DE202014105157U1

DE202014105157U1 - Induktives Bauteil mit verbesserter Kühlung

Info

Publication number: DE202014105157U1
Application number: DE202014105157.0U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2024-10-29

Abstract

Transformatorkern (10), umfassend: – einen ferromagnetischen Grundkörper (5) mit mehreren Abschnitten (11, 12, 13), – mehrere Wärmeableitschichten (1, 2, 3) eines hoch-wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Materials, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Abschnitten (11, 12, 13) des Grundkörpers (5) eine Wärmeableitschicht (1, 2, 3) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Einrichtung zur Abführung von Wärme aus induktiven Bauelementen, insbesondere aus Transformatoren, spezifischer für die Kühlung von Mittelfrequenz-Transformatorkernen. Ferner betrifft sie entsprechende Transformatorkerne und Transformatoren.
Die Steigerung der Leistungsdichte einer induktiven Komponente wie eines Transformators oder einer Drosselspule ist vor allem durch die maximal zulässige Betriebstemperatur begrenzt. Die Betriebstemperatur ergibt sich unter anderem aus der Umgebungstemperatur, den auftretenden Verlusten im ferromagnetischen Kern und den Wicklungen, dem Wärmewiderstand zwischen den Haupt-Entstehungsregionen von Verlustwärme und der Oberfläche des Bauteils, sowie dem thermischen Widerstand zwischen der Bauteil-Oberfläche und der Umgebung, der vor allem durch Konvektion bestimmt wird.
Eine Reduzierung der thermischen Widerstände führt somit zu einer möglichen höheren Leistungsdichte, da die gleiche maximal zulässige Betriebstemperatur dann erst bei höherer Leistung bzw. höherem Strom auftritt.
Bei gleicher Bauteil-Nennleistung bzw. Nennstrom führt die mögliche höhere Leistungsdichte somit auch zu einer Reduzierung von Volumen, Gewicht und damit Kosten des Bauteils. Diesen Bestrebungen steht entgegen, dass die insbesondere bei Mittel- und Hochspannungsbauteilen notwendige elektrische Isolierung einen begrenzenden Faktor für die Reduzierung der Wärmewiderstände darstellt, da sich Maßnahmen zur Isolierung in der Regel in einer Steigerung des effektiven Gesamt-Wärmewiderstands niederschlägt.
Es sind aus dem Stand der Technik Verfahren bekannt, um die Wärmeableitung aus Transformatorkernen zu verbessern bzw. zu erleichtern.
So ist aus der US 2 990 524 eine Einrichtung zur Abführung von Wärme von Kernen aus ferromagnetischem Material für induktive Bauelemente bekannt. Diese umfasst mehrere, an den Kernen anliegende Schichten aus elektrisch und thermisch leitfähigem Material, über die die Kerne thermisch an eine Wärmesenke ankoppelbar sind.
Aus der DE 19637211 ist eine Einrichtung zur Abfuhr von Wärme aus Ferritkernen bekannt, bei der eine elektrisch und thermisch leitfähige Metallschicht auf dem Ferritkern angebracht ist, wobei die Metallschicht thermisch an eine externe Wärmesenke angekoppelt ist. Die Metallschicht ist mit Unterbrechungen zur Vermeidung einer Induzierung von verlustfördernden Wirbelströmen in der Metallschicht versehen.
Die bekannten Lösungen lassen Raum für Verbesserungen. Ein Ziel der Erfindung ist es daher, einen Transformatorkern bzw. einen Transformator mit verbesserter Wärmeableitung bzw. Kühlung bereitzustellen.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Transformatorkern bereitgestellt. Der Transformatorkern umfasst einen ferromagnetischen Grundkörper mit mehreren Abschnitten und mehrere Wärmeableitschichten eines hoch-wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Materials, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Abschnitten des Grundkörpers eine Wärmeableitschicht angeordnet ist. Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Transformator mit einem derartigen Transformatorkern bereitgestellt.
Vorteile von Ausführungsformen sind eine deutliche Gewichtsreduktion und/oder ein Rückgang der äußeren Abmessungen, je nachdem mit welcher konventionellen Technologie verglichen wird. Zudem ergibt sich eine homogene Temperaturverteilung über den Magnetkern, begleitet von einer Reduzierung lokaler Hot Spots. Durch die direkte Abführung der Wärme an die Oberfläche sind sehr einfache und kostengünstige Kühlkonzepte einsetzbar, es ergibt sich eine verbesserte direkte Kühlung des Magnetkerns. Trotz verbesserter Kühlung kann auf komplexe Kühlstrukturen verzichtet werden, die etwa aus Rohren und Kanälen zum Führen von Kühlflüssigkeiten bestehen, die sich herkömmlich innerhalb der Strukturen und Isolationsräume innerhalb der induktiven Komponente erstrecken.
Weitere Merkmale, Vorteile und Ziele werden von der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich werden.
Beschreibung der Figuren
Die vorliegende Beschreibung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen beschrieben werden, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Es zeigen:
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Transformatorkerns gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines weiteren Transformatorkerns gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine perspektivische Ansicht eines Transformators gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Figuren
Generell wird in Ausführungsbeispielen die maximale Leistungsdichte eines induktiven Bauelements erhöht, während gleichzeitig ein sehr einfach aufgebautes externes Kühlsystem verwendet werden kann.
Vorgeschlagen wird ein Design für einen Transformator mit Flüssigkeits- oder Feststoff-basierter elektrischer Isolierung, wie zum Beispiel Silikongel, Öl oder Epoxid-Vergussmasse, bei dem thermisch gut leitfähige Schichten bzw. Platten als zusätzliche Wärmeableitschichten im Transformatorkern eingesetzt werden. Diese Wärmeableitschichten sind dazu in den Grundkörper des Transformatorkerns eingebettet bzw. als Zwischenschichten in dem ferromagnetischen Grundmaterial ausgeführt. Dabei ist unerheblich, aus welchem Grundmaterial der Kern besteht. Möglich sind z.B. herkömmliches Trafoblech, Ferrit, oder nanokristalline Kerne.
Die Wärmeableitschichten teilen den Kern in mehrere Abschnitte und dienen dabei jeweils als Wärmesenke und Ableitungspfad für die in den Kernabschnitten produzierte Verlustwärme. Insgesamt wird somit die mittlere thermische Leitfähigkeit des Transformatorkerns erhöht.
1 zeigt einen Transformatorkern 10 gemäß Ausführungsbeispielen. Der Transformatorkern 10 umfasst einen ferromagnetischen Grundkörper 5, der in mehrere Abschnitte 11, 12, 13 unterteilt ist. Zwischen den Abschnitten 11, 12, 13 ist jeweils eine Wärmeableitschicht 1, 2, 3 eines hoch-wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Materials angebracht. Die Wärmeableitschichten 1, 2, 3 sind aus einem Material, dass in mindestens einer Materialrichtung eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/Km aufweisen, bevorzugt mehr als 200 W/Km, noch bevorzugter mehr als 400 W/Km. Dabei sind die Wärmeableitschichten typischerweise jeweils als plane dünne Platten ausgeführt, die eine Querschnittsfläche entsprechend derjenigen der angrenzen Abschnitte des Kerns aufweist. Die Dicke der Wärmeableitschichten 1, 2, 3 beträgt typischerweise jeweils zwischen 1 mm und 30 mm, typischer zwischen 2 mm und 8 mm.
2 zeigt schematisch einen weiteren Transformatorkern 10 gemäß Ausführungsbeispielen. Dabei ragen die Wärmeableitschichten 1, 2, 3 an mindestens einer Seite des Grundkörpers 5 aus diesem heraus, im nicht-limitierenden Beispiel der 2 nach oben. Die über den Grundkörper 5 des Transformatorkerns 10 überstehenden Teile der Wärmeableitschichten 1, 2, 3 können als Angriffsfläche für ein Kühlfluid 16 eingesetzt werden, typischerweise für Luft, ein anderes Gas, oder eine Kühlflüssigkeit. Dieses kann etwa durch natürliche Konvektion oder durch Zwangsbelüftung, etwa mit einem Ventilator (nicht dargestellt), bewegt werden.
3 zeigt einen Transformator 30 mit einem Transformatorkern 10 wie in 1 gezeigt. In dem gezeigten Beispiel ist (als nicht-limitierendes Beispiel) auf der Ober- und Unterseite des Transformatorkerns 10 jeweils eine Wärmesenke in Form eines Kühlkörpers 15 angebracht. Die Kühlkörper 15 sind wärmeleitend mit den Wärmeableitschichten 1, 2, 3 verbunden, z.B. mittels Wärmeleitpaste. Die Wärmesenke kann z.B. auch eine Heatpipe sein oder eine Kühlplatte (Cold Plate) (nicht dargestellt).
Generell sind die Wärmeableitschichten 1, 2, 3 typischerweise parallel zueinander angebracht. Vorzugsweise sind sie im Wesentlichen äquidistant zueinander. Die Wärmeableitschichten nehmen typischerweise zwischen etwa 2 % und etwa 10 % des Gesamtvolumens des Transformatorkerns 10 ein. Der Grundkörper 5 kann etwa aus Ferrit, Trafoblech, oder nanokristallinen Material gefertigt sein. Die Wärmeableitschichten 1, 2, 3 sind typischerweise aus elektrisch nichtleitendem Material, um die Bildung von Wirbelströmen zu verhindern.
Ein mögliches Material für die Wärmeableitschichten ist hochorientierter pyrolytischer Graphit (HOPG). Dieser weist in einer Materialrichtung eine Wärmeleitfähigkeit von 600 W/Km oder höher auf. Die Ausrichtung des HOPG-Materials wird in Bezug auf die Wärmeableitschicht in Ausführungsbeispielen zweckmäßigerweise so festgelegt, dass sie in Richtung des Wärmeflusses zum Rand der Wärmeableitschicht 1, 2, 3 hin gerichtet ist. An diesem Rand ist oder sind die Wärmeableitschichten an eine Wärmesenke angeschlossen. HOPG bietet zusätzlich den Vorteil relativ geringer Kosten. Alternativ zu HOPG können auch andere hoch-wärmeleitende Materialien eingesetzt werden, die elektrisch isolierend sind.
Die Isolierung dient in Ausführungsbeispielen, insbesondere bei Verwendung von Silikongel oder Öl, auch als thermische Schnittstelle zwischen den Wärmeableitschichten und der Oberfläche der angrenzenden Kernschichten bzw. Abschnitte 11, 12, 13 des ferromagnetischen Grundkörpers 5 des Transformatorkerns 10. Schematisch ist in 3 eine Primärwicklung 50, eine Sekundärwicklung 60 und eine Vergussmasse bzw. ein Vergusskörper 100 gezeigt, letzterer ist aus Darstellungsgründen transparent dargestellt.
In weiteren Ausführungsbeispielen wird das in Bezug auf einen Transformatorkern beschriebene Konzept in anderen induktiven Bauteilen verwendet, etwa in Drosselspulen. Zudem kann das Konzept auch in Dreiphasen-Transformatoren umgesetzt werden. Unter anderem wegen der bei Mittelfrequenz-Transformatoren – im Vergleich zu Netztrafos – höheren Hystereseverluste im Transformatorkern treten die Vorteile des beschriebenen Konzepts bei Mittelfrequenz-Transformatoren gemäß Ausführungsbeispielen besonders deutlich hervor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2990524 [0006]
DE 19637211 [0007]

Claims

Transformatorkern (10), umfassend: – einen ferromagnetischen Grundkörper (5) mit mehreren Abschnitten (11, 12, 13), – mehrere Wärmeableitschichten (1, 2, 3) eines hoch-wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden Materials, wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Abschnitten (11, 12, 13) des Grundkörpers (5) eine Wärmeableitschicht (1, 2, 3) angeordnet ist.
Transformatorkern nach Anspruch 1, wobei die Wärmeableitschichten (1, 2, 3) jeweils eine plane dünne Platte sind, und die Wärmeableitschichten (1, 2, 3) in mindestens einer Materialrichtung eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 50 W/Km aufweisen.
Transformatorkern nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wärmeableitschichten (1, 2, 3) hochorientierten pyrolytischen Graphit (HOPG) umfassen.
Transformatorkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitschichten (1, 2, 3) jeweils eine Dicke zwischen 1 mm und 30 mm aufweisen.
Transformatorkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Wärmeableitschichten (1, 2, 3) an mindestens einer Seite des Grundkörpers (5) aus diesem herausragt, so dass sie eine Angriffsfläche für ein Kühlfluid bietet.
Transformatorkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Wärmeableitschichten (1, 2, 3) an einer Seite mit einer Wärmesenke verbunden ist, vorzugsweise mit einem Kühlkörper (15) oder einem Wäremerohr.
Transformatorkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmeableitschichten (1, 2, 3) parallel zueinander im Grundkörper (5) vorgesehen sind, vorzugsweise im Wesentlichen äquidistant zueinander.
Transformatorkern gemäß Anspruch 7, wobei die Wärmeableitschichten zwischen etwa 2 % und etwa 10 % des Gesamtvolumens des Transformatorkerns (10) einnehmen.
Transformatorkern gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (5) mindestens eines von Ferrit, Trafoblech, und einem nanokristallinen Material umfasst.
Ein Transformator mit einem Transformatorkern gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Transformator gemäß Anspruch 10, umfassend eine Flüssigkeit als Isoliermittel, die bevorzugt auch in Zwischenräumen zwischen mindestens einer Wärmeableitschicht (1, 2, 3) und dem Grundkörper (5) vorhanden ist und dadurch die Wärmeleitung verbessert.
Transformator gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Flüssigkeit mindestens eines von Silikon-Gel, biologisch gewonnenem Öl und Mineralöl umfasst.
Transformator gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, der für Mittelfrequenz ausgelegt ist.