DE19814897A1 - Induktives Bauelement für hohe Leistungen - Google Patents

Abstract

Beschrieben ist ein induktives Bauelement für hohe Leistungen, welches in einem Frequenzbereich oberhalb 1 kHz arbeitet, umfassend einen Ringbandkern (3), aus im wesentlichen einem weichmagnetischen Material mit geringen Ummagnetisierungsverlusten bei hoher Sättigungsinduktion, wobei der Ringbandkern in sich geschlossen ist, und der mit einer Wicklung versehene Kern sich in einem Metallgehäuse befindet, und die innerhalb des Metallgehäuses befindlichen Zwischenräume mit einer Gießmasse gefüllt sind, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der in sich geschlossene Kern durch mindestens eine stabförmige Heatpipe (5) gekühlt wird, wobei sich die Heatpipe innerhalb der vom Kern umschlossenen Fläche befindet und deren Längsachse in Richtung der Rotationssymmetrie-Achse des geschlossenen Kerns ausgerichtet ist. DOLLAR A Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des induktiven Bauelements für getaktete Stromversorgungen oder als Drossel.

Description

Die Erfindung betrifft ein induktives Bauelement, insbeson­ dere einen Übertrager für elektrische Energie, umfassend ei­ nen weichmagnetischem Kern mit elektrisch leitenden Wicklun­ gen, welcher sich in einem mit einer Gießmasse vergossenem Gehäuse befindet.

Bei der Übertragung von hohen Leistungen mittels induktiver Bauelemente entsteht aufgrund von Verlusten Wärme. Die über­ tragbare Leistung kann beträchtlich erhöht werden, wenn die Wärmeleitung von den wärmeerzeugenden Gebieten hin zu den ge­ kühlten Gebieten verbessert werden kann. Beispielsweise in Schaltnetzteilen, die üblicherweise mit einer Frequenz von mehr als 1 kHz betrieben werden, kann bei einer bestimmten übertragbaren Leistung eine Reduktion des Volumens des Über­ tragers durch eine verbesserte Wärmeabfuhr erreicht werden. Es ist prinzipiell möglich, die übertragbare Leistung bei gleichem Volumen zu erhöhen, indem die Arbeitsfrequenz ange­ hoben wird, jedoch ergeben sich bei hohen Frequenzen neben den Verlusten im Magnetkern zusätzliche Verluste in den zur Zerhackung verwendeten Halbleiterbausteinen. Eine Erhöhung des Volumens des Bauelements ist in der Regel zumindest dann nicht möglich, wenn das induktive Bauelement auf engem Raum eingesetzt werden muß. Für diese Anwendungen, bei denen es auf eine hohe übertragbare Leistung bei möglichst geringem Volumen ankommt, werden als Magnetkerne Ringbandkerne auf Ba­ sis von nanokristallinen oder amorphen Legierungen einge­ setzt. Derartige Magnetkerne weisen weitaus niedrigere Umma­ gnetisierungsverluste auf, als herkömmliche Kerne.

Ein Übertrager für elektrische Energie, bestehend aus einem Gehäuse und einem mit Wicklungen umgebenen Ringkern aus einer nanokristallinen oder amorphen Legierung, wobei der bewickel­ te Ringkern innerhalb des Gehäuses mit Gießharz vergossen ist, wird in Gebrauchsmuster 94 06996.4 beschrieben. Das Ge­ häuse besteht aus einem gut wärmeleitendem Metall, welches einen mit dem Gehäuseboden fest verbundenen massiven Mittel­ steg aufweist, der in die Mittelöffnung des Übertragers hin­ einragt. Mit Hilfe des massiven Mittelsteges soll eine Ver­ besserung der Wärmeableitung zum Gehäuse erreicht werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, einen Übertra­ ger der vorstehend genannten Gattung, welcher für hohe Über­ tragungsleistungen in einem Frequenzbereich oberhalb 1 kHz geeignet ist, dahingehend weiterzubilden, daß dieser bei gleichem Volumen, eine Erhöhung der übertragenen Leistung zu­ läßt, oder welcher bei gleicher übertragener Leistung ein ge­ ringeres Volumen als bekannte Übertrager aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein indukti­ ves Bauelement für hohe Leistungen, welches in einem Fre­ quenzbereich oberhalb 1 kHz arbeitet, umfassend einen Ring­ bandkern (3), aus im wesentlichen einem weichmagnetischen Ma­ terial mit geringen Ummagnetisierungsverlusten bei hoher Sät­ tigungsinduktion, wobei der Ringbandkern in sich geschlossen ist, und der mit einer Wicklung versehene Kern sich in einem Metallgehäuse befindet, und die innerhalb des Metallgehäuses befindlichen Zwischenräume mit einer Gießmasse gefüllt sind, daß der in sich geschlossene Kern durch mindestens eine stabförmige Heatpipe (5) gekühlt wird, wobei sich die Heat­ pipe innerhalb der vom Kern umschlossenen Fläche befindet und deren Längsachse in Richtung der Rotationssymmetrie-Achse des geschlossenen Kerns ausgerichtet ist.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß bekannte mit ei­ nem Gießharz vergossene Leistungsübertrager durch die Ver­ wendung einer als "Heatpipe" bekannten Kühlröhre noch weiter verbessert werden können. Unter einer Heatpipe wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein gasdicht abgeschlossener stabför­ miger oder rohrförmiger, einen Hohlraum aufweisender Metall­ körper verstanden, welcher mit einer Flüssigkeit gefüllt ist.

In einem bestimmten Temperaturbereich kann mit einer Heatpipe eine wesentlich größere Wärmemenge transportiert werden (pro Zeiteinheit), als mit den besten wärmeleitenden Metallen, wie etwa Cu oder Ag. So weist Silber als bestes wärmeleitendes 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-2 015 518 bekannt. Bei den beschriebenen Heatpipes handelt es sich um Gefäße, die eine Arbeitsflüssigkeit enthalten. Die Kühlwirkung wird dadurch erreicht, daß im Bereich mit hoher Temperatur das Kühlmittel von der flüssigen in die gasförmige Phase übergeht und im Bereich niedriger Temperatur das Kühlmittel kon­ densiert, so daß die aufgenommene Wärme an die Umgebung abge­ geben wird. Als Kühlmittel kann Wasser verwendet werden, was aufgrund der hohen Verdampfungsenthalpie des Wassers vor­ teilhaft ist. Auf diese Weise können erhebliche Mengen an Wärmeenergie pro Volumeneinheit transportiert werden. Der Rückfluß des Arbeitsmittels vom Bereich tiefer Temperatur zum erwärmten Bereich läßt ohne eine aktive Pumpvorrichtung mit Hilfe einer kapillaren Struktur, welche beispielsweise durch einen Docht gebildet werden kann, bewerkstelligen. D.h., daß die Kapillarkräfte ausreichen, für einen Rückfluß des Kühl­ mittels zur heißen Zone zu sorgen.

Die Druckschrift betrifft ferner die Anwendung solcher Heat­ pipes in Lasern und elektrischen Bauelementen, wie Gleich­ richtern oder Transistoren. Die Verwendung des Kühlelements in einem Übertrager wird nicht offenbart.

Weitere erfindungsgemäß einsetzbare Heatpipes sind auch aus der EP-A-0 498 897 bekannt. In dieser Schrift sind die Heat­ pipes hohle Drähte, für die verschiedene Verbindungsvarianten beschrieben sind. Die Verbindungsvarianten sollen eine Ver­ besserung der Wärmeableitung an den Verbindungspunkten ermög­ lichen. Obwohl in dieser Schrift die prinzipielle Möglichkeit der Verwendung von Heatpipes in Transformatoren beschrieben ist, wird keine konkrete Anordnung für einen vergossenen Übertrager entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 offen­ bart. Die in Fig. 3 dargestellte Skizze eines Transformators weist eine Hoch- und Niederspannungswicklung auf, wobei der Kern aus Eisen besteht und der Transformator in offener, d. h. in nicht vergossener Bauweise, ausgeführt ist. Gemäß der besagten Figur ist der Eisenkern stabförmig ausgebildet und innerhalb eines Spulenkörpers (Haspel) angeordnet. Auf dem Spulenkörper befindet sich auf der Hochspannungsseite eine Primärwicklung, auf der Niedrig-Volt-Seite ein hohler Draht, welcher über die Hochspannungswicklung gewickelt ist.

Das hochpermeable Material des Kerns kann ein üblicherweise für Leistungsübertrager eingesetztes Material sein, wie bei­ spielsweise Ferrite, oder übliche weichmagnetische kristalli­ ne, nanokristalline oder amorphe Legierungen. Vorzugsweise werden weichmagnetische Materialien mit niedrigen Ummagneti­ sierungsverlusten eingesetzt, insbesondere nanokristalline oder amorphe weichmagnetische Legierung. Besonders bevorzugt sind solche weichmagnetischen amorphen oder nanokristallinen Legierungen, welche eine niedrige Magnetostriktion zeigen. Vorzugsweise sind diese Legierungen so temperaturbehandelt, daß die Magnetisierungskurve die Form einer F-Schleife hat. Ein Beispiel für einen erfindungsgemäß einsetzbaren Kern aus einer amorphen Legierung ist VITROVAC 6030 F (Vacuumschmelze GmbH). Als nanokristalliner Kern 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.

Das induktive Bauelement enthält vorzugsweise einen Ringband­ kern der vorstehend genannten Art. Es ist jedoch für beson­ ders hohe zu übertragende Leistungen auch möglich, daß mehre­ re Ringbandkerne innerhalb des induktiven Bauelementes ent­ halten sind oder das Schnittbandkerne eingesetzt werden.

Innerhalb der vom Magnetkern umschlossenen Fläche befinden sich vorzugsweise mindestens zwei parallel zur Rotationssymme­ trieachse des Kerns ausgerichtete Heatpipes (5, 7). Der Durchmesser der enthaltenen Heatpipe(s) beträgt vorzugsweise 2 bis 10 mm.

Zwischen Kern und der oder den Heatpipes ist vorzugsweise ein Ring aus einem gut wärmeleitendem Material angeordnet. Es ist jedoch auch möglich, was insbesondere bei gut wärmeleitenden Kernen von Vorteil ist, auf den Ring zu verzichten und die Heatpipe (2) direkt auf den Kern aufzubringen.

Vorzugsweise durchdringen die Heatpipes (5) auf einer ebenen Seite des Metallgehäuses das Metallgehäuse. Sie schließen dann ebenflächig mit dieser Gehäuseebene ab.

Die Primär- und Sekundärwicklung kann auf dem Kern derart aufgebracht werden, daß die Primär- und Sekundärwicklungen räumlich voneinander getrennt (in Sektoren) sind und sich ge­ genseitig nicht überlappen. Vorzugsweise werden die Wicklun­ gen so aufgebracht, daß sie übereinander liegen.

Vorzugsweise sind die Kerne und die enthaltene(n) Heatpipe(s) auf den der Wicklung zugewandten Oberflächen mit einer Isola­ tionsschicht bedeckt. Diese isolierende Beschichtung oder auch Fixierung bedeckt den Kern und kann die Heatpipe zumin­ dest teilweise auch mitüberdecken. Dies vereinfacht den Ar­ beitsablauf bei der Herstellung und führt zu einer zusätzli­ chen Isolation der Heatpipes gegenüber den Wicklungen.

Als Gießharz läßt sich ein beliebiges gießfähiges Material mit einer Isolationswirkung einsetzen. Beispiele für geeigne­ te Harze sind übliche thermoplastische Materialien, wie Poly­ ester oder ähnliches, oder vernetzende Klebstoffe, wie etwa Epoxydharze oder Phenolharze. Es ist zweckmäßig, wenn dem Harz eine die Wärmeleitfähigkeit verbessernde Substanz zuge­ geben wird. Derartige Substanzen sind im Stand der Technik üblich. Besonders geeignet sind daher Gießharze, die eine Wärmeleitfähigkeit von 6 bis 10

aufweisen.

Bei dem induktiven Bauelement gemäß der vorliegenden Erfin­ dung handelt es sich vorzugsweise um einen Leistungsübertra­ ger.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen induktiven Bauelementes ist, daß durch die Verwendung einer Gießmasse und der damit hervorgerufenen optimierten Kopplung eine hohe Wärmeleitung vom Kern und von den Wicklungen zur Heatpipe und zum gekühl­ ten Gehäuse gewährleistet ist.

Durch das Eingießen des Spulenkörpers in ein Gehäuse ist es möglich, das erfindungsgemäße induktive Bauelement auf beson­ ders einfache Weise an einen Kühlkörper zu montieren. Insbe­ sondere durch die in den Gehäuseboden hineingehende und plan mit dem Gehäuseboden abschließende Heatpipe wird ein verbes­ serter Wärmeübergang zu ggf. außen angebrachten Kühlelementen erreicht.

Die übertragbare Leistung richtet sich nach der Dimensionie­ rung des induktiven Bauelementes. Vorzugsweise liegt die übertragbare Leistung in einem Bereich von 100 W bis 1000 kW, insbesondere 2 bis 40 kW, gemessen bei 20 kHz. Das Volumen des induktiven Bauelementes beträgt vorzugsweise 100 bis 10 000 cm³.

Die Betriebsfrequenz des induktiven Bauelementes ist unter anderem durch die Verluste in den zur Zerhackung verwendeten Halbleiterelementen nach oben hin beschränkt. Als Betriebs­ frequenz ist ein Bereich von 1 bis 500 kHz üblich. Besonders bevorzugt ist eine Arbeitsfrequenz von 10 bis 100 kHz.

Anhand der Fig. 1 bis 3 wird nun die vorliegende Erfindung näher erläutert.

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

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung einen Übertrager gemäß Fig. 1, mit einer am Kern 3 angebrachten Heat­ pipe 5.

Fig. 3 zeigt den Übertrager gemäß Fig. 2 von oben.

Gemäß Fig. 1 befindet sich im erfindungsgemäßen Übertrager ein weichmagnetischer Kern 3, beispielsweise aus einer nano­ kristallinen Legierung der Bezeichnung ®Vitroperm (Vacuumschmelze GmbH) mit Wicklung 4. Der Kern des Übertra­ gers besteht aus einem gewickelten Band. Mit einem Gießharz 2 sind die übrigen im Gehäuse 1 befindlichen Leerräume vergos­ sen. Im Inneren des rotationssymmetrischen Kerns befindet sich eine Heatpipe 5, welche in den Gehäuseboden 7 hineinragt und eben mit diesem abschließt. Dabei ist es zweckmäßig, das Gehäuse aus Aluminium auszuführen. Bei der eingesetzten Gieß­ masse handelt es sich um ein Harz, welches in Bezug auf die Wärmeleitfähigkeit optimiert ist. Die Wärmeleitfähigkeit des Gießharzes liegt vorzugsweise in einem Bereich von 6 bis 10

Im Betrieb des Übertragers von Fig. 1 ergibt sich ein Temperaturgradient über der Heatpipe von weniger als 2°C. Der Durchmesser der Heatpipe beträgt 5 mm. Der Außendurchmesser des Gehäuses ist 150 mm und die Höhe 130 mm.

Die Ausführungsform in Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Übertrager mit weiter verbesserter Wärmeableitung, wobei zur Verbesserung der Wärmeleitung zwischen dem Kern 3 und der Heatpipe 5 ein Hohlzylinder aus einem wärmeleitfähigen Mate­ rial 6 angebracht ist. Zwischen Kern 3 und Heatpipe 5 ist zu­ sätzlich ein Hohlzylinder angeordnet, welcher sich eng an den Kern anschmiegt und Wärmeübergang des Kerns zu den Heatpipes verbessert. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Material des Hohlzylinders um Kupfer. Es ist zweckmäßig, daß zwischen Kern und der auf den Kern aufgewickelten Spule eine zusätzliche Beschichtung zur Isolierung aufgebracht ist. Gemäß Ausfüh­ rungsform in Fig. 2 wird eine derartige zusätzliche Be­ schichtung vorzugsweise so aufgebracht, daß sich zwischen Kernmaterial und Heatpipe kein isolierendes Material befin­ det. Es ist daher besonders zweckmäßig bei der Herstellung des Übertragers das Isoliermaterial erst im Anschluß an die Montage des Rings und der Heatpipe aufzubringen und anschlie­ ßend die Wicklungen auf den Kern aufzuwickeln. Es ist eben­ falls möglich, auf den Hohlzylinder 6 zu verzichten, und die Heatpipe 5 direkt auf den Kern 3 aufzubringen.

Die Ausführungsform in Fig. 3 zeigt einen Kern 3 mit einem Hohlzylinder 6, wobei innerhalb der vom Ringkern umschlosse­ nen Fläche sich mehrere Heatpipes 5, 8 befinden. Durch eine größere Zahl von Heatpipes läßt sich die Wärmeabfuhr noch weiter verbessern.

Das induktive Bauelement läßt sich vorteilhaft für getaktete Stromversorgungen verwenden.

Weiterhin ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen indukti­ ven Bauelements als Drossel möglich.

Claims (12)

1. Induktives Bauelement für hohe Leistungen, welches in ei­ nem Frequenzbereich oberhalb 1 kHz arbeitet, umfassend einen Ringbandkern (3), aus im wesentlichen einem weichmagnetischen Material mit geringen Ummagnetisierungsverlusten bei hoher Sättigungsinduktion, wobei der Ringbandkern in sich geschlos­ sen ist, und der mit einer Wicklung versehene Kern sich in einem Metallgehäuse befindet, und die innerhalb des Metallge­ häuses befindlichen Zwischenräume mit einer Gießmasse gefüllt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der in sich geschlossene Kern durch mindestens eine stabförmige Heatpipe (5) gekühlt wird, wobei sich die Heat­ pipe innerhalb der vom Kern umschlossenen Fläche befindet und deren Längsachse in Richtung der Rotationssymmetrie-Achse des geschlossenen Kerns ausgerichtet ist.

2. Induktives Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das hochpermeable Material des Kerns aus einer nanokri­ stallinen oder amorphen Legierung mit einer Sättigungsinduk­ tion von mindestens 0,7 T und mit Ummagnetisierungsverlusten von weniger als 150 mW/g bei 100 kHz und 0,3 T besteht.

3. Induktives Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich innerhalb der vom Kern umschlossenen Fläche minde­ stens zwei parallel zur Rotationssymmetrieachse des Kerns ausgerichtete Heatpipes (5, 7) befinden.

4. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Kern und der oder den Heatpipes ein Ring aus ei­ nem gut wärmeleitendem Material (6) angeordnet ist.

5. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heatpipes (5) auf einer ebenen Seite des Metallgehäu­ ses das Metallgehäuse durchdringen und ebenflächig mit dieser Gehäuseebene abschließen.

6. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und Sekundärwicklung auf dem Kern derart auf­ gebracht ist, daß die Primär- und Sekundärwicklungen räumlich voneinander getrennt sind und sich gegenseitig nicht überlap­ pen.

7. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerne und die enthaltene(n) Heatpipe(s) auf den der Wicklung zugewandten Oberflächen mit einer Isolationsschicht bedeckt sind.

8. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der enthaltenen Heatpipe(s) 2 bis 10 mm beträgt.

9. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießharz eine Wärmeleitfähigkeit von 6 bis 10
aufweist.

10. Induktives Bauelement nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das induktive Bauelement ein Leistungsübertrager ist.

11. Verwendung des induktiven Bauelements nach Anspruch 1 für getaktete Stromversorgungen.

12. Verwendung des induktiven Bauelements nach Anspruch 1 als Drossel.