EP0459326A1 - Liquid cooled choke coil - Google Patents
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- H01F27/2876—Cooling
Definitions
- the invention relates to a liquid-cooled choke coil with a winding embedded in a cast resin body and is preferably used for use in converter systems, non-ionized water being used as a coolant.
- Such a liquid-cooled choke coil is known from DE 37 43 222 A1.
- the coil is arranged and sealed in a circular ring container made of non-magnetic material, with grommets attached to the container cover to provide the electrical supply lines.
- This arrangement of the coil in a closed annulus makes it impossible for the cooling water to come into direct contact with the live winding.
- the invention has for its object to provide a liquid-cooled choke coil of the type mentioned, which intensive heat transfer to the Guaranteed coolant and still no electrically insulating coolant must be used.
- non-deionized, ie, electrically conductive water can be used as the coolant.
- the water is kept isolated from the electrical components by embedding the winding in electrically insulating casting resin and using electrically insulating cooling pipes. Nevertheless, the heat transfer to the water is not hindered, since the cooling pipes can be arranged directly next to the conductors that generate heat.
- the use of water as a coolant is advantageous for reasons of fire protection and environmental protection, especially in the case of high-performance converters for means of transport.
- the winding of the choke coil is designed like a spiral coil; the head of this winding is designated by number 1.
- This conductor 1 can be made solid or consist of a braided or screwed strand.
- the conductor 1 can also be bare or yarn-wound.
- the winding is embedded in a disk-shaped cast resin body 2.
- the inner end of the winding is connected via a cable lug 11 (or clamping piece) to a metallic rail 3 extending laterally out of the cast resin body 2.
- This rail 3 is made of copper, aluminum or another electrically highly conductive material and is cranked accordingly so that it can be guided around the coil to the outside.
- the connection of the rail 3 to the inner end of the coil 1 is preferably done by soldering or squeezing the conductor 1 to the cable lug 11 of the rail 3.
- the end of the rail 3 protruding from the cast resin body 2 is freely accessible as an electrical connection 17 (plug connection).
- the outer end of the winding is connected via a cable lug 12 (or clamping piece) directly to an electrical connection 18 protruding from the cast resin body 2 (plug connection), preferably also by soldering or squeezing.
- the electrical connections 17 of the rails 3 and 18 of the cable lug 12 emerge laterally from the cast resin body 2 and can be contacted in a simple manner with external electrical connections.
- cooling tubes 5 are arranged parallel to the coil axis at predetermined intervals. These cooling tubes 5 preferably have an outer rectangular cross section with a longitudinal bore of circular or also rectangular cross section. The cooling tubes 5 serve as a spacer between the spirals of the conductor 1 before the casting of the coil and after the casting, i.e. during operation of the choke coil, for cooling it.
- the cooling tubes 5 can be made from plastic, ceramic or preferably from an electrically insulating but good heat-conducting ceramic, such as beryllium oxide or in particular aluminum nitride.
- the production of the cooling tubes 5 from an electrically insulating material allows the use of electrically conductive coolants, preferably non-deionized water or a water-glycol mixture.
- the distance of the cooling tubes 5 from one another in the circumferential direction depends on the heat loss flow to be dissipated from the windings.
- the pre-assembled unit consisting of the winding (conductor 1), rail 3, cable lugs 11, 12 and cooling tubes 5 is cast with casting resin, so that the essentially disk-shaped casting resin body 2 is formed, which in the axial direction is formed by the cooling tubes 5 existing holes and from on a hole circle along the outer edge arranged holes 7 is broken.
- the holes 7 are used to fasten the cast resin body 2 with lids, as described under Fig. 2 (screw connections).
- FIG. 2 shows a section through a complete choke coil according to a first variant with covers and coolant connections.
- the disc-shaped cast resin body 2 with embedded spiral-shaped conductor 1, the inner cable lug 11, the rail 3 with electrical connection 17 and a cooling tube 5 can be seen (only one cooling tube being drawn in to simplify the illustration). Furthermore, the cable lug 12 with electrical connection 18 are indicated.
- Lids 4, 6 are attached to the cast resin body 2 on both sides, screws 10 being guided through the holes 7 on the edge of the cast resin body 2 and through corresponding holes 8, 9 in the covers 4, 6 for connection.
- the covers 4, 6 are designed in such a way that a disk-shaped cavity 19 or 20 is formed between the covers 4 and 6 and the cast resin body 2 in the assembled state of the choke coil.
- the parting line 21 or 22 between the cover 4 and the cast resin body 2 or between the cover 6 and the cast resin body 2 is made permanent and secure in a suitable manner - for example by an O-ring inserted in a corresponding groove, a flat seal or by gluing sealed so that leakage of coolant is prevented.
- a coolant connection 13, 14 is attached in each case, which is glued or soldered into a hole 15, 16 in the cover, or onto a other suitable way is connected to this.
- the coolant connections 13, 14 can also be made from one part together with the covers 4, 6.
- the coolant inflow, the coolant flow within the throttle coil and the coolant outflow are indicated in FIG. 2 by arrows, wherein the coolant can also flow in the opposite direction.
- the coolant is supplied to the cavity 19 via the coolant connection 13, from where it is distributed to the individual cooling tubes 5.
- the coolant connection 13 When flowing through the cooling tubes 5, it absorbs the heat accumulating in conductors 1 of the coil, collects in cavity 20 and is dissipated via the coolant connection 14.
- FIG. 3 shows a top view of a choke coil according to a second variant, the upper cover being cut open.
- the upper cover 27 is provided with radial ribs 23 and the lower cover 28 (see FIG. 4) with radial ribs 24, the ribs 23 and 24, in the assembled state of the choke, the disc-shaped cavities 19 and Subdivide 20 into sectors, whereby a plurality of cover chambers 25 and 26 (see FIGS. 4 and 5) are created.
- the covers 27, 28 are attached to the disk-shaped cast resin body 2 offset by half a rib pitch in the circumferential direction.
- the cooling tubes 5 are arranged in cast resin body 2 so that the areas in which cast resin body 2 and radial ribs 23, 24 of the cover 27, 28 are in contact are left out.
- diametrically opposed coolant connections 29, 30 are arranged in a suitable manner, whereas the cover 28 has no coolant connections (see also FIG. 4).
- This design causes a multiple deflection of the coolant in the sector-shaped cover chambers 25, 26.
- the cast resin body 2 is flowed through by coolant several times, whereby a higher flow rate and thus a higher heat transfer coefficient is achieved with unchanged volume flow of the coolant.
- FIG. 5 in which the sector-shaped cover chambers formed in the choke coil according to the second variant are shown.
- the cover chambers A, B, E, G, ( cover chamber 25) formed by the radial ribs 23 of the upper cover 27 and in the lower part of FIG. 5, those formed by the radial ribs 24 of the lower cover 28
- the coolant connection 29 opens into the cover chamber A and the coolant connection 30 into the cover chamber E.
- the coolant is fed to the upper cover chamber A via the coolant connection 29 and flows through the cooling pipes 5 from chamber A into the lower chambers B and F.
- FIG 4 shows a section through the choke coil according to the second variant.
- the cast resin body 2 with the upper cover 27 and lower cover 28 can be seen.
- the radial ribs 23, 24 form cover chambers 25, 26.
- the coolant connections 29, 30 are shown.
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte Drosselspule mit einer in einem Gießharzkörper eingebetteten Wicklung und dient vorzugsweise für den Einsatz bei Stromrichteranlagen, wobei nichtentionisiertes Wasser als Kühlmittel verwendet werden kann.The invention relates to a liquid-cooled choke coil with a winding embedded in a cast resin body and is preferably used for use in converter systems, non-ionized water being used as a coolant.
Eine derartige flüssigkeitsgekühlte Drosselspule ist aus der DE 37 43 222 A1 bekannt. Dort ist die Spule in einem Kreisringbehälter aus amagnetischem Material angeordnet und versiegelt, wobei an den Behälterdeckel stoffschlüssig angebrachte Tüllen zur Durchführung der elektrischen Zuleitungen vorgesehen sind. Durch diese Anordnung der Spule in einem geschlossenen Kreisringbehälter ist eine direkte Berührung des Kühlwassers mit der spannungsführenden Wicklung nicht möglich.Such a liquid-cooled choke coil is known from DE 37 43 222 A1. There, the coil is arranged and sealed in a circular ring container made of non-magnetic material, with grommets attached to the container cover to provide the electrical supply lines. This arrangement of the coil in a closed annulus makes it impossible for the cooling water to come into direct contact with the live winding.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine flüssigkeitsgekühlte Drosselspule der eingangs genannten Art anzugeben, die einen intensiven Wärmeübergang an das Kühlmittel gewährleistet und bei der trotzdem kein elektrisch isolierendes Kühlmittel eingesetzt werden muß.The invention has for its object to provide a liquid-cooled choke coil of the type mentioned, which intensive heat transfer to the Guaranteed coolant and still no electrically insulating coolant must be used.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gießharzkörper beidseitig mit Deckeln derart abgedeckt ist, daß jeweils zur Aufnahme von flüssigem Kühlmittel geeignete Hohlräume zwischen dem Gießharzkörper und den Deckeln gebildet werden, daß elektrisch isolierte Kühlrohre zur Verbindung beider Hohlräume durch den Gießharzkörper verlaufen und daß mindestens einer der Deckel mit mindestens einem Kühlmittelanschluß versehen ist.This object is achieved in connection with the features of the preamble according to the invention in that the cast resin body is covered on both sides with lids in such a way that suitable cavities for receiving liquid coolant are formed between the cast resin body and the lids in that electrically insulated cooling tubes for connecting the two cavities run through the cast resin body and that at least one of the covers is provided with at least one coolant connection.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß als Kühlmittel nichtentionisiertes, also elektrisch leitfähiges Wasser verwendet werden kann. Durch Einbetten der Wicklung in elektrisch isolierendes Gießharz und Verwendung von elektrisch isolierenden Kühlrohren wird das Wasser von den elektrischen Bauteilen isoliert gehalten. Trotzdem wird der Wärmeübergang an das Wasser nicht behindert, da die Kühlrohre unmittelbar neben den verlustwärmeerzeugenden Leitern angeordnet werden können. Der Einsatz von Wasser als Kühlmittel ist aus Gründen des Brandschutzes und des Umweltschutzes insbesondere auch bei Hochleistungsstromrichtern von Verkehrsmitteln von Vorteil.The advantages that can be achieved with the invention consist in particular in the fact that non-deionized, ie, electrically conductive water can be used as the coolant. The water is kept isolated from the electrical components by embedding the winding in electrically insulating casting resin and using electrically insulating cooling pipes. Nevertheless, the heat transfer to the water is not hindered, since the cooling pipes can be arranged directly next to the conductors that generate heat. The use of water as a coolant is advantageous for reasons of fire protection and environmental protection, especially in the case of high-performance converters for means of transport.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine vergossene Drosselspule ohne Deckel (= scheibenförmiger Gießharzkörper), zum Teil aufgeschnitten zur Darstellung des inneren Aufbaus,
- Fig. 2
- einen Schnitt durch eine vollständige Drosselspule gemäß einer ersten Variante mit Deckeln und Kühlmittelanschlüssen,
- Fig. 3
- eine Draufsicht auf eine Drosselspule gemäß einer zweiten Variante, oberer Deckel aufgeschnitten,
- Fig. 4
- einen Schnitt durch die Drosselspule gemäß zweiter Variante,
- Fig. 5
- die bei der Drosselspule gemäß zweiter Variante gebildeten sektorförmigen Deckelkammern.
- Fig. 1
- a cast choke coil without cover (= disc-shaped cast resin body), partially cut open to show the internal structure,
- Fig. 2
- 1 shows a section through a complete choke coil according to a first variant with covers and coolant connections,
- Fig. 3
- 2 shows a top view of a choke coil according to a second variant, the upper cover cut open,
- Fig. 4
- a section through the choke coil according to the second variant,
- Fig. 5
- the sector-shaped cover chambers formed in the choke coil according to the second variant.
In Fig. 1 ist eine vergossene Drosselspule ohne Deckel (= scheibenförmiger Gießharzkörper) gezeigt - zum Teil aufgeschnitten zur Darstellung des inneren Aufbaus. Die Wicklung der Drosselspule ist wie eine spiralförmige Spule ausgebildet; der Leiter dieser Wicklung ist mit Ziffer 1 bezeichnet. Dieser Leiter 1 kann massiv ausgeführt sein oder aus einer geflochtenen oder verröbelten Litze bestehen. Der Leiter 1 kann zudem blank oder garnumsponnen sein. Die Wicklung ist in einem scheibenförmigen Gießharzkörper 2 eingebettet.In Fig. 1, a cast choke coil without a cover (= disk-shaped cast resin body) is shown - partially cut open to show the internal structure. The winding of the choke coil is designed like a spiral coil; the head of this winding is designated by
Das innere Ende der Wicklung ist über einen Kabelschuh 11 (bzw. Klemmstück) mit einer seitlich aus dem Gießharzkörper 2 herausführenden metallischen Schiene 3 verbunden. Diese Schiene 3 besteht aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen elektrisch gut leitenden Werkstoff und ist entsprechend gekröpft, damit sie um die Spule herum nach außen geführt werden kann. Die Verbindung der Schiene 3 mit dem inneren Ende der Spule 1 geschieht vorzugsweise durch Anlöten oder Quetschen des Leiters 1 an den Kabelschuh 11 der Schiene 3. Das aus dem Gießharzkörper 2 ragende Ende der Schiene 3 ist als elektrischer Anschluß 17 frei zugänglich (Steckanschluß).The inner end of the winding is connected via a cable lug 11 (or clamping piece) to a
Das äußere Ende der Wicklung ist über einen Kabelschuh 12 (bzw. Klemmstück) direkt mit einem aus dem Gießharzkörper 2 ragenden elektrischen Anschluß 18 verbunden (Steckanschluß), vorzugsweise ebenfalls durch Löten oder Quetschen. Die elektrischen Anschlüsse 17 der Schiene 3 und 18 des Kabelschuhs 12 treten seitlich aus dem Gießharzkörper 2 hervor und können in einfacher Weise mit externen elektrischen Anschlüssen kontaktiert werden.The outer end of the winding is connected via a cable lug 12 (or clamping piece) directly to an
Zwischen zwei Leitern 1 der Wicklung sind in vorgegebenen Abständen jeweils Kühlrohre 5 parallel zur Spulenachse angeordnet. Diese Kühlrohre 5 haben vorzugsweise einen äußeren rechteckförmigen Querschnitt mit einer Längsbohrung von kreis- oder auch rechteckförmigem Querschnitt. Die Kühlrohre 5 dienen vor dem Vergießen der Spule als Abstandshalter zwischen den Spiralen des Leiters 1 und nach dem Vergießen, d.h. während des Betriebes der Drosselspule, zu deren Kühlung.Between two
Die Kühlrohre 5 können aus Kunststoff, Keramik oder vorzugsweise aus einer elektrisch isolierenden, aber gut wärmeleitenden Keramik hergestellt sein, etwa Berylliumoxid oder insbesondere Aluminiumnitrid. Die Herstellung der Kühlrohre 5 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff gestattet die Anwendung von elektrisch leitfähigen Kühlmitteln, vorzugsweise nichtentionisiertes Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch. Der Abstand der Kühlrohre 5 voneinander in Umfangsrichtung richtet sich nach dem aus den Wicklungen abzuführenden Verlustwärmestrom.The
Zur Herstellung der Drosselspule wird die aus der Wicklung (Leiter 1), Schiene 3, Kabelschuhe 11, 12 und Kühlrohre 5 bestehende vormontierte Einheit mit Gießharz vergossen, so daß der im wesentlichen scheibenförmige Gießharzkörper 2 entsteht, der in Achsrichtung von den in den Kühlrohren 5 vorhandenen Bohrungen und von auf einem Lochkreis entlang der Außenkante angeordneten Bohrungen 7 durchbrochen wird. Die Bohrungen 7 dienen zur Befestigung des Gießharzkörpers 2 mit Deckeln, wie unter Fig. 2 beschrieben ist (Schraubverbindungen).To manufacture the choke coil, the pre-assembled unit consisting of the winding (conductor 1),
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine vollständige Drosselspule gemäß einer ersten Variante mit Deckeln und Kühlmittelanschlüssen dargestellt. Es ist der scheibenförmige Gießharzkörper 2 mit eingebettetem spiralförmigen Leiter 1, der innere Kabelschuh 11, die Schiene 3 mit elektrischen Anschluß 17 sowie ein Kühlrohr 5 zu erkennen (wobei zur Vereinfachung der Darstellung nur ein Kühlrohr eingezeichnet ist). Ferner sind der Kabelschuh 12 mit elektrischen Anschluß 18 angedeutet. Am Gießharzkörper 2 sind beidseitig Deckel 4, 6 befestigt, wobei zur Verbindung jeweils Schrauben 10 durch die Bohrungen 7 am Rande des Gießharzkörpers 2 und durch entsprechende Bohrungen 8, 9 in den Deckein 4, 6 geführt sind.2 shows a section through a complete choke coil according to a first variant with covers and coolant connections. The disc-shaped
Die Deckel 4,6 sind derartig ausgebildet, daß im montierten Zustand der Drosselspule jeweils zwischen den Deckeln 4 bzw. 6 und dem Gießharzkörper 2 ein scheibenförmiger Hohlraum 19 bzw. 20 entsteht.The
Die Trennfuge 21 bzw. 22 zwischen dem Deckel 4 und dem Gießharzkörper 2 bzw. zwischen dem Deckel 6 und dem Gießharzkörper 2 wird in geeigneter Weise - etwa durch einen in eine entsprechende Nut eingelegten O-Ring, eine Flachdichtung oder durch Verkleben - dauerhaft und sicher abgedichtet, so daß ein Austreten von Kühlmittel verhindert wird.The
An den Deckeln 4, 6 ist jeweils ein Kühlmittelanschluß 13, 14 angebracht, der in eine in Deckel vorhandene Bohrung 15, 16 eingeklebt oder eingelötet oder auf eine andere geeignete Art und Weise mit diesem verbunden wird. Alternativ hierzu können die Kühlmittelanschlüsse 13, 14 auch jeweils zusammen mit den Deckeln 4, 6 aus einem Teil hergestellt sein. Der Kühlmittelzufluß, der Kühlmittelverlauf innerhalb der Drosselspule und der Kühlmittelabfluß sind in Fig. 2 durch Pfeile angedeutet, wobei das Kühlmittel auch in umgekehrter Richtung fließen kann.On the
In der gemäß Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Drosselspule wird das Kühlmittel über den Kühlmittelanschluß 13 dem Hohlraum 19 zugeführt, von wo aus es auf die einzelnen Kühlrohre 5 verteilt wird. Beim Durchströmen der Kühlrohre 5 nimmt es die in Leitern 1 der Spule anfallende Wärme auf, sammelt sich in Hohlraum 20 und wird über den Kühlmittelanschluß 14 abgeführt.In the embodiment of the choke coil shown in FIG. 2, the coolant is supplied to the
In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine Drosselspule gemäß einer zweiten Variante dargestellt, wobei der obere Deckel aufgeschnitten ist. Bei dieser Drosselspule gemäß der zweiten Variante sind der obere Deckel 27 mit radialen Rippen 23 und der untere Deckel 28 (siehe Fig. 4) mit radialen Rippen 24 versehen, wobei die Rippen 23 bzw. 24 im zusammengebauten Zustand der Drossel die scheibenförmigen Hohlräume 19 bzw. 20 sektorartig unterteilen, wodurch mehrere Deckelkammern 25 bzw. 26 (siehe Fig. 4 und 5) entstehen. Die Deckel 27, 28 sind in Umfangsrichtung um eine halbe Rippenteilung versetzt an den scheibenförmigen Gießharzkörper 2 angebaut. Die Kühlrohre 5 sind in Gießharzkörper 2 so angeordnet, daß die Bereiche, in denen sich Gießharzkörper 2 und radiale Rippen 23, 24 der Deckel 27, 28 berühren, ausgespart bleiben. Im Deckel 27 sind diametral gegenüberliegend in geeigneter Weise ausgebildete Kühlmittelanschlüsse 29, 30 angeordnet, dagegen hat der Deckel 28 keine Kühlmittelanschlüsse (siehe auch Fig.4).3 shows a top view of a choke coil according to a second variant, the upper cover being cut open. In this choke coil according to the second variant, the
Diese Ausführung bewirkt eine mehrfache Umlenkung des Kühlmittels in den sektorförmigen Deckelkammern 25, 26. Der Gießharzkörper 2 wird von Kühlmittel mehrfach durchströmt, wodurch bei unveränderten Volumenstrom des Kühlmittels eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und damit ein höherer Wärmeübergangskoeffizient erzielt wird.This design causes a multiple deflection of the coolant in the sector-shaped
Zur Erläuterung hierzu wird auf Fig. 5 verwiesen, in der die bei der Drosselspule gemäß zweiter Variante gebildeten sektorförmigen Deckelkammern dargestellt sind. Im oberen Teil der Figur 5 sind die durch die radialen Rippen 23 des oberen Deckels 27 gebildeten Deckelkammern A, B, E, G, (= Deckelkammer 25) und im unteren Teil der Figur 5 die durch die radialen Rippen 24 des unteren Deckels 28 gebildeten Deckelkammern B, D, F, H (= Deckelkammer 26) zu erkennen. Der Kühlmittelanschluß 29 mündet in die Deckelkammer A und der Kühlmittelanschluß 30 in die Deckelkammer E. Das Kühlmittel wird der oberen Deckelkammer A über den Kühlmittelanschluß 29 zugeführt und strömt durch die Kühlrohre 5 von Kammer A in die unteren Kammern B und F. Von der unteren Kammer B strömt das Kühlmittel in die obere Kammer C, von dort in die untere Kammer D, von dort in die obere Kammer E - jeweils über die Kühlrohre des Gießharzkörpers 2 - und verläßt über den Kühlmittelanschluß 30 die Drosselspule. Desgleichen ergibt sich ein Kühlverlauf Kammer F - Kammer G - Kammer H - Kammer E - Kühlmittelanschluß 30.For an explanation of this, reference is made to FIG. 5, in which the sector-shaped cover chambers formed in the choke coil according to the second variant are shown. In the upper part of FIG. 5, the cover chambers A, B, E, G, (= cover chamber 25) formed by the
In Fig. 4 ist ein Schnitt durch die Drosselspule gemäß der zweiten Variante dargestellt. Im einzelnen sind der Gießharzkörper 2 mit oberen Deckel 27 und unterem Deckel 28 zu erkennen. Die radialen Rippen 23, 24 bilden Deckelkammern 25, 26. Ferner sind die Kühlmittelanschlüsse 29, 30 gezeigt.4 shows a section through the choke coil according to the second variant. In particular, the
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