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EP3288046B1 - Spulenvorrichtung - Google Patents

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Publication number
EP3288046B1
EP3288046B1 EP16185586.1A EP16185586A EP3288046B1 EP 3288046 B1 EP3288046 B1 EP 3288046B1 EP 16185586 A EP16185586 A EP 16185586A EP 3288046 B1 EP3288046 B1 EP 3288046B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil device
coil
cooling plate
cooling
windings
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP16185586.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3288046A1 (de
Inventor
Ingolf Hoffmann
Stephan Ippisch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to EP16185586.1A priority Critical patent/EP3288046B1/de
Priority to EP17752092.1A priority patent/EP3455863A1/de
Priority to CN201780051258.6A priority patent/CN109643600B/zh
Priority to US16/327,096 priority patent/US11443882B2/en
Priority to PCT/EP2017/070011 priority patent/WO2018036805A1/de
Publication of EP3288046A1 publication Critical patent/EP3288046A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3288046B1 publication Critical patent/EP3288046B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H01F27/10—Liquid cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2876—Cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F37/00—Fixed inductances not covered by group H01F17/00

Definitions

  • the invention relates to a coil device according to the preamble of claim 1.
  • a plurality of coil devices for example choke coils, which are wound from several layers of an insulated conductor, are known from the prior art. Due to the electrical stress on a coil device, thermal losses occur, for example within the windings of the coil device or in its coil core, which is formed, for example, from iron. Typically, the individual windings of the coil device are electrically insulated from one another by the introduction of an insulating material. Sufficiently good heat dissipation from the coil device must be ensured here. A preferred cooling or cooling of the coil device or its winding layers is contact-dimensioned so that the specified installation space can be used as optimally as possible.
  • a cooling plate is introduced into the coil device, for example, which must be electrically insulated from a yoke of a winding of the coil device in particular.
  • a cooling plate in particular a metallic cooling plate, within the coil device has the disadvantage that, due to the magnetic fields that occur, electrical currents are induced in it, which lead to losses (ohmic losses due to eddy currents).
  • water cooling systems are known from the prior art, which are used in particular for choke coils and are based on the introduction of metallic heat sinks into the coil device.
  • Waveguides which are used for the windings of the coil device are known from the prior art.
  • a coolant can be passed through the hollow conductor, which cools the coil device.
  • Cooling bags made of plastic with a Y-structure are known, which can be introduced into the coil device or one of its windings.
  • these are at least partially embedded in a resin, so that air inclusions can be reduced or, at best, prevented.
  • a liquid-cooled electromagnetic component such as a choke or a transformer, which consists of several disc-shaped coils with one or more turns and flat coolers in between, with at least two disk coils being assigned to a flat cooler and in which all winding elements or turns of the coil are direct have thermal contact with the surfaces of the flat cooler.
  • the present invention is based on the object of providing a coil device with improved cooling.
  • the coil device according to the invention for a power converter comprises a cooling plate and a plurality N 3 3 of coil windings, the cooling plate being thermally coupled to at least one end face of one of the coil windings.
  • the coil device has at least three coil windings.
  • the cooling channel extends around each of the three coil windings. This advantageously ensures improved heat dissipation from the coil windings.
  • the end face of the coil winding is particularly preferred here, since it typically has a sufficiently large area and is therefore particularly suitable for cooling the coil windings.
  • the inventive symmetrical structure of the coil device which is given by the spatial arrangement of the coil windings at an angle of 2 ⁇ / N , results in an electromagnetically advantageous arrangement which is particularly preferred for cooling the coil device.
  • the cooling plate and its cooling channel can be manufactured, for example, by means of a regenerative method, in particular 3D printing. Furthermore, the cooling channel is suitable for receiving a coolant, for example water, in particular a fluoroketone, for cooling or cooling the coil device.
  • the coolant provided for cooling is particularly preferably electrically non-conductive. As a result, eddy currents within the cooling plate can advantageously be reduced.
  • Another advantage of the present invention is that all coil windings of the coil device are cooled by means of a common cooling channel.
  • the cooling channel extends at least partially around each of the coil windings.
  • the mechanical stability of the coil device is improved by the cooling plate.
  • the coil device can be pressed by means of the cooling plate or by means of a plurality of cooling plates, so that the weight of the coil device according to the invention is reduced and installation space can also be saved.
  • the coil device comprises exactly three coil windings.
  • the three coil windings correspond to the three known phases of the three-phase alternating current.
  • a coil device is provided for each phase of the three-phase alternating current.
  • the coil device according to the invention can thus be provided for a power converter, in particular a converter.
  • the extension of the cooling channel takes place in such a way that it extends as long as possible and as close as possible around the coil windings. This advantageously improves the cooling of the coil device by means of the cooling plate.
  • the cross section of the cooling channel is enlarged in the area of the coil winding.
  • the cooling plate is triangular or triangular.
  • the cooling plate has three side edges, the cooling channel extending along two side edges of the three side edges.
  • the heat is advantageously given off to the surroundings of the cooling plate via at least two of the side edges.
  • the flow and return for the cooling channel and / or further mechanical, electrical, thermal and / or fluidic connections for the coil device can advantageously be provided.
  • the cooling plate has at least one recess, in particular a slot.
  • the occurrence of eddy currents and their effects can thereby advantageously be reduced. This advantageously improves the cooling of the coil device and the cooling plate. Furthermore, the efficiency of an electrical machine, which comprises the coil device, for example, is improved.
  • the recess is star-shaped or star-shaped.
  • the recess is formed from a plurality of slots, the slots extending in a star-like manner in different directions, starting from a common center.
  • the cooling channel extends in a tab-like manner between the slots.
  • the cooling plate is arranged on winding cores of the coil windings, a side surface of the cooling plate facing the winding cores having an electrically insulating layer or coating.
  • the cooling plate is constructed in at least two parts.
  • the first part of the cooling plate, which includes the cooling channel, is made, for example, of aluminum and / or copper, that is, made of a metallic and highly thermally conductive material.
  • a second part of the cooling plate is formed by means of the electrically insulating layer or coating.
  • an electrically insulating thermal interface material can be provided for the electrically insulating layer.
  • TIM electrically insulating thermal interface material
  • the guide of a coolant is arranged in the metallic part of the cooling plate (first part) and the electrically insulating components of the cooling plate, i.e. the electrically insulating layer, are formed by simple end plates without contacting and contouring are.
  • a side surface of the cooling plate facing away from the winding core has an electrically insulating layer or coating.
  • the winding cores and the coil windings of the coil device can be isolated from a yoke, in particular an iron yoke.
  • the cooling plate is formed from aluminum, copper, stainless steel or cupronickel ferrite or a mixture thereof.
  • the cooling plate can comprise further materials or substances, for example plastics, in particular PPS or a ceramic, for example aluminum nitride.
  • plastics in particular PPS or a ceramic, for example aluminum nitride.
  • the mentioned Metallic materials that is to say aluminum, copper, stainless steel or copper-nickel ferrite advantageously have a high thermal conductivity, so that the thermal cooling of the coil device or the cooling plate is improved.
  • each of the coil windings has a contacting element for electrical contacting, each of the contacting elements being at least partially surrounded by the cooling channel.
  • the contacting elements are also at least partially cooled by the cooling channel which at least partially surrounds them.
  • the contacting elements are preferably designed as copper tabs, in particular as curved copper tabs.
  • the coil device 1 comprises a cooling plate 2 which has a cooling channel 24.
  • the cooling channel 24 is designed and provided for guiding a coolant, for example water or a fluid, which in particular comprises a fluoroketone.
  • the cooling channel 24 has a flow 61 and a return 62.
  • the cooling plate 2 of the coil device 1 is triangular.
  • the cooling plate 2 has three side edges 21, 22, 23 which form the sides of an imaginary isosceles triangle.
  • the corners of the imaginary isosceles triangle are rounded off so that installation space is saved.
  • eddy currents within the cooling plate 2 can be reduced by the rounded corners.
  • a recess 8 which is designed as a slot, is provided.
  • the slot 8, which is elongated, extends from a center 800 of the cooling plate 2, in particular a center of symmetry of the cooling plate 2, to the third side edge 23 of the cooling plate 2. Furthermore, the recess 8 lies between two sections of the cooling channel 24.
  • the coil device 1 has three coil windings 4, which are circular in cross section in the figure shown are trained. Furthermore, the coil windings 4 have an end face 400 which is formed, for example, by an end face of a winding core that is assigned to the respective coil winding 4.
  • the coil windings 4 are arranged symmetrically to one another.
  • the coil windings 4 are spatially offset from one another by the angle 41 of 2 ⁇ / 3.
  • the angle 41 relates to the common center 800.
  • the coil windings 4 are arranged essentially in the area of the rounded corners of the triangular cooling plate 2.
  • the cooling channel 24 extends at least partially along the coil windings 4.
  • the cooling channel 24 preferably extends almost completely along the coil windings 4. In other words, the coil windings 4 are surrounded by the cooling channel 24 except for an angle 43.
  • the cooling channel 24 extends at least over an angle 42 of at least 5 ⁇ / 3 , in particular of at least 11 ⁇ / 3, particularly preferably of 2 ⁇ around the respective coil winding 4.
  • the angle 43 leads to a recess of an angular range of the Coil winding 4 which is not surrounded by the cooling channel 24 and which corresponds to the angle 43. In other words, an angle sum formed from angle 42 and angle 43 has the value 2 ⁇ .
  • the angular range which corresponds to the angle 43 can be provided for electrical contacting by means of contacting elements 10, in particular by means of a bent copper tab.
  • the course of the cooling channel 24 advantageously enables a preferred cooling of the coil devices 4 by means of the cooling plate 2.
  • the mechanical stability of the coil device 1 is increased and improved by the cooling plate 2.
  • installation space and weight can be saved. In other words a compression of the coil device 1 is made possible by the cooling plate 2.
  • the aforementioned pressing of the cooling plate 2 with the end faces 400 of the coil devices 4 is facilitated.
  • FIG. 2 shows a plan view of a coil device 1 according to the invention, which is comparable to that in FIG Figure 1 is illustrated coil device. In other words, this can be under Figure 1 Said on Figure 2 applied and transmitted.
  • the coil device 1 in Figure 2 has a T-shaped or T-shaped cooling plate 2. Also shows Figure 2 a more complex arrangement and extension of the cooling channel 24. This extends in a meandering manner within the cooling plate 2 around the coil devices 4.
  • An advantage of the meandering arrangement of the cooling channel 24 is that it improves the cooling of the cooling plate 2 and thus of the coil device 1.
  • the flow 61 and the return 62 of the cooling channel 24 can be arranged in a common area of the cooling plate 2, so that their fluidic contact is simplified.
  • FIG. 1 has the coil device in Figure 2 a recess 8 which extends radially outward from a center 800.
  • a circular recess is provided within the center 800. This enables the cooling plate 2 to be plugged onto a common axis which is provided for the arrangement of the coil devices 4. Furthermore, this makes it easier to press the cooling plate 2 with the end faces 400 of the coil devices 4.
  • FIG 3 a further plan view of a coil device 1 according to the invention is shown.
  • Figure 3 essentially the same items as before Figure 1 and or Figure 2 .
  • FIG. 3 points in contrast to the Figures 1 and / or 2 a star-shaped or star-shaped cooling plate 2. This advantageously saves additional installation space.
  • the cooling plate 2 in turn has a cooling channel 24 which extends at least partially around the coil windings 4 of the coil devices 1.
  • the flow 61 and return 62 of the cooling channel 24 are arranged within a common area, so that their fluidic contact is facilitated and improved.
  • the coil device 1 has a recess 8 which is star-like or star-shaped. For this purpose, it has a plurality of elongated slots 81 which extend from the common center 800 in different directions. This advantageously significantly reduces the formation of eddy currents.
  • One of the slots 81 is arranged between the flow 61 and the return 62 of the cooling channel 24. In other words, the feed 61 and the return 62 are spaced apart by one of the slots 81.
  • the dashed lines correspond to an alternative extension of the cooling channel 24.
  • the cooling channel 24 extends in a tab-like manner between two adjacent slots 81. This advantageously improves the cooling of the coil device.
  • the coil device 1 has contacting elements 10, in particular copper tabs, which are arranged between the coil devices 4 and the cooling channel 24.
  • the cooling channel 24 extends along the contacting elements 10, so that they are cooled by the cooling channel 24 or by a coolant which is arranged within the cooling channel 24 or flows through it.
  • Figure 4 is a side sectional view of part of a coil device 1 according to the invention.
  • an electrically insulating coating 14 is arranged or applied on a side of the cooling plate 2 facing the coil winding 4. This serves to electrically isolate the cooling plate 2 from the voltage-carrying components of the coil winding 4.
  • the electrically insulating material or the insulating coating 14 can be formed, for example, from a low-water absorbing plastic, in particular PPS, or a ceramic, for example aluminum nitrite.
  • an arrangement by means of a silicone layer is advantageous, since unevenness of the coil winding 4 and / or the cooling plate 2 can be compensated for.
  • a further electrically insulating layer or coating 16 is applied on a side of the cooling plate 2 facing away from the coil winding 4. Like the electrically insulating layer 14, it can be formed from a plastic that does not absorb much water, for example PPS, or a ceramic, for example aluminum nitrite. The further electrically insulating layer 16 is provided for electrical insulation from an iron yoke 12 of the coil device 1.

Landscapes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Spulenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Aus dem Stand der Technik ist eine Mehrzahl von Spulenvorrichtungen, beispielsweise Drosselspulen, die aus mehreren Lagen eines isolierten Leiters gewickelt werden, bekannt. Aufgrund der elektrischen Beanspruchung einer Spulenvorrichtung treten thermische Verluste, beispielsweise innerhalb der Wicklungen der Spulenvorrichtung oder in ihrem Spulenkern, der beispielsweise aus Eisen gebildet ist, auf. Typischerweise werden die einzelnen Wicklungen der Spulenvorrichtung durch die Einbringung eines Isolationsmaterials elektrisch voneinander isoliert. Hierbei ist eine ausreichend gute Entwärmung der Spulenvorrichtung sicherzustellen. Eine bevorzugte Entwärmung oder Kühlung der Spulenvorrichtung beziehungsweise ihrer Wicklungslagen ist kontaktdimensioniert, sodass der vorgegebene Bauraum möglichst optimal ausgenutzt werden kann. Hierzu wird beispielsweise eine Kühlplatte in die Spulenvorrichtung eingebracht, die insbesondere gegenüber einem Joch einer Wicklung der Spulenvorrichtung elektrisch isoliert werden muss. Die Einbringung einer Kühlplatte, insbesondere einer metallischen Kühlplatte, innerhalb der Spulenvorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund der auftretenden Magnetfelder elektrische Ströme in dieser induziert werden, die zu Verlusten führen (ohmsche Verluste durch Wirbelströme) .
  • Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Wasserkühlungen bekannt, die insbesondere für Drosselspulen verwendet werden, und auf einer Einbringung von metallischen Kühlkörpern in die Spulenvorrichtung basieren.
  • Aus dem Stand der Technik sind Hohlleiter bekannt, die für die Wicklungen der Spulenvorrichtung eingesetzt werden. Durch die Hohleiter kann ein Kühlmittel geführt werden, das die Spulenvorrichtung entwärmt.
  • Aus der DE 10 2012 217 607 A1 sind Kühltaschen aus Kunststoff mit einer Y-Struktur bekannt, die in die Spulenvorrichtung oder einer ihrer Wicklungen eingebracht werden kann. Um die thermische Leitfähigkeit zwischen den Wicklungen der Spulenvorrichtung und der genannten Y-Struktur zu erhöhen, werden diese wenigstens zum Teil in einem Harz eingebettet, sodass Lufteinschlüsse vermindert oder bestenfalls verhindert werden können. Weiterhin ist es bekannt Spulenvorrichtungen, insbesondere Drosselspulen, vollständig zu vergießen, sodass eine verbesserte interne thermische Leitfähigkeit erreicht wird.
  • Aus der EP 2977996 A1 ist eine Drosselspule eines Stromrichters bekannt, die eine hohlzylindrische Spulenwicklung aufweist an deren Deckfläche eine Kühlplatte thermisch angebunden ist. Hierbei besteht der Nachteil, dass sich innerhalb der Kühlplatte Wirbelströme ausbilden, die zu Verlusten führen. Weiterhin hat sich herausgestellt, dass eine Kühlung der Kühlplatte zu ihrer Entwärmung technisch schwierig ist
  • Aus der WO 2009/143643 A1 ist eine flüssigkeitsgekühlte elektromagnetische Komponente, wie eine Drossel oder ein Transformator, bekannt, die aus mehreren scheibenförmigen Spulen mit einer oder mehreren Windungen und dazwischen liegenden Flachkühlern besteht, wobei mindestens zwei Scheibenspulen einem Flachkühler zugeordnet sind und bei der alle Wicklungselemente bzw. Windungen der Spule direkten thermischen Kontakt zu den Oberflächen der Flachkühler aufweisen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Spulenvorrichtung mit einer verbesserten Kühlung bereitzustellen.
  • Die Aufgabe wird durch eine Spulenvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Spulenvorrichtung für einen Stromrichter, umfasst eine Kühlplatte und eine Mehrzahl N ≥ 3 von Spulenwicklungen, wobei die Kühlplatte mit wenigstens einer Stirnseite einer der Spulenwicklungen thermisch gekoppelt ist. Erfindungsgemäß sind die Spulenwicklungen räumlich um einen Winkel von 2π/N (= 360°/N) versetzt zueinander angeordnet und die Kühlplatte weist einen Kühlkanal auf, der sich wenigstens teilweise um jede der Spulenwicklungen erstreckt.
  • Mit anderen Worten weist die Spulenvorrichtung wenigstens drei Spulenwicklungen auf. Hierbei erstreckt sich der Kühlkanal um jede der drei Spulenwicklungen. Dadurch wird vorteilhafterweise eine verbesserte Entwärmung der Spulenwicklungen sichergestellt. Hierbei ist besonders die Stirnseite der Spulenwicklung bevorzugt, da diese typischerweise eine ausreichend große Fläche aufweist und somit besonders gut für die Entwärmung der Spulenwicklungen geeignet ist.
  • Durch den erfindungsgemäßen symmetrischen Aufbau der Spulenvorrichtung, der durch die räumliche Anordnung der Spulenwicklungen in einem Winkel von 2π/N gegeben ist, ergibt sich eine elektromagnetisch vorteilhafte Anordnung, die insbesondere auch für die Kühlung der Spulenvorrichtung besonders bevorzugt ist.
  • Die Kühlplatte sowie ihr Kühlkanal können beispielsweise mittels eines regenerativen Verfahrens, insbesondere eines 3D-Drucks, gefertigt sein. Weiterhin ist der Kühlkanal dazu geeignet ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser, insbesondere ein Fluorketon, zur Kühlung oder Entwärmung der Spulenvorrichtung aufzunehmen. Besonders bevorzugt ist das für die Kühlung vorgesehene Kühlmittel elektrisch nicht leitend. Dadurch können vorteilhafterweise Wirbelströme innerhalb der Kühlplatte verringert werden.
  • Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass alle Spulenwicklungen der Spulenvorrichtung mittels eines gemeinsamen Kühlkanals entwärmt werden. Hierbei erstreckt sich erfindungsgemäß der Kühlkanal wenigstens teilweise um jede der Spulenwicklungen. Dadurch lässt sich eine mechanisch vorteilhafte und kompakte Bauweise der Spulenvorrichtung erreichen.
  • Weiterhin wird durch die Kühlplatte die mechanische Stabilität der Spulenvorrichtung verbessert. Beispielsweise kann die Spulenvorrichtung mittels der Kühlplatte oder mittels einer Mehrzahl von Kühlplatten verpresst werden, sodass sich das Gewicht der erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung verringert und zusätzlich Bauraum eingespart werden kann.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Spulenvorrichtung genau drei Spulenwicklungen.
  • Dadurch wird eine besonders bevorzugte symmetrische Ausgestaltung der Spulenvorrichtung bereitgestellt. Insbesondere entsprechen die drei Spulenwicklungen den drei bekannten Phasen des Drei-Phasen-Wechselstromes. Mit anderen Worten ist für jede Phase des Drei-Phasen-Wechselstromes eine Spulenvorrichtung vorgesehen. Die erfindungsgemäße Spulenvorrichtung kann somit für einen Stromrichter, insbesondere einen Umrichter, vorgesehen sein.
  • Weiterhin erfolgt hierbei die Erstreckung des Kühlkanals derart, dass dieser sich möglichst lange und möglichst nahe um die Spulenwicklungen erstreckt. Dadurch wird vorteilhafterweise die Entwärmung der Spulenvorrichtung mittels der Kühlplatte verbessert.
  • Besonders bevorzugt ist es hierbei, wenn sich der Kühlkanal über einen Winkel von wenigstens 5π/3 (= 300°) , insbesondere von 11π/6 (= 330°), besonders bevorzugt von 2π (= 360°), um die jeweilige Spulenwicklung erstreckt.
  • Mit anderen Worten ergibt sich bevorzugt ein Winkelbereich von höchstens π/3 (=60°), insbesondere von höchstens π/6 (= 30°), um die Spulenwicklung, in welchem der Kühlkanal diese nicht umschließt. Vorteilhafterweise wird dadurch die Entwärmung der Spulenvorrichtung, insbesondere ihrer Spulenwicklungen, weiter verbessert.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Querschnitt des Kühlkanals im Bereich der Spulenwicklung vergrößert.
  • Durch den vergrößerten Querschnitt des Kühlkanals im Bereich der Spulenwicklung kann vorteilhafterweise mehr Wärme von den Spulenwicklungen abgeführt werden. Insgesamt wird dadurch die Entwärmung der Spulenvorrichtung beziehungsweise der Spulenwicklungen weiter verbessert.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlplatte dreiecksartig oder dreiecksförmig ausgebildet.
  • Vorteilhafterweise ergibt sich dadurch eine symmetrische Ausgestaltung der Kühlplatte, die besonders für genau drei Spulenwicklungen von Vorteil ist. Somit ist die geometrische Form beziehungsweise die geometrische Ausgestaltung der Kühlplatte an genau drei Spulenwicklungen angepasst. Dadurch kann vorteilhafterweise Bauraum eingespart werden. Insbesondere ist es hierbei vorgesehen, dass die Ecken der dreiecksartigen oder dreiecksförmigen ausgebildeten Kühlplatte abgerundet sind, sodass weiterer Bauraum eingespart werden kann.
  • Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Kühlplatte drei Seitenränder aufweist, wobei sich der Kühlkanal entlang zwei Seitenrändern der drei Seitenränder erstreckt.
  • Dadurch wird vorteilhafterweise die Wärme über wenigstens zwei der Seitenränder an die Umgebung der Kühlplatte abgegeben. An dem weiteren Seitenrand, an welchem sich der Kühlkanal nicht erstreckt, können vorteilhafterweise der Vorlauf und der Rücklauf für den Kühlkanal und/oder weitere mechanische, elektrische, thermische und/oder fluidische Anschlüsse für die Spulenvorrichtung vorgesehen sein.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Kühlplatte wenigstens eine Aussparung, insbesondere einen Schlitz, auf.
  • Vorteilhafterweise können dadurch das Auftreten von Wirbelströmen und deren Auswirkungen verringert werden. Hierdurch wird vorteilhafterweise die Entwärmung der Spulenvorrichtung sowie der Kühlplatte verbessert. Weiterhin wird die Effizienz einer elektrischen Maschine, die beispielsweise die Spulenvorrichtung umfasst, verbessert.
  • Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn die Aussparung sternenartig oder sternenförmig ausgebildet ist.
  • Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Verminderung von Wirbelströmen innerhalb der Kühlplatte erreicht.
  • Weiterhin ist es hierbei bevorzugt, wenn die Aussparung aus einer Mehrzahl von Schlitzen gebildet ist, wobei sich die Schlitze, ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum, sternenartig in verschiedene Richtungen erstrecken.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich hierbei der Kühlkanal laschenartig zwischen den Schlitzen.
  • Vorteilhafterweise wird dadurch die Entwärmung der Kühlplatte verbessert sowie eine Verminderung von Wirbelströmen erreicht. Das ist deshalb der Fall, da durch die laschenartige Erstreckung des Kühlkanals seine Länge vergrößert und somit mehr Wärme übertragen werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlplatte an Wicklungskernen der Spulenwicklungen angeordnet, wobei eine den Wicklungskernen zugewandte Seitenfläche der Kühlplatte eine elektrisch isolierende Schicht oder Beschichtung aufweist.
  • Mit anderen Worten ist die Kühlplatte wenigstens zweiteilig aufgebaut. Der erste Teil der Kühlplatte, der den Kühlkanal umfasst, ist beispielsweise aus Aluminium und/oder Kupfer, das heißt einem metallischen und gut wärmeleitenden Material gebildet. Ein zweiter Teil der Kühlplatte ist mittels der elektrisch isolierenden Schicht beziehungsweise Beschichtung gebildet. Hierzu ist es von Vorteil Noryl und/oder Ryton für die elektrisch isolierende Schicht oder die Beschichtung vorzusehen. Vorteilhafterweise kann dadurch die Kühlplatte gegenüber spannungsführenden Teilen der Spulenvorrichtung elektrisch isoliert werden.
  • Weiterhin kann für die elektrisch isolierende Schicht ein elektrisch isolierendes Thermal-Interface-Material (TIM) vorgesehen sein. Zudem ist die Verwendung von wenig-wasseraufnehmenden Kunststoffen, insbesondere von PPS oder einer Keramik, beispielsweise Aluminiumnitrit, von Vorteil. Dadurch wird insgesamt ein kosteneffizienter Aufbau der Spulenvorrichtung ermöglicht, bei dem die Führung eines Kühlmittels im metallischen Teil der Kühlplatte (erster Teil) angeordnet ist und die elektrisch isolierenden Bauteile der Kühlplatte, das heißt die elektrisch isolierende Schicht, durch einfache Abschlussplatten ohne Kontaktierung und Konturierung ausgebildet sind.
  • Hierbei ist es bevorzugt wenn, beispielsweise wie vorstehend ausgeführt, eine dem Wicklungskern abgewandte Seitenfläche der Kühlplatte eine elektrisch isolierende Schicht oder Beschichtung aufweist.
  • Dadurch können die Wicklungskerne sowie die Spulenwicklungen der Spulenvorrichtung gegenüber einem Joch, insbesondere einem Eisenjoch, isoliert werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Kühlplatte aus Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Kupfernickelferrit oder einer Mischung hieraus gebildet.
  • Hierbei kann die Kühlplatte weitere Materialien oder Stoffe umfassen, beispielsweise Kunststoffe, insbesondere PPS oder eine Keramik, beispielsweise Aluminiumnitrid. Die genannten metallischen Werkstoffe, das heißt Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Kupfernickelferrit weisen vorteilhafterweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, sodass die thermische Entwärmung der Spulenvorrichtung beziehungsweise der Kühlplatte verbessert wird.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist jede der Spulenwicklungen ein Kontaktierungselement zur elektrischen Kontaktierung auf, wobei jedes der Kontaktierungselemente wenigstens teilweise vom Kühlkanal umgeben ist.
  • Vorteilhafterweise wird dadurch die Entwärmung der Spulenvorrichtung sowie der Kühlplatte weiter verbessert. Insbesondere werden hierdurch die Kontaktierungselemente ebenso durch den Kühlkanal, der diese wenigstens teilweise umgibt, wenigstens teilweise entwärmt.
  • Bevorzugt sind die Kontaktierungselemente hierbei als Kupferlaschen, insbesondere als gebogene Kupferlaschen, ausgebildet.
  • Vorteilhafterweise wird dadurch die elektrische Kontaktierung der Spulenvorrichtung verbessert sowie die thermische Leitfähigkeit der Kontaktierungselemente erhöht.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
    • Figur 1
    eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung mit einer dreiecksartigen Kühlplatte;
    Figur 2
    eine weitere schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung, wobei eine Kühlplatte der Spulenvorrichtung T-förmig ausgebildet ist;
    Figur 3
    eine weitere Draufsicht einer erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung, wobei hierbei die Kühlplatte sternenartig ausgebildet ist;
    Figur 4
    eine seitliche Darstellung einer erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung.
  • Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
  • In Figur 1 ist eine schematische Draufsicht der erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung 1 dargestellt. Hierbei umfasst die Spulenvorrichtung 1 eine Kühlplatte 2, die einen Kühlkanal 24 aufweist. Der Kühlkanal 24 ist zur Führung eines Kühlmittels, beispielsweise von Wasser oder eines Fluids, das insbesondere ein Fluorketon umfasst, ausgebildet und vorgesehen. Hierzu weist der Kühlkanal 24 einen Vorlauf 61 sowie einen Rücklauf 62 auf.
  • Die Kühlplatte 2 der Spulenvorrichtung 1 ist dreiecksartig ausgebildet. Hierbei weist die Kühlplatte 2 drei Seitenränder 21, 22, 23 auf, die die Seiten eines gedachten gleichschenkligen Dreieckes ausbilden. Die Ecken des gedachten gleichschenkligen Dreieckes sind hierbei abgerundet, sodass Bauraum eingespart wird. Zudem können durch die abgerundeten Ecken Wirbelströme innerhalb der Kühlplatte 2 verringert werden.
  • Zur weiteren Verringerung von Wirbelströmen ist eine Aussparung 8, die als Schlitz ausgebildet ist, vorgesehen. Hierbei erstreckt sich der Schlitz 8, der länglich ausgebildet ist, von einem Zentrum 800 der Kühlplatte 2, insbesondere einem Symmetriezentrum der Kühlplatte 2, zum dritten Seitenrand 23 der Kühlplatte 2. Weiterhin liegt die Aussparung 8 zwischen zwei Abschnitten des Kühlkanals 24.
  • Die Spulenvorrichtung 1 weist drei Spulenwicklungen 4 auf, die in der dargestellten Figur in ihrem Querschnitt kreisförmig ausgebildet sind. Weiterhin weisen die Spulenwicklungen 4 eine Stirnseite 400 auf, die beispielsweise durch eine Stirnseite eines Wicklungskerns, der der jeweiligen Spulenwicklung 4 zugeordnet ist, ausgebildet ist.
  • Die Spulenwicklungen 4 sind symmetrisch zueinander angeordnet. Hierbei weisen die Spulenwicklungen 4 einen Winkel 41 von 2π/3 (=120°) zueinander auf. Mit anderen Worten sind die Spulenwicklungen 4 räumlich um den Winkel 41 von 2π/3 versetzt zueinander angeordnet. Hierbei bezieht sich der Winkel 41 auf das gemeinsame Zentrum 800. Mit anderen Worten sind die Spulenwicklungen 4 im Wesentlichen im Bereich der abgerundeten Ecken der dreiecksartigen Kühlplatte 2 angeordnet.
  • Der Kühlkanal 24 erstreckt sich wenigstens teilweise entlang der Spulenwicklungen 4. Bevorzugt erstreckt sich der Kühlkanal 24 annähernd vollständig entlang der Spulenwicklungen 4. Mit anderen Worten sind die Spulenwicklungen 4 bis auf einen Winkel 43 von dem Kühlkanal 24 umgeben. Entsprechend dem Winkel 43 erstreckt sich der Kühlkanal 24 wenigstens über einen Winkel 42 von wenigstens 5π/3, insbesondere von wenigstens 11π/3, besonders bevorzugt von 2π um die jeweilige Spulenwicklung 4. Der Winkel 43 führt zu einer Aussparung eines Winkelbereiches der Spulenwicklung 4, der nicht von dem Kühlkanal 24 umgeben ist und dem Winkel 43 entspricht. Mit anderen Worten weist eine aus dem Winkel 42 und dem Winkel 43 gebildete Winkelsumme den Wert 2π auf. Der Winkelbereich, der dem Winkel 43 entspricht, kann für eine elektrische Kontaktierung mittels Kontaktierungselementen 10, insbesondere mittels einer gebogenen Kupferlasche, vorgesehen sein.
  • Durch den Verlauf des Kühlkanals 24 wird vorteilhafterweise eine bevorzugte Entwärmung der Spulenvorrichtungen 4 mittels der Kühlplatte 2 ermöglicht. Zudem wird durch die Kühlplatte 2 die mechanische Stabilität der Spulenvorrichtung 1 erhöht und verbessert. Weiterhin kann durch ein Zusammendrücken der Spulenvorrichtung 1, beispielsweise mittels der Kühlplatte 2, Bauraum und Gewicht eingespart werden. Mit anderen Worten wird durch die Kühlplatte 2 eine Verpressung der Spulenvorrichtung 1 ermöglicht. Zudem wird die genannte Verpressung der Kühlplatte 2 mit den Stirnseiten 400 der Spulenvorrichtungen 4 erleichtert.
  • Figur 2 zeigt eine Draufsicht einer erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung 1, die vergleichbar mit der in Figur 1 dargestellten Spulenvorrichtung ist. Mit anderen Worten kann das unter Figur 1 Gesagte auf Figur 2 angewandt und übertragen werden.
  • Die Spulenvorrichtung 1 in Figur 2 weist eine T-artige oder T-förmige Kühlplatte 2 auf. Zudem zeigt Figur 2 eine komplexere Anordnung und Erstreckung des Kühlkanals 24. Dieser erstreckt sich mäanderartig innerhalb der Kühlplatte 2 um die Spulenvorrichtungen 4. Ein Vorteil der mäanderartigen Anordnung des Kühlkanal 24 ist, dass dadurch die Entwärmung der Kühlplatte 2 und somit der Spulenvorrichtung 1 verbessert wird. Zudem können der Vorlauf 61 sowie der Rücklauf 62 des Kühlkanals 24 in einem gemeinsamen Bereich der Kühlplatte 2 angeordnet werden, sodass deren fluidische Kontaktierung vereinfacht wird.
  • Wie bereits in Figur 1 weist die Spulenvorrichtung in Figur 2 eine Aussparung 8 auf, die sich von einem Zentrum 800 radial nach außen erstreckt. Hierbei ist eine kreisförmige Aussparung innerhalb des Zentrums 800 vorgesehen. Dadurch wird ein Aufstecken der Kühlplatte 2 auf eine gemeinsame Achse, die zur Anordnung der Spulenvorrichtungen 4 vorgesehen ist, ermöglicht. Weiterhin wird dadurch eine Verpressung der Kühlplatte 2 mit den Stirnseiten 400 der Spulenvorrichtungen 4 erleichtert.
  • In Figur 3 ist eine weitere Draufsicht einer erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung 1 dargestellt. Hierbei zeigt Figur 3 im Wesentlichen die gleichen Elemente wie bereits Figur 1 und/oder Figur 2.
  • Figur 3 weist im Unterschied zu den Figuren 1 und/oder 2 eine sternenartig oder sternenförmig ausgebildete Kühlplatte 2 auf. Vorteilhafterweise kann dadurch weiterer Bauraum eingespart werden. Die Kühlplatte 2 weist wiederum einen Kühlkanal 24 auf, der sich wenigstens teilweise um die Spulenwicklungen 4 der Spulenvorrichtungen 1 erstreckt. Hierbei sind der Vorlauf 61 sowie Rücklauf 62 des Kühlkanals 24 innerhalb eines gemeinsamen Bereiches angeordnet, sodass deren fluidische Kontaktierung erleichtert und verbessert wird.
  • Die Spulenvorrichtung 1 weist eine Aussparung 8 auf, die sternenartig oder sternenförmig ausgebildet ist. Hierzu weist diese eine Mehrzahl von länglichen Schlitzen 81 auf, die sich von dem gemeinsamen Zentrum 800 in verschiedene Richtungen erstrecken. Vorteilhafterweise wird dadurch die Ausbildung von Wirbelströmen deutlich verringert. Einer der Schlitze 81 ist hierbei zwischen dem Vorlauf 61 und dem Rücklauf 62 des Kühlkanals 24 angeordnet. Mit anderen Worten sind der Vorlauf 61 und der Rücklauf 62 durch einen der Schlitze 81 beabstandet.
  • Die gestrichelten Linien entsprechen einer alternativen Erstreckung des Kühlkanals 24. Hierbei erstreckt sich der Kühlkanal 24 laschenartig zwischen jeweils zwei benachbarten Schlitze 81. Dadurch wird vorteilhafterweise die Entwärmung der Spulenvorrichtung verbessert.
  • Weiterhin weist die Spulenvorrichtung 1 Kontaktierungselemente 10, insbesondere Kupferlaschen, auf, die zwischen den Spulenvorrichtungen 4 und dem Kühlkanal 24 angeordnet sind. Hierbei erstreckt sich der Kühlkanal 24 entlang der Kontaktierungselemente 10, sodass diese durch den Kühlkanal 24 beziehungsweise durch ein Kühlmittel, welches innerhalb des Kühlkanals 24 angeordnet ist oder diesen durchströmt, gekühlt werden.
  • In Figur 4 ist eine seitliche Schnittdarstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Spulenvorrichtung 1 dargestellt.
  • Hierbei ist im dargestellten Schnitt eine der Spulenvorrichtungen 4 sowie die Kühlplatte 2 zu erkennen. Auf einer der Spulenwicklung 4 zugewandten Seite der Kühlplatte 2 ist eine elektrisch isolierende Beschichtung 14 angeordnet oder aufgebracht. Diese dient zur elektrischen Isolierung der Kühlplatte 2 gegenüber den spannungstragenden Bauteilen der Spulenwicklung 4. Hierbei kann das elektrische isolierende Material beziehungsweise die isolierende Beschichtung 14 beispielsweise aus einem wenig wasseraufnehmenden Kunststoff, insbesondere PPS, oder einer Keramik, beispielsweise Aluminiumnitrit, gebildet sein. Weiterhin ist eine Anordnung mittels einer Silikonschicht von Vorteil, da dadurch Unebenheiten der Spulenwicklung 4 und/oder der Kühlplatte 2 ausgeglichen werden können.
  • Auf einer der Spulenwicklung 4 abgewandten Seite der Kühlplatte 2 ist eine weitere elektrisch isolierende Schicht oder Beschichtung 16 angebracht. Wie bereits die elektrisch isolierende Schicht 14 kann diese aus einem wenig wasseraufnehmenden Kunststoff, beispielsweise PPS, oder einer Keramik, beispielsweise Aluminiumnitrit, gebildet sein. Die weitere elektrisch isolierende Schicht 16 ist zur elektrischen Isolierung gegenüber einem Eisenjoch 12 der Spulenvorrichtung 1 vorgesehen.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den durch die Ansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (15)

  1. Spulenvorrichtung (1) für einen Stromrichter, umfassend eine Kühlplatte (2) und eine Mehrzahl N ≥ 3 von Spulenwicklungen (4), wobei die Kühlplatte (2) mit wenigstens einer Stirnseite (400) einer der Spulenwicklungen (4) thermisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen (4) räumlich um einen Winkel (41) von 2π/N versetzt zueinander angeordnet sind, und die Kühlplatte (2) einen Kühlkanal (24) aufweist, der sich wenigstens teilweise um jede der N Spulenwicklungen (4) erstreckt.
  2. Spulenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese genau drei Spulenwicklungen (4) umfasst.
  3. Spulenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (24) über einen Winkel (42) von wenigstens 5π/3, insbesondere von wenigstens 11π/6, besonders bevorzugt von 2π, um die jeweilige Spulenwicklung (4) erstreckt.
  4. Spulenvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kühlkanals (24) im Bereich der Spulenwicklungen (4) vergrößert ist.
  5. Spulenvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (2) dreiecksartig oder dreiecksförmig ausgebildet ist.
  6. Spulenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (2) drei Seitenränder (21, 22, 23) aufweist, wobei sich der Kühlkanal (24) entlang zwei Seitenrändern (21, 22) der drei Seitenränder (21, 22, 23) erstreckt.
  7. Spulenvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (2) wenigstens eine Aussparung (8), insbesondere einen Schlitz, aufweist.
  8. Spulenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (8) sternenartig oder sternenförmig ausgebildet ist.
  9. Spulenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (8) aus einer Mehrzahl von Schlitzen (81) gebildet ist, wobei sich die Schlitze (81) ausgehend von einem gemeinsamen Zentrum (800) sternenartig in verschiedene Richtungen erstrecken.
  10. Spulenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlkanal (24) laschenartig zwischen den Schlitzen (81) erstreckt.
  11. Spulenvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (2) an Wicklungskernen der Spulenwicklungen (4) angeordnet ist, wobei eine den Wicklungskernen zugewandte Seitenfläche der Kühlplatte (2) eine elektrisch isolierende Schicht (14) oder Beschichtung aufweist.
  12. Spulenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Wicklungskernen abgewandte Seitenfläche der Kühlplatte (2) eine elektrisch isolierende Schicht (16) oder Beschichtung aufweist.
  13. Spulenvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlplatte (2) aus Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Kupfer-Nickel-Ferrit oder einer Mischung hieraus gebildet ist.
  14. Spulenvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Spulenwicklungen (4) ein Kontaktierungselement (10) zur elektrischen Kontaktierung aufweist, wobei jedes der Kontaktierungselemente (10) wenigstens teilweise vom Kühlkanal (24) umgeben ist.
  15. Spulenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungselemente (10) als Kupferlaschen ausgebildet sind.
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