DE102011076227A1

DE102011076227A1 - Thermische Anbindung induktiver Bauelemente

Info

Publication number: DE102011076227A1
Application number: DE102011076227A
Authority: DE
Inventors: Dieter Streb; Andreas Ploetzke; Stefan Schmock; Andreas Meier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement, beispielsweise mit einer Drosselspule, wie es etwa zur Glättung der Spannung in einem elektrischen Leiter eingesetzt wird. Eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements (5) hat eine Spule (11, 12), die mindestens eine stromleiteinem Gehäuse (15, 16) aufgenommen. Zwischen Spule (11, 12) und Gehäuse (15, 16) ist ein wärmeleitendes Kissen (13, 14) angeordnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement, beispielsweise mit einer Drosselspule, wie es etwa zur Glättung der Spannung in einem elektrischen Leiter eingesetzt wird.
Bei elektrischen Leitern zur Stromversorgung, zur Übertragung von Signalen oder dgl. können Störungen die anliegende Spannung beeinflussen, die von innerhalb oder außerhalb des Netzes herrühren, mit dem der elektrische Leiter verbunden ist. Um Schäden elektrisch betriebener Geräte infolge eines gestörten Spannungsverlaufs zu vermeiden, werden induktive Bauelemente eingesetzt. Diese können Ringkerninduktivitäten umfassen, bspw. eine Drosselspule mit Kern.
Die Entwärmung (passiver oder aktiver) induktiver Bauelemente kann über die Umgebungsluft erfolgen, wobei auf diese Weise i.d.R. nur eine schlechte thermische Anbindung realisiert werden kann. Es ist auch bekannt, das Bauelement zu vergießen, jedoch sind derartige Verfahren teuer. Ebenso erweist sich auch eine mechanische Fixierung zur thermischen Anbindung nicht vergossener Spulen, etwa in der Leistungselektronik, als aufwendig.
Konkret haben außengewickelte Drosseln meist eine große Toleranz bezüglich ihrer Außenabmessungen. Deshalb werden solche Drosseln meist vollständig vergossen. Beispielsweise kann eine Drossel in einem Gehäuse montiert und dort vergossen werden (die Befestigung der Drossel erfolgt dann über das Gehäuse). Die Wärmeableitung erfolgt von der Drossel (d.h. zum Beispiel Kern und Draht) über den Verguss, das Gehäuse, und meist noch ein weiteres Wärmeleitmedium auf einen Kühlkörper wie etwa eine Kühlplatte.
Bei der beschriebenen Anordnung ist der Wärmeleitpfad lang, d.h. erfolgt über viele unterschiedliche, mehr oder weniger gut wärmeleitende Materialien. Es ergeben sich entsprechende Schwierigkeiten bei der Wärmeabfuhr, die aufwendige und komplexe Lösungen erfordern. Darüber hinaus kann es zur Delamination des Vergusses infolge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen der Materialien von der Wandung des Gehäuses und vom Draht der Drossel kommen. Dadurch wird die Wärmeabfuhr bzw. ein Wärmeübergang an Grenzflächen weiter verschlechtert und auch die mechanische Stabilität kann negativ beeinflusst werden.
DE 10 2004 001 255 A1 offenbart ein Entstörelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das Entstörelement weist mindestens eine Leiterwicklung auf einem Magnetkern auf, und verfügt über einen eingangs- und einen ausgangsseitigen elektrischen Anschluss. Ferner sind die Komponenten in eine Vergussmasse eingegossen. Die Leiterwicklungen untereinander und diese gegenüber der Vergussmasse werden von einem Fluid, beispielsweise Luft, mit einer relativen Dielektrizitätskonstante kleiner 3 getrennt. Ein derartiges Entstörelement soll geeignet sein, Störungen hoher Frequenz effektiv zu dämpfen. Jedoch scheint die Kapazität zur Wärmeableitung begrenzt zu sein.
DE 198 14 897 A1 offenbart ein induktives Bauelementmit einem Ringbandkern, der von Wicklungen umgeben ist. Der umwickelte Ringbandkern ist von einem Metallgehäuse umgeben, welches mit einer Gießmasse ausgefüllt ist. Ferner ist das induktive Bauelement zur Verbesserung der Wärmeabfuhr mit einer stabförmigen Heatpipe versehen, die sich aus einem Bereich im Zentrum des Ringbandkerns durch das Metallgehäuse nach außen erstreckt. Nachteilig an einem solchen induktiven Bauelement sind dessen Komplexität und entsprechend hohe Kosten.
DE 35 22 740 A1 offenbart einen Ringkerntransformator mit einem Ringkern mit umschließender Ringkernwicklung, welches in ein elektrisch isolierendes, wärmeleitfähiges, feinkörniges Streugut eingebettet ist. Das Streugut ist zusammen mit dem Ringkern in ein Aluminiumgehäuse aufgenommen. Auch diese Anordnung scheint sehr komplex zu sein, was entsprechend hohe Kosten bedeutet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein induktives Bauelement mit einer Spule vorgeschlagen. Die Spule umfasst eine stromleitende Drahtwicklung. Die Spule ist in einem Gehäuse aufgenommen. Zwischen Spule und Gehäuse ist mindestens ein wärmeleitendes Kissen angeordnet.
Die Spule kann neben stromleitenden Wicklungen auch offene Wicklungen aufweisen. Das wärmeleitende Kissen kann ein kompressibles Material umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das wärmeleitende Kissen ein Wärmeleitpad umfassen.
Bei bestimmten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen induktiven Bauelements ist das wärmeleitende Kissen mehrschichtig aufgebaut.
Das wärmeleitende Kissen kann aus einem Material bestehen oder aus mehreren Materialien aufgebaut sein. Vorzugsweise werden Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet. Zu solchen Materialien, die eine gute thermische Performance bieten, zählen beispielsweise PCM("Phase Change Materials“)-Materialien, Thermopads, Materialien mit gelartiger Konsistenz oder Gap-Filler-Materialien.
PCM-Materialien sind als solche bekannt. Ein solches Material ist bspw. bei normalen Raumtemperaturen formstabil, d.h. das Material befindet sich in einer festen, halbfesten, glasartigen oder kristallinen, ersten Phase. Das Material kann durch eine Temperaturerhöhung in eine flüssige, zähflüssige oder sonst wie viskose zweite Phase transformiert werden. Der Phasenübergang geeigneter Materialien findet bevorzugt beim oder vor dem Erreichen der Betriebstemperatur des erfindungsgemäßen Bauelementes statt. Befindet sich das PCM in seiner zweiten, bspw. zähflüssigen Phase, trägt das Material zur hohen Wärmeleitfähigkeit des wärmeleitenden Kissens auch durch seine Anformbarkeit an die Spule einerseits sowie Gehäuse(teile) andererseits bei.
Gel-artige wärmeleitende Materialien können bspw. eine elektrisch isolierende, wärmeleitende, hochelastische Elastomerschicht umfassen. Derartige Materialien können sich infolge ihrer Gel-Charakteristik dauerhaft an eine unebene Oberflächenstruktur bspw. einer Drosselspule anformen. Dies gewährleistet maximale Kontaktflächen und so einen guten Wärmeübergang.
Gap-Filler-Materialien können bspw. aus einem Schaumstoff bestehen, das aus einem gelartigen, hoch wärmeleitfähigem Material besteht. Gap-Filler zeichnen sich somit durch hohe Wärmeleitfähigkeit und hohes Formanpassungsvermögen aus.
Das Gehäuse des induktiven Bauelements kann einen Deckel und ein Kühlelement umfassen. Das wärmeleitende Kissen kann sich zwischen Spule und Deckel, sowie zwischen Spule und Kühlelement befinden. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst das induktive Bauelement mehrere Kissen. Hierbei kann ein erstes wärmeleitendes Kissen zwischen der Spule und dem Deckel angeordnet sein, und ein zweites wärmeleitendes Kissen kann zwischen der Spule und dem Kühlelement angeordnet sein.
Das wärmeleitende Kissen kann Zwischenräume zwischen Wicklungen der Spule ausfüllen.
Das erfindungsgemäße induktive Bauelement kann eine Ringkerninduktivität umfassen, die bspw. in einem Innenraum der Spule einen magnetischen Kern in Ringform aufweist.
Es kann eine Befestigung der Spule über das Gehäuse vorgesehen sein. Beispielsweise kann das Gehäuse Befestigungsmittel umfassen, mittels derer das induktive Element angebracht, montiert, etc. werden kann. Das erfindungsgemäße induktive Bauelement kann bspw. als Pressverbund hergestellt werden.
Vorteile der Erfindung
Die einleitend beschriebenen Entwärmungskonzepte induktiver Bauelemente sind nachteilig, weil bspw. eine Entwärmung über die Umgebungsluft einen geringen Wirkungsgrad hat und gleichzeitig eine aufwendige mechanische Fixierung des Bauelements vorgesehen werden muss. Wird eine Spule oder sonstiges induktives Element vergossen, in bzw. mit oder auch ohne ein umgebendes Gehäuse, ergibt sich ein relativ langer Wärmeableitungspfad über eine Mehrzahl unterschiedlicher und unterschiedlich gut leitfähiger Materialien. Bei aufwendig herzustellenden, vergossenen Bauelementen besteht zudem die Gefahr dass sich der Verguss aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen löst, wodurch sich die Wärmeleitung über die Wandung des Gehäuses und über die Spulenwicklungen dann deutlich verschlechtert.
Erfindungsgemäß können induktive Bauelemente vorgesehen werden, die kostengünstig herstellbar sind, und dennoch eine gute und zuverlässige Wärmeableitung ermöglichen.
Die kostengünstige Herstellung ergibt sich unter anderem daraus, dass auf ein teures Vergießen wirksamer Elemente wie einer Spule verzichtet werden kann. Auch kann eine aufwendige mechanische Fixierung einer Spule entfallen, wenn diese mittels der erfindungsgemäß vorgeschlagenen, wärmeleitenden Kissen in ihrem Gehäuse sicher untergebracht sind.
Die Wärmeleitung erfolgt von den Wicklungen der Spule über das oder die wärmeleitenden Kissen und über das Gehäuse an die Umgebung. Die Wärmeleitung durch das Kissen wie auch über die Übergänge zwischen Spulenwicklungen und Kissen, sowie zwischen Kissen und Gehäuse können durch geeignete Ausbildung des Kissen, bspw. geeignete Materialwahl für das Kissen, optimiert werden. So kann ein Kissen kompressibel sein, und/oder kann bspw. aus einem Gap-Filler-Material, PCM-Material oder gelartigem Material hoher Wärmeleitfähigkeit bestehen. Ein solches Kissen formt sich den Wicklungen der Spule gut an, dringt sogar teilweise in die Zwischenräume zwischen den Wicklungen ein, und gewährleistet so einen optimierten Wärmeübergang auch bei Spulen bzw. Drosseln mit großer Außentoleranz. Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements als Pressverbund sichert auf kostengünstige Weise eine gute Anlagerung des Kissens an die Spule, sowie an Gehäuseteile.
Geeignete Materialien und/oder eine geeignete mechanische Fügung der Komponenten des Bauelements, insbesondere des Kissens mit der Spule, stellt eine dauerhaft zuverlässige Wärmeleitung sicher. Wird das Kissen an die Spule angepresst, kommt es nicht wie bei einem Verguss zu Ablösungen der Komponenten untereinander. Auch ein Kleben oder sonstige weitere Befestigung des Kissens wird dabei in der Regel entfallen können, was den Herstellungsprozess kostengünstig hält und die Nachteile wie allmähliches Lösen der Komponenten vermeidet. Insoweit das wärmeleitende Kissen verschiebbar gegenüber den Spulenwicklungen bleibt, ist eine zuverlässige, optimierte Wärmeableitung auch bei mechanischen Erschütterungen des Bauelements gewährleistet; mechanische Spannungen am induktiven Bauelement können minimiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nunmehr anhand der beigefügten Figur eingehender beschrieben. Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in schematischer Form ein Ausführungsbeispiel 5 eines erfindungsgemäßen induktiven Bauelements. Ein magnetischer Drosselkern 10 in Ringform mit hoher Induktivität ist von Drahtwicklungen 11 umgeben, die den magnetischen Kern 10 partiell oder vollständig berühren. Die Drahtwicklungen 11 sind stromleitend, d.h. im Betrieb stromdurchflossen. Zusätzlich können offene stromführende Wicklungen 12 vorgesehen sein, wie dies dem Fachmann an sich bekannt ist.
Die Drahtwicklungen 11, 12 und der magnetische Kern 10 wirken zusammen und ergeben so eine elektrische Drossel. Die Drahtwicklungen 11 und/oder 12 stehen mechanisch und damit thermisch in Kontakt mit zwei wärmeleitenden Kissen 13, 14. Die wärmeleitenden Kissen 13, 14 liegen weiterhin am Gehäuse des Bauelements 5 an, genauer gesagt an Gehäuseteilen 15, 16. Das Gehäuseteil 15 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel ein Deckel, das Gehäuseteil 16 eine Kühlplatte.
Bei den Kissen 13, 14 kann es sich bspw. um Wärmeleitpads handeln, die ein kompressibles Material enthalten, bspw. ein PCM-Material, einen Gap-Filler, oder ein gelartiges Material (oder eine Kombination hiervon). Die Kissen 13, 14, können auch mehrschichtig aufgebaut sein, wobei bspw. eine erste Schicht besonders für die Anlagerung an die Wicklungen 11, 12 und eine zweite Schicht speziell für eine thermisch optimierte Anlagerung an die Gehäuseteile 15, 16 ausgebildet ist.
Die Drossel mit den Wicklungen 11, 12 ist zwischen die zwei wärmeleitenden Kissen 13, 14 eingebettet. Deckel 15 und Kühlplatte 16 sind durch eine mit dem Pfeil 20 angedeutete Verpresskraft zusammengefügt. Durch das Zusammenfügen werden die kompressiblen, wärmeleitenden Kissen 13, 14 gegen die Wicklungen 11, 12 gedrängt. Dadurch drücken sich insbesondere die einzelnen Drähte der offenen Wicklungen 12 in die Wärmeleitpads 13, 14 ein, so dass die Wärmeleitpads bzw. -kissen 13, 14 diese Drähte teilweise umschliesst, bzw. mit anderen Worten, die wärmeleitenden Kissen 13, 14 füllen Zwischenräume zwischen den Drahtwicklungen 11, 12 teilweise aus. Auf diese Weise besteht ein enger mechanischer und thermischer Kontakt zwischen Drahtwicklungen 11, 12 und den wärmeleitenden Kissen 13, 14. und die Betriebswärme kann effizient von den Drähten der Wicklungen 11, 12 abgeführt werden. Die Wärmeleitpads 13, 14 geben die Wärme an die Gehäuseteile 15, 16 ab.
Wie beschrieben, kann der ganze Aufbau als Pressverbund hergestellt werden. Mittels der kompressiblen Kissen 13, 14 können so auch große mechanische Toleranzen (Höhentoleranzen) der Drossel 10, 11, 12 ausgeglichen werden, und somit die Wärme optimal aus der Drossel herausgeleitet werden.
Während bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel zwei wärmeleitende Kissen 13, 14 verwendet werden, können bei anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung nur ein Kissen oder aber drei, vier oder mehr wärmeleitende Kissen verwendet werden.
Auch andere Bauelemente als Ringkerninduktivitäten, bspw. Bauelemente mit einem stabförmigen magnetischen Kern oder einem magnetischen Kern in Form eines von einem Luftspalt unterbrochenen Rings können auf die erfindungsgemäße Weise gekühlt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt; vielmehr sind innerhalb des durch die anhängenden Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004001255 A1 [0006]
DE 19814897 A1 [0007]
DE 3522740 A1 [0008]

Claims

Induktives Bauelement (5) mit einer Spule (11, 12) umfassend mindestens eine stromleitende Drahtwicklung (11), wobei die Spule in einem Gehäuse (15, 16) aufgenommen ist und zwischen Spule (11, 12) und Gehäuse (15, 16) ein wärmeleitendes Kissen (13, 14) angeordnet ist.
Induktives Bauelement nach Anspruch 1, wobei das wärmeleitende Kissen (13, 14) ein kompressibles Material umfasst.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das wärmeleitende Kissen (13, 14) ein Wärmeleitpad umfasst.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wärmeleitende Kissen mehrschichtig ausgebildet ist.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Füllmaterial des wärmeleitenden Kissens ein PCM-Material, ein Gap-Filler-Material und/oder ein Gel umfasst.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse einen Deckel (15) und ein Kühlelement (16) umfasst und sich das wärmeleitende Kissen (13, 14) zwischen Spule (11, 12) und Deckel (15), sowie zwischen Spule (11, 12) und Kühlelement (16) befindet.
Induktives Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gehäuse einen Deckel und ein Kühlelement umfasst und ein erstes wärmeleitendes Kissen zwischen der Spule und dem Deckel und ein zweites wärmeleitendes Kissen zwischen der Spule und dem Kühlelement angebracht ist.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wärmeleitende Kissen (13, 14) Zwischenräume zwischen den Wicklungen (11, 12) der Spule ausfüllt.
Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das induktive Bauelement eine Ringkerninduktivität (10, 11, 12) umfasst.
Induktives Bauelement (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das induktive Bauelement als Pressverbund (20) hergestellt ist.