverse Nachteile hinsichtlich erforderlicher Isolationsmaßnahmen aufgrund elektrischer Leitfähigkeit des Fluids zur Folge. Ferner kann nur die Wicklung, d. h. die Spule, selbst gekühlt werden. Im Eisenkern entstehende Verluste werden mehr oder minder weiterhin über die Oberfläche desselben an die Umgebungsluft angegeben.
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Außerdem gibt es Lösungen, bei denen die komplette induktive Komponente in einen geschlossenen Behälter, in dem Fluid angeordnet ist, getaucht ist, so dass das gesamte Bauteil gekühlt wird. Eine Form einer derartigen Vorrichtung ist beispielsweise in der
DE 37 43 222 A1 offenbart. Wie ohne Weiteres ersichtlich ist, bringt eine solche Vorgehensweise einen erheblichen Aufwand zur Realisierung von Isolationsmaßnahmen und Dichtigkeitsanforderungen mit sich.
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Bei anderen bekannten Lösungsansätzen werden Kühlplatten an die Stirnseiten des magnetischen Eisenkerns der induktiven Komponente montiert. Bei derartigen Varianten wird aber hauptsächlich der magnetische Eisenkern und nur in geringem Maße die Wicklung mitgekühlt.
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Ein Mittel- und Hochfrequenz-Leistungstransformator, bei dem ein Eisenkern mit Wasser gekühlt wird, ist aus der
DE 1057219 bekannt.
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Aus der
DE 28 54 520 ist eine elektrische Spule bekannt, bei der mit der Wicklung ein von einem Kühlmittel durchströmbares Rohr mitgewickelt ist, das ein abgeflachtes Profil besitzt, mit der Wicklung engen Kontakt hat und aus einem amagnetischen, elektrisch isolierenden Material besteht.
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In der
WO 2009/143643 A1 ist eine wassergekühlte Drossel beschrieben, bei der ein Flachkühler zwischen mindestens zwei Scheibenspulen angeordnet ist.
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Die Erfindung der vorliegenden Aufgabe besteht darin, eine flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente zu schaffen, bei der auf einfache Weise sowohl eine Wicklung als auch ein magnetischer Kern, um den die Wicklung gewickelt ist, gekühlt werden können.
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Diese Aufgabe wird durch eine flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente, mit folgenden Merkmalen:
einem magnetischen Kern;
Druckstücken, die auf zwei gegenüberliegenden Seiten des magnetischen Kerns angeordnet sind und direkt oder über ein wärmeleitfähiges Material mit dem magnetischen Kern in mechanischem Kontakt sind;
einer Wicklung, die um den magnetischen Kern und die Druckstücke gewickelt ist, so dass die Druckstücke zwischen Abschnitten des magnetischen Kerns und der Wicklung angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die Druckstücke als Hohlkörper mit Kühlmittelanschlüssen ausgebildet sind, und dass Abschnitte der Wicklung direkt oder über ein wärmeleitfähiges Material an den Druckstücken anliegen.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass eine Flüssigkeitskühlung für eine induktive Komponente auf einfache und wirksame Weise erreicht werden kann, indem Druckstücke, die den Zweck haben, einen Druck auf einen magnetischen Eisenkern auszuüben, um diesen zu verpressen oder zu halten, als Hohlkörper ausgebildet werden, der Kühlmittelanschlüsse aufweist, um eine Kühlung sowohl der Wicklung als auch des magnetischen Kerns über die als Hohlkörper ausgebildeten Druckstücke zu ermöglichen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit eine flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente mit einem möglichst einfachen Aufbau, die möglichst kostengünstig gefertigt werden kann. Ferner ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung, dass nahezu 90% oder mehr der gesamten Verlustleistung, die beim Betrieb der induktiven Komponente anfällt, sowohl von der elektrischen Spule als auch von dem magnetischen Eisenkern abgeführt werden. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung ein im Vergleich zu existierenden Techniken wesentlich kleineres, leichteres, kompakteres und somit auch kostengünstigeres Bauteil.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weisen die Druckstücke zwei Kühlmittelanschlüsse in zwei voneinander beabstandeten Endbereichen derselben auf, die von einem Fluidkanal verbunden sind. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der Fluidkanal eine Mehrzahl von Abschnitten mit unterschiedlichem Flussquerschnitt verteilt über den Flusskanal auf, um die Erzeugung einer turbulenten Strömung in dem Flusskanal zu ermöglichen. Bei Ausführungsbeispielen definieren innere Wandungen des Hohlkörpers einen ersten Querschnitt, wobei in dem Hohlkörper Flussquerschnittreduzierungsmittel vorgesehen sind, die einen Flussquerschnitt des Fluidkanals verglichen mit dem ersten Querschnitt zumindest abschnittsweise reduzieren. Somit ist es möglich, eine deutlich erhöhte Strömungsgeschwindigkeit eines Kühlmittels in dem Fluidkanal zu erreichen. Ferner ist es möglich, eine turbulente Strömung eines Kühlmittels durch den Fluidkanal erzeugen zu können.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Bereich der Druckstücke, an dem die Wicklung anliegt, im Querschnitt gekrümmt, beispielsweise kreisbogensegmentförmig und insbesondere halbkreisförmig. Dadurch ist es möglich, dass ein wesentlicher Teil der Länge der Wicklung, beispielsweise mindestens 50% oder mindestens 60% der gesamten Länge der Wicklung an den Druckstücken anliegen, so dass ein guter Wärmetransport von der Wicklung zu den Druckstücken möglich ist.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ferner ein thermisch isolierendes Material vorgesehen, das zumindest auf der Wicklung vorgesehen ist, um ein Abstrahlen von Wärme an die Umgebung zu verhindern. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, dass die an die Umgebung abgegebene Verlustwärme weiter reduziert wird.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter einem Hohlkörper ein Körper verstanden werden, der eine äußere Wand aufweist, die einen inneren Hohlraum umgibt, wobei die äußere Wand eine Wandstärke von maximal 5 mm aufweist. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann unter einem Hohlkörper eine Halbrohr, ein Segmentrohr oder ein Gebilde mit zumindest abschnittsweise gekrümmten (zumindest dort, wo die Wicklung anliegt) Segmenten verstanden werden, das eine Wandstärke von maximal 5 mm aufweist.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wir ein gekühlter Hohlkörper als Druckstück verwendet, was deutliche Vorteile mit sich bringt. Zum einen können zusätzliche Verluste durch eine eventuell vorhandene Ummagnetisierbarkeit des Materials, aus dem das Druckstück besteht, und zusätzliche Wirbelstromverluste, die entstehen würden, wenn das Material leitfähig ist, reduziert bzw. vermieden werden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht das Druckstück aus einem leitfähigen metallischen Material, da andere Materialien, die beispielsweise auf Kunststoffen basieren, erheblich schlechtere Wärmeleitfähigkeitswerte aufweisen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1a und 1b eine schematische perspektivische Darstellung und eine Explosionsdarstellung einer flüssigkeitsgekühlten induktiven Komponente gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2a und 2b eine schematische perspektivische Ansicht und eine schematische Querschnittdarstellung eines Druckstücks;
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3a und 3b eine schematische perspektivische Ansicht und eine schematische Querschnittansicht eines alternativen Druckstücks;
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4a und 4b eine schematische perspektivische Ansicht und eine schematische Querschnittansicht eines weiteren alternativen Beispiels eines Druckstücks;
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5 und 6 schematische Darstellungen einer flüssigkeitsgekühlten induktiven Komponente gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind auf eine flüssigkeitsgekühlte, passive, induktive (elektromagnetische) Komponente gerichtet, wie beispielsweise eine Drossel oder einen Transformator. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Lage, die beim Betrieb entstehende thermische Verlustleistung, sowohl von einer elektrischen Spule, also der Wicklung, als auch von dem magnetischen Kern selbst über ein Kühlmedium abzugeben. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Wicklung aus Kunststoff-isoliertem Kupfer oder Aluminium bestehen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Eisenkern aus weichmagnetischen Eisenblechen, wie z. B. Siliziumblech, bestehen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann als Kühlmedium Wasser eingesetzt werden.
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Die stark ansteigenden Energie- und Materialkosten bringen Hersteller von elektronischen und elektromagnetischen Bauteilen zu immer effizienteren, kompakteren und leistungsfähigeren Bauteilen. Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente, die den heutigen technischen Anforderungen gerecht wird und die obigen Anforderungen erfüllt. Induktive Komponenten, beispielsweise Drosseln und Transformatoren, werden im mittleren bis großen Leistungsbereich, bis zu einigen Megawatt, in der Regel in dreiphasiger Bauweise ausgeführt. Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen flüssigkeitsgekühlten, induktiven Komponente können dabei auf eine solche dreiphasige Bauweise gerichtet sein. Für einen solchen Aufbau stehen standardisierte magnetische Kerne in genormten Abmessungen zur Verfügung. Ebenso sind Spulenkörper, Isolationsmaterialien, Fußwinkel und sogenannte Druckstücke und noch weitere standardisierte Bauteile für viele Normgrößen von diversen Herstellern zu erhalten. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Verwendung derartiger standardisierter Bauteile.
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Bei bekannten induktiven Komponenten werden sogenannte Druckstücke verwendet, um einen auf geschichteten Eisenbleche bestehenden magnetischen Eisenkern mechanisch fest zu verpressen. Die Druckstücke sind dabei im Allgemeinen ein einfaches Flachmaterial aus Aluminium oder anderen Metallen oder auch Kunststoffen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung werden genau diese Druckstücke um einige entscheidende Funktionen erweitert.
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Die 1a und 1b zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer dreiphasigen Bauweise.
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Die in den 1a und 1b gezeigte flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente weist einen magnetischen Kern 10 auf. Der magnetische Kern 10 umfasst drei voneinander beabstandete Schenkel 10a, 10b, 10c, die an den Enden derselben über Joche 12, 14 verbunden sind. Der magnetische Kern kann auf bekannte Weise aus geschichtetem Eisenblech bestehen und/oder kann beispielsweise aus einem weichmagnetischen geschichteten Siliziumeisen bestehen.
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Für jeden Schenkel des Magnetkerns sind, wie in den 1a und 1b gezeigt ist, Druckstücke auf zwei gegenüberliegenden Seiten des magnetischen Kerns 10 angeordnet, nämlich Druckstücke 16a und 18a für den rechten Schenkel 10a, Druckstücke 16b und 18b für den mittleren Schenkel 10b, und Druckstücke 16c und 18c für den linken Schenkel 10c. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Druckstücke in direktem mechanischem Kontakt mit dem magnetischen Kern. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann ein wärmeleitfähiges Material zwischen den Druckstücken und dem magnetischen Kern angeordnet sein.
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Die Druckstücke können aus einem beliebigen geeigneten, wärmeleitfähigen Material gebildet sein, beispielsweise Aluminium, anderen Metallen oder wärmeleitfähigen Kunststoffen.
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Eine Wicklung 20a ist um den rechten Schenkel 10a des magnetischen Kerns und die Druckstücke 16a und 18a gewickelt, so dass die Druckstücke 16a und 18a zwischen Abschnitten des magnetischen Kerns und der Wicklung 20a angeordnet sind. Eine Wicklung 20b ist auf gleiche Weise um den mittleren Schenkel 10b und die Druckstücke 16b und 18b gewickelt, und eine Wicklung 20c ist auf die gleiche Weise um den linken Schenkel 10c und die Druckstücke 16c und 18c gewickelt. Auf der Oberseite und der Unterseite der Wicklungen stehen Abschnitte des magnetischen Kerns 10 und der Druckstücke 16a bis 18c aus den Wicklungen 20a, 20b, 20c vor, wie es in 1a gezeigt ist.
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Die Wicklungen können beispielsweise aus einem isolierten Kupferdraht bestehen, wobei ein Isolationsmaterial des isolierten Kupferdrahts einen Kunststoff aufweisen kann, der eine vorzugsweise gute thermische Leitfähigkeit aufweist.
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Bei Ausführungsbeispielen kann die Wicklung einlagig gewickelt sein.
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Die Druckstücke 16a bis 18c sind als Hohlkörper ausgebildet, die jeweilige Kühlmittelanschlüsse 22 an voneinander beabstandeten Endbereichen aufweisen. Einige der Kühlmittelanschlüsse 22 können über Fluidleitungen 24 miteinander verbunden sind, um einen seriellen Flüssigkeitskreislauf zu implementieren.
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So ist bei dem in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiel der untere Kühlmittelanschluss 22 des Druckstücks 18a mit dem oberen Kühlmittelanschluss 22 des Druckstücks 16a verbunden, der untere Kühlmittelanschluss 22 des Druckstücks 16a ist mit dem oberen Kühlmittelanschluss des Druckstücks 16b verbunden, der untere Kühlmittelanschluss des Druckstücks 16b ist mit dem oberen Kühlmittelanschluss des Druckstücks 16c verbunden, und der untere Kühlmittelanschluss des Druckstücks 16c stellt einen Einlass- oder Auslass-Anschluss dar, über den der serielle Flüssigkeitskreislauf an einen externen Kühlkreislauf angeschlossen werden kann.
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Auf vergleichbare Weise können die Kühlmittelanschlüsse der Druckstücke auf der Rückseite miteinander verbunden sein, um den seriellen Flüssigkeitskreislauf zu vollenden, wobei einer der Kühlmittelanschlüsse auf der Rückseite als Einlass/Auslass-Anschluss dienen kann. Beispielsweise kann der obere Kühlmittelanschluss des Druckstücks 18a mit dem unteren Kühlmittelanschluss des Druckstücks 18b verbunden sein, der obere Kühlmittelanschluss des Druckstücks 18b kann mit dem unteren Kühlmittelanschluss des Druckstücks 18c verbunden sein, und der obere Kühlmittelanschluss des Druckstücks 18c kann einen Einlass/Auslass-Anschluss darstellen. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass auch andere fluidische Verbindungen möglich sind.
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Wie in 1a zu erkennen ist, liegen Abschnitte der Wicklungen 20a, 20b und 20c direkt an den jeweiligen Druckstücken, um die sie gewickelt sind, an. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die entsprechenden Abschnitte der Wicklung über ein wärmeleitfähiges Material an den Druckstücken anliegen.
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Elektrische Anschlüsse für die jeweiligen Wicklungen sind in den 1a und 1b mit dem Bezugszeichen 28 bezeichnet.
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In den 1a und 1b ist ferner eine Halterung dargestellt, die U-förmige Träger 30, 32, 34 und 36 auf der Oberseite und Unterseite der induktiven Komponente umfasst. Die U-förmigen Träger auf der Oberseite und/oder Unterseite können an einer Halteplatte befestigt, beispielsweise angeschweißt, sein. Eine Halteplatte für die oberen Träger 30 und 32 ist in den 1a und 1b mit dem Bezugszeichen 38 bezeichnet. Spannstangen 40 sind vorgesehen, die mit Gewinden versehen sein können, so dass unter Verwendung entsprechender Muttern 42 und optionalen Beilagscheiben 44 die flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente zwischen den U-förmigen Trägem 30, 32, 34 und 36 verspannt werden kann. Um den Halt für die induktive Komponente zu verbessern, können jeweils nach innen vorstehende Laschen 46 an den U-förmigen Trägern vorgesehen sein, die im Bereich der Joche 12, 14 mit dem magnetischen Kern Eingriff nehmen.
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Bei dem in den 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Druckstücke 16a, 16b, 16c, 18a, 18b und 18c als Hohlkörper in Form von Halbrohren ausgeführt. Über die Kühlmittelanschlüsse 22 kann ein jeweiliger Flüssigkeitsfluss durch einen inneren Hohlraum der Druckstücke bewirkt werden, so dass die Druckstücke als Kühldreckstück genutzt werden können. Dem Druckstück kommt somit neben der Aufgabe, einen geblechten Eisenkern mechanisch fest zu verpressen bzw. zusammenzuhalten, die Aufgabe zu, sowohl den Eisenkern als auch die Wicklung zu kühlen, indem Kühlmedium durch das Druckstück, das als Hohlkörper ausgebildet ist, fließt.
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Wie in 1a gezeigt ist, liegt die flache Seite der Druckstücke 16a, 16b, 16c, 18a, 18b und 18c direkt an jeweiligen Abschnitten des magnetischen Eisenkerns 10 an. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die gesamte induktive Komponente, bei der es sich um eine Drossel handeln kann, aus insgesamt sechs Druckstücken aufgebaut, so dass sich eine sehr große Fläche ergibt, an der die entstehende Verlustwärme im magnetischen Eisenkern direkt zum Kühlmedium abfließen kann. Der thermische Widerstand über diesen Weg ist um ein Vielfaches geringer, als wenn die entstehende Verlustleistung über die Oberfläche des magnetischen Eisenkerns an die Umgebungsluft abgegeben werden müsste. Somit verbleibt nur ein geringer Teil der ”Eisenverluste”, der an die Umgebungsluft abgegeben wird.
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Ein zweiter wesentlicher Vorteil, der sich bei der Ausgestaltung der Druckstücke als Halbrohr ergibt, besteht darin, dass die Wicklung auf dem Halbkreis mechanisch sehr eng angelegt werden kann. Dadurch kann auch hier ein sehr geringer thermischer Widerstand von dem Wicklungsmaterial, d. h. dem Material, aus dem die Spule gewickelt wird, hin zu den Druckstücken, die eine Verlustleistungsenergie aufnehmen, entstehen. Betrachtet man beispielsweise den mechanischen Aufbau der gesamten Drossel, so können ca. zwei Drittel der gesamten Länge der Wicklung, d. h. der gesamten Spulenlänge, direkt an den Druckstücken anliegen. Das restliche Drittel liegt mechanisch am Eisenkern, d. h. an den jeweiligen Schenkeln desselben, an. Die in der elektrischen Spule, die durch die Wicklung gebildet ist, entstehende Verlustleistung teilt sich also in Abhängigkeit der thermischen Widerstände auf und fließt zu einem Großteil direkt über das Material der Wicklung, beispielsweise Kupfer, in Richtung der Druckstücke, nämlich dort, wo die Wicklung an den Druckstücken anliegt. Der restliche Teil gelangt über den relativ geringen thermischen Widerstand des Eisenkerns, also durch die Kernmitte hindurch, über die Flächen, an denen die Druckstücke an dem magnetischen Kern anliegen, wieder in die Druckstücke.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann durch geeignete Maßnahmen der Flussquerschnitt in den Druckstücken so reduziert werden, dass das Fluid in den Druckstücken von einer laminaren in eine turbulente Strömung übergeht. Dazu kann sich durch eine Querschnittreduzierung eine höhere Flussgeschwindigkeit ergeben, die ebenfalls zu einer Reduzierung der Übergangswiderstände beiträgt. Ausführungsbeispiele, wie eine Querschnittsreduzierung erreicht werden kann, sind in den 2 bis 4 gezeigt. Diesbezüglich ist anzumerken, dass in den 2 bis 4 die Wandungen der Druckstücke durchsichtig dargestellt sind, um einen Blick auf das Innenleben derselben zu ermöglichen.
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In 2a ist ein Beispiel eines Druckstücks 16 mit zwei Kühlmittelanschlüssen 22 gezeigt, die eine fluidische Verbindung zu einem inneren Hohlraum des Druckstücks herstellen. Ein erster Flussquerschnitt des Druckstücks 16 ist durch die inneren Wandungen 52 des Druckstücks definiert. Dieser Flussquerschnitt ist bei dem in den 2a und 2b gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen in dem inneren Hohlraum angeordneten Körper 54 reduziert. Der Körper 54 weist im Bereich der Kühlmittelanschlüsse 22 einen ersten Querschnitt auf, und in einem mittleren Bereich desselben einen zweiten Querschnitt, der größer ist als der erste Querschnitt. Der Körper 54 weist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen kontinuierlichen Übergang zwischen den Querschnitten auf.
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Ein alternatives Ausführungsbeispiel, bei dem ein Körper 56 ausgebildet ist, um einen gleichmäßigen reduzierten Flussquerschnitt in dem inneren Hohlraum 50 des Druckstücks 16 zu implementieren, ist in den 3a und 3b gezeigt.
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Die 4a und 4b zeigen ein Ausführungsbeispiel eines Druckstücks 16, bei dem eine abschnittsweise Querschnittverjüngung in dem Innenraum 50 des Druckstücks 16 implementiert ist. Wie in 4a gezeigt ist, sind an verteilten Positionen entlang des Druckstücks Hindernisse 60 angeordnet, die eine abschnittsweise Reduzierung des Flussquerschnitts zur Folge haben. Genauer gesagt weisen bei diesem Ausführungsbeispiel Ränder der Hindernisse 60, die mit inneren Oberflächen der Wandungen 52 des Druckstücks 16 in Eingriff sind, Ausnehmungen 62 auf, durch die zusammen mit den inneren Oberflächen der Wandungen ein Flussquerschnitt definiert wird.
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Es ist für Fachleute offensichtlich, dass neben den in den 2 bis 4 gezeigten Flussquerschnittverringerungsmitteln andere Mittel vorgesehen sein können, um eine zumindest abschnittsweise Querschnittverringerung zu erreichen. Beispielsweise können die inneren Wandungen des Druckstücks mit entsprechenden Ausbuchtungen versehen sein, um eine abschnittsweise oder durchgehende Flussquerschnittverringerung zu erreichen.
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Die beschriebene Vorgehensweise unter Verwendung von Druckstücken, die als Kühldruckstücke ausgebildet sind, ermöglicht es, auftretende Verlustleistungen an induktiven Komponenten sowohl von der Wicklung als auch von dem magnetischen Kern gezielt in ein flüssiges Kühlmedium abzuführen. Hierbei können über 90% der gesamten Verlustleistung des induktiven Bauteils in das Kühlmedium, das durch die Druckstücke fließt, gelangen.
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Um die Abstrahlung der Verlustleistung über die Luft nach außen noch weiter zu reduzieren, können bei Ausführungsbeispielen der Erfindung große Flächen der induktiven Komponente, beispielsweise die Wicklung, freiliegende Blechpakete, usw., mit einem dazu geeigneten Material thermisch nach außen isoliert werden. Geeignete Isolationsmaterialien können beispielsweise Textilmaterialien, Fasermaterialien und dergleichen sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der auf den Wicklungen ein thermisches Isolationsmaterial vorgesehen ist, ist in den 5 und 6 gezeigt. Das in den 5 und 6 gezeigte Ausführungsbeispiel entspricht dem oben Bezug nehmend auf 1a gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, dass auf den Ober- und Unterseiten der Wicklungen thermisches Isolationsmaterial 70, 72 vorgesehen ist, und ferner auf den Seitenflächen der Wicklungen thermisches Isolationsmaterial 74 vorgesehen ist. Bei der Darstellung in 5 ist das Isolationsmaterial auf den Seitenflächen weggelassen. Durch das Vorsehen eines entsprechenden thermischen Isolationsmaterials kann sich die thermische Anbindung zu dem Fluid in den Druckstücken 16a bis 16c gegenüber der Umgebungsluft weiter verbessern, da der thermische Widerstand zur Umgebungsluft aktiv erhöht wird. Das in den 5 und 6 gezeigte Ausführungsbeispiel ermöglicht somit eine noch effektivere Ableitung von Verlustwärme.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine flüssigkeitsgekühlte induktive Komponente, die insbesondere für Stromrichteranwendungen geeignet ist. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind Druckstücke aus Halbrohren oder vergleichbaren/ähnlichen Formen ausgebildet, um die Verlustleistung der Induktivität sowohl vom magnetischen Eisenkern als auch vom stromführenden Leitermaterial in das kühlende Fluid abführen zu können. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Form der Bereiche der Druckstücke, an denen die Wicklung anliegt, allgemein gekrümmt, kreisbogensegmentförmig, mehreckig oder halboval sein.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können geeignete Maßnahmen zur Reduzierung des effektiven Querschnitts, in dem das Kühlmedium/Fluid fließt, vorgesehen sein, um eine erhebliche Erhöhung der Fließgeschwindigkeit des kühlenden Fluids, und somit auch eine turbulente Strömung zu erzeugen, wodurch eine erhebliche weitere Reduzierung des thermischen Widerstands vom magnetischen Eisenkern und auch von der elektrischen Wicklung aus erreicht werden kann. Entsprechende Flussquerschnittreduzierungsmittel können ausgebildet sein, um den Flussquerschnitt gegenüber dem durch die inneren Wandungen definierten Flussquerschnitt zumindest abschnittsweise um mehr als 50%, mehr als 80% oder mehr als 90% zu verringern.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können Abschnitte der induktiven Komponente oder die gesamte induktive Komponente mit einem geeigneten thermisch isolierenden Material umwickelt sein, um die abgestrahlte Verlustleistung über die Oberfläche der Induktivität weiter zu reduzieren. Beispielsweise können, wie oben Bezug nehmend auf die 5 und 6 erläutert wurde, die Wicklungen mit einem thermisch isolierenden Material versehen sein. Alternativ könnten auch die an beiden Seiten der Wicklungen vorstehenden Abschnitte des magnetischen Kerns 10 und der Druckstücke 16a, 16b, 16c, 16d, 16e und 16f mit einem thermisch isolierenden Material versehen sein. Das Vorsehen solcher thermisch isolierender Materialien kann zur immensen Vergrößerung des thermischen Widerstands von der Oberfläche der Induktivität zur Umgebungsluft beitragen, was dazu führt, dass der verbleibende Anteil der ursprünglich abgestrahlten Verlustleistung auch noch in Richtung der Druckstücke abfließt, so dass nahezu 100% der Verlustleistung der induktiven Komponente in das Kühlmedium übergehen kann.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde oben anhand einer dreiphasigen induktiven Komponente beschrieben. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass eine induktive Komponente auch aus einer anderen Anzahl von Phasen, d. h. jeweiligen Abschnitten eines magnetischen Kerns, die mit Druckstücken und einer Wicklung versehen sind, bestehen kann. Ausführungsbeispiele der Erfindung können beispielsweise eine einphasige, zweiphasige oder vierphasige Bauweise aufweisen.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der magnetische Kern geschichtete Eisenbleche auf, die verschraubt sein können. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können geschichtete Eisenbleche lediglich durch die Druckstücke und die Wicklungen sowie zusätzliche Halterungselemente (siehe Laschen 46 in 1a und 1b) zusammengehalten werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der magnetische Kern ein solider magnetischer Kern sein.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Kühlmittelanschlüsse in voneinander beabstandeten Endbereichen der Druckstücke angeordnet. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Kühlmittelanschlüsse an anderen Positionen angeordnet sein. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ermöglicht der die Kühlmittelanschlüsse fluidisch verbindende Fluidkanal einen Kühlmittelfluss im Wesentlichen entlang der gesamten Länge des Druckstücks. Beispielsweise können zwei Kühlmittelanschlüsse im Bereich eines Endes des Druckstücks und ein unterteilter Fluidkanal vorgesehen sein, wobei in der einen Hälfte ein Kühlmittelfluss von dem Ende des Druckstücks, in dem die Kühlmittelanschlüsse vorgesehen sind, zu dem entgegengesetzten Ende stattfindet und in der anderen Hälfte ein entsprechender Rückfluss.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Kühlmittelanschlüsse einer Mehrzahl von Druckstücken über eine oder mehrere Fluidleitungen außerhalb der Druckstücke verbunden, um einen seriellen oder parallelen Kühlkreislauf zu implementieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3743222 A1 [0005]
- DE 1057219 [0007]
- DE 2854520 [0008]
- WO 2009/143643 A1 [0009]