DE19814896A1 - Leistungsübertrager für hohe Ströme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsübertrager für hohe Ströme, welcher bei einer Frequenz von mindestens 1 kHz, vor­ zugsweise 10 kHz betrieben wird, umfassend einen weichmagne­ tischen in sich geschlossenen Kern mit geringen Ummagnetisie­ rungsverlusten und hoher Sättigungsinduktion, wobei sich der Kern, die Primär- und Sekundärwicklung in einem Metallgehäuse befinden welches mit einer Gießmasse gefüllt ist.

Bei der Übertragung von hohen Leistungen mittels induktiven Bauelementen entsteht aufgrund von Verlusten Wärme. Während beim Betrieb eines Übertragers mit hohen Spannungen im allge­ meinen die Ummagnetisierungsverluste des Kerns überwiegen, wird im Bereich niedriger Spannungen und hoher Ströme ein we­ sentlicher Teil der Verlustwärme in den Windungen, beispiels­ weise an einer niederspannungsseitigen Sekundärwindung, er­ zeugt. Bekanntlich kann die übertragbare Leistung eines Über­ tragers bei einem bestimmten Volumen unter anderem dadurch er­ höht werden, indem die Wärmeleitung von den wärmeerzeugenden Gebieten zu gekühlten Gebieten verbessert wird. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der übertragbaren Leistung ist die Erhöhung der Arbeitsfrequenz. Einer Frequenzerhöhung sind je­ doch aufgrund zusätzlicher Verluste in den zur Erzeugung der Wechselspannung verwendeten Halbleiterbausteinen Grenzen ge­ setzt. Zur Verringerung der bei hohen Frequenzen auftretenden thermischen Verluste des Kerns werden Kerne auf Basis von an sich bekannten nanokristallinen oder amorphen Legierungen eingesetzt.

Ein Übertrager für elektrische Energie, bestehend aus einem Gehäuse und einem mit Wicklungen umgebenen Ringkern aus einer nanokristallinen oder amorphen Legierung, wobei der Ringkern innerhalb des Gehäuses mit Gießharz vergossen ist, wird im Gebrauchsmuster 94 06 996.4 offenbart. Das Gehäuse dieses Übertragers besteht aus einem gut wärmeleitenden Metall, wel­ ches einen mit dem Gehäuseboden fest verbundenen massiven Mittelsteg aufweist, der in die Mittelöffnung des Übertragers hineinragt. Mit Hilfe des massiven Mittelstegs soll eine ver­ besserte Wärmeableitung zum Gehäuse erreicht werden.

Eine andere Methode zur Kühlung ist in der WO 84/00638 für einen Schweißtransformator mit einem Stahlkern vorgeschlage­ nen worden. Die Kühlung erfolgt mittels hohler Rohre in der Primärspule mit einem rechteckigen Querschnitt. Durch diese Rohre wird Wasser mit einem Durchsatz von mehr als 1 l pro Minute gepumpt.

Ein ebenfalls durchflußgekühlter Transformator, welcher für die drahtlose induktive Aufladung von Batterien konstruiert worden ist, wird in der EP-A-0 860 055 beschrieben. Als Kühl­ medium wird eine dielektrische Flüssigkeit, wie beispielswei­ se ein Polyalphaolefin, angegeben. Der Transformator läßt sich auch bei hohen Frequenzen betreiben, da er einen Kern aus einem Ferrit aufweist. Der Kern dieses Transformators ist zylinderförmig in Form eines Puks ausgebildet.

Aus der EP-A-0 520 361 geht eine Drossel für Hochstromanlagen hervor, die eine rechteckförmige hohle Windung aufweißt, wel­ che wassergekühlt sind. Es handelt sich bei dieser Anordnung um eine Durchflußkühlung. Ein Magnetkern ist nicht vorhanden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen vergossenen Leistungsübertrager, welcher in einem Frequenzbereich ober­ halb 1 kHz, vorzugsweise oberhalb von 10 kHz arbeitet, dahin­ gehend weiterzubilden, daß dieser bei gleichem Volumen, eine Erhöhung der übertragenen Leistung bei gleichzeitig hohem Se­ kundärstrom zuläßt. Eine weitere Aufgabe ist es, einen Lei­ stungsübertrager dieser Art, welcher mit einem hohen Sekun­ därstrom betrieben wird, dahingehend weiterzubilden, daß die­ ser bei gleicher übertragener Leistung ein geringeres Volumen als bekannte Übertrager aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Lei­ stungsübertrager (14) für hohe Ströme, welcher bei einer Fre­ quenz von mindestens 1 kHz, vorzugsweise mindestens 10 kHz betrieben wird, umfassend einen in sich geschlossenen Kern (1), welcher im wesentlichen aus einem weichmagnetischen hochpermeablen Material mit geringen Ummagnetisierungsverlu­ sten und hoher Sättigungsinduktion besteht, einen Primär­ stromkreis (2), einen Sekundärstromkreis (3,9), ein Gehäuse (5), welches Kern, Primär- und Sekundärstromkreis umschließt und eine Gießmasse (6), wobei die innerhalb des Gehäuses be­ findlichen verbleibenden Zwischenräume mit der Gießmasse (6) gefüllt sind, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens eine Heatpipe (3, 9, 15) zur Kühlung der Wick­ lungen und des Kerns eingesetzt wird, wobei die Heatpipe zu­ mindest ein Teilsegment (12) der Spulenwindungen des Übertra­ gers bildet.

Ein mit einem Gießharz vergossener Leistungsübertrager ent­ sprechend Anspruch 1 kann durch sogenannte Heatpipes verbes­ sert werden. Unter einer Heatpipe wird erfindungsgemäß ein 2-Phasen-Wärmeleitrohr verstanden. Dabei handelt es sich um ein stabförmiges oder rohrförmiges Material, welches mit einer Flüssigkeit, die einen flüssig-gasförmig Phasenübergang auf­ weist, gefüllt ist. In einem bestimmten Temperaturbereich kann mit einer Heatpipe eine wesentlich größere Wärmemenge transportiert werden (pro Zeiteinheit), als mit den besten wärmeleitenden Metallen. So weist Silber als bestes wärmelei­ tendes Metall beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von 410 W/(mK) auf; die Wärmeleitfähigkeit einer Heatpipe kann bis zu einem Faktor 1000 höher sein.

Heatpipes sind beispielsweise aus der DE-A-20 15 518 bekannt. Bei den beschriebenen Heatpipes handelt es sich um Gefäße, die eine Arbeitsflüssigkeit enthalten. Die Kühlwirkung wird dadurch erreicht, daß in einem Bereich mit hoher Temperatur das Kühlmittel in die gasförmige Phase übertritt, und im Be­ reich mit niedriger Temperatur das Kühlmittel kondensiert und dabei die transportierte Wärmeenergie freisetzt (Kondensationswärme). Wird als Kühlmittel Wasser verwendet, so lassen sich aufgrund der hohen Verdampfungsenthalpie des Wassers effektive Mengen an Wärmeenergie pro Volumeneinheit transportieren. Der Rücktransport des Arbeitsmittels vom Be­ reich niederer zu hoher Temperatur läßt sich ohne eine aktive Pumpvorrichtung mit Hilfe einer kapillaren Struktur, welche beispielsweise durch einen Docht gebildet sein kann, bewerk­ stelligen.

Ferner betrifft die vorstehend genannte Druckschrift die An­ wendung solcher Heatpipes in Lasern und elektrischen Bauele­ menten, wie Gleichrichter oder Transistoren. Die Anwendung als Kühlelement in einem Transformator oder auch Übertrager wird nicht beschrieben.

Weiterhin sind Heatpipes auch bereits aus der EP-A-0 498 897 bekannt geworden. In dieser Schrift sind die Heatpipes hohle Drähte, für die verschiedene Verbindungsvarianten beschrieben sind. Die gezeigten Verbindungsvarianten sollen eine Verbes­ serung der Wärmeableitung an den Verbindungspunkten bewirken. Obwohl in dieser Schrift die prinzipielle Möglichkeit der Verwendung von Heatpipes in Transformatoren beschrieben ist, wird keine konkrete Anordnung für einen vergossenen Übertra­ ger gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart. Die in Fig. 3 dargestellte Skizze eines Transformators weist eine Hoch- und Niederspannungswicklung auf, wobei der Kern aus Ei­ sen besteht und in offener, d. h. in nicht vergossener Bau­ weise, ausgeführt ist. Der Eisenkern ist stabförmig ausge­ bildet und befindet sich in einem Spulenkörper. Auf dem Spu­ lenkörper befindet sich auf der Hochspannungsseite eine Pri­ märwicklung und auf der Seite mit niedriger Spannung einige Windungen aus einer gebogenen Heatpipe. Die gebogene Heatpipe ist über die Hochspannungswicklung übergewickelt.

Die vorstehend beschriebenen Heatpipes sind erfindungsgemäß primärseitig und/oder sekundärseitig einsetzbar.

Der Durchmesser der enthaltenen Heatpipes beträgt vorzugswei­ se 2 bis 10 mm.

Vorzugsweise befinden sich die Heatpipes allerdings nur im Sekundärstromkreis (3, 9). Im Sekundärstromkreis (3, 9) sind dann ein oder mehrere Teilsegmente (12, 13) Heatpipes (15). Der Primärstromkreis enthält in diesem Fall keine Heatpipes. Es ist zwar erfindungsgemäß möglich, daß auch der Primär­ stromkreis Heatpipes enthält, jedoch ist es zweckmäßig, daß der Primärstromkreis nur aus einem oder mehreren ungekühlten Leitelementen (2) gebildet wird. Bei diesen Leitelementen handelt es sich vorzugsweise um Drähte, Litzen oder Bänder.

Die geometrische Form der Sekundärwindung im Sekundärstrom­ kreis ist im erfindungsgemäßen Leistungsübertrager weitgehend ohne Einfluß auf dessen Eigenschaften. Es sind daher neben eckigen Formen auch runde bzw. gebogene Formen möglich. Hin­ sichtlich der einfacheren Montage und der Möglichkeit des Einsatzes von Standardelementen ist jedoch bevorzugt, den Se­ kundärstromkreis rechtwinklig auszubilden. D.h., daß in der Sekundärwindung oder in den Sekundärwindungen keine gebogenen Teilsegmente, also lediglich gerade oder geknickte Teilseg­ mente vorhanden sind.

Der Sekundärstromkreis ist vorzugsweise aus einer ersten Teilsegmentsorte (12) und einer zweiten Teilsegmentsorte (13) gebildet, wobei die erste Teilsegmentsorte eine Heatpipe (15) ist und die zweite Teilsegmentsorte ein leitendes Verbindung­ selement (11) ist.

In einer Weiterbildung weist der Sekundärstromkreis minde­ stens 2 miteinander leitfähig verbundene Teilsegmente auf, wobei die Teilsegmente stabförmig mit gerader Form (11, 15) oder U-förmig mit nahezu rechteckiger Form (9) sind und wobei die U-förmigen Teilsegmente ggf. ungleich lange Schenkel (16, 17) aufweisen.

Vorzugsweise ist der Sekundärstromkreis aus einem einzigen U-förmigen Segment (9) gebildet.

Die Teilsegmente, welche den Sekundärstromkreis bilden und die sich innerhalb des Gehäuses 5 befinden, sind vorzugsweise alle aus Heatpipes gebildet. D. h., daß der gesamte Sekundär­ stromkreis aus miteinander verbundenen Heatpipes oder nur aus einer einzigen Heatpipe besteht.

Zweckmäßigerweise durchdringt die Heatpipe oder Heatpipes (3, 5, 9, 15) auf einer ebenen Seite des Metallgehäuses das Me­ tallgehäuse und einen ggf. zusätzlich vorhandenen Kühlkörper (7).

Der erfindungsgemäße Übertrager ist vorzugsweise mit der ebe­ nen Fläche des Gehäuses (5) mit einem Kühlkörper (7) verbun­ den.

Das hochpermeable Material des Kerns kann ein üblicherweise für Leistungsübertrager eingesetztes Material sein, wie bei­ spielsweise Ferrite, oder übliche weichmagnetische kristalli­ ne Legierungen oder amorphe Legierungen. Vorzugsweise werden weichmagnetische Materialien mit niedrigen Ummagnetisierungs­ verlusten eingesetzt, insbesondere nanokristalline oder amor­ phe weichmagnetische Legierung. Besonders bevorzugt sind sol­ che weichmagnetischen amorphen oder nanokristallinen Legie­ rungen, welche eine niedrige Magnetostriktion zeigen. Vor­ zugsweise sind diese Legierungen so temperaturbehandelt, daß die Magnetisierungskurve die Form einer F-Schleife hat. Ein Beispiele für einen erfindungsgemäß einsetzbaren Kern aus ei­ ner amorphen Legierung ist VITROVAC 6030 F(Vacuumschmelze GmbH). Als nanokristalline Kerne kann beispielsweise das Ma­ terial VITROPERM 500 F eingesetzt werden. Die Sättigungsin­ duktion der Kerne liegt vorzugsweise bei mindestens 0,7 T. Die Ummagnetisierungsverluste liegen bevorzugt unterhalb 150 mW/g bei 100 kHz und 0,3 T.

Zur Isolation können zweckmäßigerweise die Kerne, die Wick­ lungen und die enthaltenen Heatpipes zumindest teilweise mit einer an sich bekannten Isolationsschicht bedeckt sein.

Als Gießharz läßt sich ein beliebiges üblicherweise einge­ setztes gießfähiges Material mit einer Isolationswirkung ver­ wenden. Beispiele für geeignete Harze sind übliche thermopla­ stische, wie Polyester oder ähnliches, oder vernetzende Har­ ze, wie etwa Epoxydharze oder Phenolharze. Es ist zweckmäßig, wenn dem Harz eine die Wärmeleitfähigkeit verbessernde Sub­ stanz zugegeben wurde. Derartige Substanzen sind im Stand der Technik üblich. Besonders geeignet sind daher Gießharze, die eine Wärmeleitfähigkeit von 6 bis 10 mW/cm.K aufweisen.

Vorzugsweise besteht das Gehäuse des erfindungsgemäßen Über­ tragers aus Metall, insbesondere aus Aluminium.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Übertragers ist, daß durch die Verwendung einer Gießmasse neben der Kühlung der Windun­ gen durch die Heatpipe zusätzlich eine verbesserte Wär­ meableitung vom Kern zum Gehäuse ermöglicht wird. Die Gieß­ masse führt gleichzeitig zu einer zusätzlichen Kühlung der Primärwicklung.

Durch das Eingießen des Spulenkörpers in ein Gehäuse, wird ermöglicht, daß der Übertrager auf einfache Weise an einen Kühlkörper montiert werden kann. Insbesondere durch die aus dem Gehäuseboden herausragende und über das Kühlelement her­ ausragende Heatpipe, welche gleichzeitig auch der Stroment­ nahme aus dem Übertragergehäuse dient, wird ein guter Wärme­ übergang zu den ggf. außen zusätzlich angebrachten Kühlele­ menten, wie beispielsweise Kühlkörper aus Aluminium, er­ reicht.

Die besonders ausgebildete Form der Windungen im erfindungs­ gemäßen Übertrager bietet den Vorteil, daß kostengünstige und leicht verfügbare Heatpipes mit vorgegebener Form eingesetzt werden können. Von besonderem Wert ist die Möglichkeit, daß aus den einzelnen Teilsegmenten ein speziell auf die ge­ wünschten Anforderungen angepaßter Leistungsübertrager aufge­ baut werden kann. Hierdurch ergeben sich auch Vorteile bei der maschinellen oder automatischen Fertigung.

Die übertragbare Leistung richtet sich nach der Dimensionie­ rung des Übertragers. Vorzugsweise liegt die übertragbare Leistung in einem Bereich von 100 W bis 1000 kW, insbesondere 2 bis 40 kW, bei 20 kHz. Das Volumen des Übertragers beträgt vorzugsweise 100 bis 10000 cm³.

Die Arbeitsfrequenz des Übertragers ist unter anderem durch die Verluste in den zur Zerhackung verwendeten Halbleiterele­ menten nach oben hin beschränkt. Als Arbeitsfrequenz ist ein Bereich von 1 bis 500 kHz bevorzugt. Besonders bevorzugt ist eine Arbeitsfrequenz von 10 bis 100 kHz.

Anhand der Fig. 1 bis 4 wird nun die vorliegende Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Leistungsübertrager 14 in einem Schnitt parallel zur Rotationsachse.

Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Übertrager gemäß Fig. 1 in schematischer Darstellung. Die Primärspule und das Gehäuse sowie die Gießmasse sind nicht gezeichnet. Die Sekundärwicklung 9 wird durch eine U-förmige Heatpipe gebildet, welche den Kern 1 umschließt.

Fig. 3 zeigt einen Kern mit Sekundärwicklung in schemati­ scher Darstellung, worin die Sekundärwicklung 9 aus zwei Teilsegmenten 12 und 13 gebildet ist. Die Teil­ segmente sind an Verbindungspunkten 10 miteinander verbunden. Die Sekundärwicklung in Fig. 3 ist aus drei U-förmigen rechtwinklig abknickenden Teilsegmen­ ten gebildet. Die Teilsegmente 12 und 13 sind U-förmige Heatpipes mit ungleich langen Schenkeln 16, 17.

Fig. 4 zeigt einen Kern mit Sekundärwicklung in schemati­ scher Darstellung. Im Gegensatz zu den Fig. 2 und 3 wird aus zeichnerischen Gründen ein Schnitt paral­ lel zur Rotationsachse des Kerns dargestellt. Die Se­ kundärwicklung 3 wird aus drei Teilsegmenten gebil­ det. Zwei der Teilsegmente sind stabförmige Heatpipes 15. Das untere Teilsegment 11 ist ein Verbindungsele­ ment aus einem Metall.

Der Kern in den Fig. 1 bis 4 besteht aus einem weichmagne­ tischem nanokristallinem Material der Bezeichnung ®Vitroperm (Vacuumschmelze GmbH). Die Leerräume im Aluminiumgehäuse 5 sind mit einem Gießharz 6 vergossen. Der Sekundärkreis in Fig. 1 wird durch eine einzige Heatpipe gebildet. Das einge­ setzte Gießharz ist in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit opti­ miert. Die Wärmeleitfähigkeit des Gießharzes liegt vorzugs­ weise in einem Bereich von 6 bis 10 mW/cm.K. Der Durchmesser der Heatpipe beträgt 5 mm. Der Kern des Übertragers besteht aus einem gewickelten Band. Das Übersetzungsverhältnis des Übertragers in Fig. 1 wird durch das Verhältnis von Primär­ windungszahl N1 und Sekundärwindungszahl N2 bestimmt. In der Figur ist N2 = 1. N1 wird durch das gewünschte Verhältnis von Eingangsspannung zu Ausgangsspannung festgelegt. Die Heatpipe ist als Durchsteckwicklung ausgeführt. Es ist möglich, zur Erhöhung des möglichen Sekundärstroms, mehrere Heatpipes par­ allel zu verwenden. An der Unterseite des Übertragers (ebene Fläche des Aluminiumgehäuses) ist ein Kühlkörper 7 ange­ bracht, durch den die Heatpipe hindurchragt. Es ist möglich die eingesetzten Heatpipes vor dem Einschieben mit einer elektrischen Isolationsschicht zu versehen.

In Fig. 2 ist die Heatpipe 9 als U-förmiges Teilsegment aus­ gebildet. Hierdurch werden beide Anschlüsse der Wicklung vor­ teilhafterweise auf einer Seite des Übertragers herausge­ führt.

Mit U- förmi gen Heatpipes lassen sich auch Wicklungen mit mehr als einer Windung realisieren, wie in Fig. 3 gezeigt. Die Heatpipes können entweder direkt miteinander verbunden wer­ den, z. B. über Verbindungspunkte 10 oder mit Hilfe von zu­ sätzlichen Teilen aus einem leitfähigen Material 11. Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 4 gezeigt. Die Ausfüh­ rungsform in Fig. 3 ist insofern vorteilhaft, daß bei der Herstellung U-förmige Heatpipes aus entgegengesetzten Rich­ tungen auf den Kern aufgeschoben werden können und jeweils die entsprechenden Schenkel benachbarter Heatpipes direkt miteinander verbunden werden.

Claims (10)

1. Leistungsübertrager (14) für hohe Ströme, welcher bei einer Frequenz von mindestens 1 kHz, vorzugsweise mindestens 10 kHz betrieben wird, umfassend einen in sich geschlossenen Kern (1), welcher im wesentlichen aus einem weichmagnetischen hochpermeablen Material mit geringen Ummagnetisierungsverlusten und hoher Sättigungsinduktion besteht, einen Primärstromkreis (2), einen Sekundärstromkreis (3, 9), ein Gehäuse (5), welches Kern, Primär- und Sekundärstromkreis umschließt und eine Gießmasse (6), wobei die innerhalb des Gehäuses befindlichen verbleibenden Zwischenräume mit der Gießmasse (6) gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Heatpipe (3, 9, 15) zur Kühlung der Wicklungen und des Kerns eingesetzt wird, wobei die Heatpipe zumindest ein Teilsegment (12) der Spulenwindungen des Übertragers bildet.

2. Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die enthaltene(n) Heatpipe(s) sich nur im Sekundärstromkreis befinden.

3. Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärstromkreis rechtwinklig ausgebildet ist.

4. Übertrager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärstromkreis aus einer ersten Teilsegmentsorte (12) und einer zweiten Teilsegmentsorte (13) gebildet ist, wobei die erste Teilsegmentsorte eine Heatpipe (15) ist und, die zweite Teilsegmentsorte ein leitendes Verbindungselement (11) ist.

5. Übertrager nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärstromkreis aus mindestens zwei miteinander leitfähig verbundenen Teilsegmenten gebildet wird, wobei die Teilsegmente stabförmig mit gerader Form (11, 15) oder U-förmig mit nahezu rechteckiger Form (9) sind und wobei die U-förmigen Teilsegmente ggf. ungleichlange Schenkel (16, 17) aufweisen.

6. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sekundärstromkreis aus einem einzigen U-förmigen Teilsegment (9) gebildet ist.

7. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle den Sekundärstromkreis bildenden Teilsegmente, die sich innerhalb des Gehäuses (5) befinden, Heatpipes sind.

8. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heatpipe oder Heatpipes (3, 5, 9, 15) auf einer ebenen Seite des Metallgehäuses die ebene Fläche des Metallgehäuses und einen ggf. zusätzlich vorhandenen Kühlkörper (7) durchdringen.

9. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit der ebenen Fläche des Gehäuses (5) ein Kühlkörper (7) verbunden ist.

10. Übertrager nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das hochpermeable Material des Kerns (1) aus einer nanokristallinen oder amorphen Legierung mit einer Sättigungsinduktion von mindestens 0,7 T und Ummagnetisierungsverlusten von weniger als 150 mW/g bei 100 kHz und 0,3 T besteht.