CN105101745B - 电绝缘构件及包括该构件的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种绝缘构件(22)，其位于具有连接到架空线路的电路的装置与该装置的冷却构件(20)之间，并且包括：沿着纵向轴线(A‑A')延伸并且抵靠该装置施加的导通部段(36)；至少一个抵靠导通部段放置的绝缘部段(32，34)；以及抵靠导通部段施加的绝缘材料(40)的层(38)。导通部段包括位于壁(64A，64B)上的凸缘(66A，66B)，从而界定绝缘部段(32，34)的与导通部段以及层(38)接触的逐渐穿入的区域(70A)，其中，逐渐穿入区域(70A)界定绝缘部段(32，34)、导通部段(36)和层(38)之间的接合界面(72A)，并且构造成允许接合界面的介电应力等级松弛。

Description

电绝缘构件及包括该构件的冷却系统

技术领域

本发明涉及一种包括能够与高电压直接连接的电路的电装置与该电装置的冷却构件之间的电绝缘构件。本发明还涉及一种包括这样的构件的冷却系统。

背景技术

铁路车辆牵引系统包括电功率转换构件、电功率传输装置和驱动车轮的具有旋转轴线的一体式牵引马达形式的用于将电功率转换成机械能的构件。该马达被固定到车架(bogie)。

因而，链路通常包括多个转换器，以将连续型(也称作缩写词DC)电信号转换成交变型(也称作缩写词AC)，或相反地从交变型转换成连续型，或从连续型转换成连续型。在这些转换器中，逆变器由通常介于750V(伏特)到3300V之间的DC电压供电。通常，连续电压源来源于已经预先将通过变压器从架空线路电压获取的交变型电压转换的简易整流器或PMCF(“单相强制切换整流器”的法语缩写词)。

从该DC电压源开始，逆变器将三相交变电流的三相供应到牵引马达。所述三相通过取两个电源开关的中点产生，所述电源开关串联连接并且与DC电压连接。

构成逆变器的电源开关各自为包括提供开关功能的电路的保护性外壳的形式。包括外壳以及其内含物(电源模块)的组件有时称作术语“组装件”。该组件在说明书的其余部分中将被称作“电装置”。

断路器的电路通常包括多个电连接的集成电路，其中这些集成电路由绝缘衬底间接支撑。

绝缘衬底的功能是提供其所支撑的集成电路与外壳的后表面之间的电绝缘，以耗散由集成电路的加热产生的损失，并且避免在支撑集成电路的组件上施加强热机约束。集成电路例如是绝缘栅双极晶体管(通常称为缩写词IGBT)或面结型场效应晶体管(JFET或MOSFET“金属氧化物半导体晶体管”)，或二极管。

一种减小铁路车辆中的机载牵引链的重量的方式是增大将被变压器处理的信号的切换频率。事实上，这极大地减小了与该信号的频率成反比的变压器的尺寸。因而，在变压器位于牵引链的头部处并且架空线路电压的频率介于10Hz(Hertz)到60Hz之间的常规结构中，变压器的尺寸和重量是非常高的。

这种低频率架空线路信号(10到60Hz)到高频率电信号(几kHz)的电转化通过直接连接到架空线路的功率变换器实现。因而，可以在输入端将数kHz的频率信号输入到变压器，或在多级结构的情况下输入到多个变压器，或输入到并联连接的多个变压器。

减小变压器的尺寸的对应措施是将变压器从架空线路朝向牵引链的中部移位。因而，牵引链的结构从变压器/逆变器/马达的常规结构改变成逆变器/变压器/逆变器/马达的结构。这意味着功率逆变器在牵引链的头部处的最靠近架空线路的定位，并且特别地使逆变器的一些部件连续暴露于更大的压差。

于是，串联连接的头部电源开关在这种构型中用作分压器，因为介于750V(Volts)到3300V之间的电压会施加到终端上。

因而，在有头部变压器的情况下，在部件生效阶段期间每个电路适于经受住暴露于大约十几千伏(kV)的压差一分钟。然而，如果电路直接连接到架空线路，其中架空线路的电压为例如25kV/50Hz，则这种过电压会在架空线路处形成，从而需要电路能够经受住60kV的交变电压一分钟。在这些条件下，绝缘衬底不足以确保电路的电绝缘。

还已知的是为电装置填加冷却系统，以便消耗由集成电路的受热产生的损失。这样的冷却系统通常为在水中导通的板或散热器的形式。冷却系统接地并且通过热交换使得电路的温度能够被限制。然而，对于上述高电压级别，这种类型的冷却系统无法自身电绝缘。这使得在上述情形下这样的冷却系统自身无法被使用。

对于低压或中压，针对获得良好的热冷却性能和电绝缘的已知的解决方案是使用由氮化铝制成的绝缘衬底。在更高电压下确保电绝缘的最自然的解决方案是与在1分钟内承载15kV的目前系统的产品中所使用的相比，在这样的冷却系统中使用具有更大厚度的氮化铝。

然而，申请人在执行介电测度时意识到，由于介电强度随厚度变化，这种措施是无效的。因而，如果一毫米的氮化铝可以支持x kV，两毫米的相同材料不能够支持x kV的两倍，而是支持较低的值。换言之，观察到一种现象，其中当材料的厚度增大时存在有介电强度的相应降低。

因此，申请人相信为了获得耐受60kV的AC电压1分钟的氮化铝的绝缘层，需要考虑大于15mm的厚度。然而，所述厚度过大，因为这样的厚度会导致非常高的热机应力和非常差的热性能。

针对高电压等级的已知的解决方案是将板用作冷却系统，油类绝缘介质在板内循环，其中，该板不连接到任何电势。然而，这种解决方案提供差的热冷却性能。从安全性的观点来看这种解决方案也是不令人满意的，因为油是可燃的。

发明内容

本发明的目的是提供一种电绝缘构件以改善电装置与该电装置的冷却构件之间的电绝缘，同时确保冷却构件令人满意的热性能，其中，该电装置具有自己的电路，该电路经受长时间暴露于至少14kV的电压。

为此，本发明涉及一种权利要求限定的电绝缘构件并且涉及一种权利要求限定的冷却系统。

附图说明

通过阅读仅以非限制性示例的方式给出的以下描述并且参照附图，本发明的特征和优点将变得明显，在附图中：

图1示出了根据本发明的包括电装置和该电装置的冷却系统的组件的示意图；

图2示出了同样根据本发明的包括热管和电绝缘构件的图1的冷却系统的立体图；

图3示出了图1的冷却系统的纵向截面图；

图4示出了沿着图3的线IV-IV的截面；以及

图5示出了沿着图3的线V-V的截面。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的包括电装置10和该电装置10的冷却系统12的组件1。电装置10经由高压电缆16连接到架空线路14并且如下文中所描述的固定到冷却系统12的一部分上。

构成组装件的电装置10具有电路18。电路18直接连接到架空线路14。该电路18为在铁路领域中使用的电路的类型。电路18有利地为功率电子电路。

架空线路14供应单相交变电流并且具有例如等于25kV的高电压值以及例如50Hz的频率值。

冷却系统12包括至少一个冷却构件20和用于使电装置10与冷却构件20之间电绝缘的构件22，其中构件22为根据本发明的构件。在图2中示出的实施例中，冷却系统12包括单个冷却构件20。在本实施例中，冷却构件20为热管(heat pipe)。

热管20适于以已知的方式连接到热交换器，例如具有散热片的热交换器(未示出)。热管20为例如由不锈钢制成的中空管的形式并且沿着纵向轴线A-A'延伸。热管20在两个端部处是封闭的，但为了简化热管20的上端部在附图中示出成是敞开的。

如图3所示，热管20通常包括布置在构件22内的热部24和布置在构件22外部的冷部26。在实施例中，热管20具有大致等于15mm的外径。

热管20还包括将热部24连接到冷部26的储存部28。储存部28容纳有冷却剂30并且在构件22内部在热部24与冷部26之间延伸。

如通常所已知的，热管20形成电装置10的冷却构件。热管20用于对电路18的电部件进行冷却，以在电装置10的运行期间通过热交换限制这些部件中的温度。热管20连接到附图中未示出的电接地点。

冷却剂30在125℃的最高温度以及10巴(bar)的最大压力下使用，其例如为甲醇。

电绝缘构件22包括至少一个电绝缘部段。在图2至图5中示出的实施例中，构件22包括上电绝缘部段32和下电绝缘部段34。构件22进一步包括布置在上部段32与下部段34之间的电导通部段36。如图3至图5所示，构件22在部段32、34、36内部还包括电绝缘材料40的层38。绝缘材料40有利地由紧凑形式的六方氮化硼制成。替代性地，绝缘材料40为由六方氮化硼和氮化铝制成的复合物。同样替代性地，绝缘材料40为由六方氮化硼和氧化铝制成的复合物。

在实施例中，每个电绝缘部段32、34抵靠导通部段36被施加(applied)，并且优选地经由诸如紧固螺钉41的常规紧固器件附接到导通部段36。每个电绝缘部段32、34由塑料材料制成，例如由诸如聚醚醚酮的热塑性聚合物材料制成。每个电绝缘部段32、34有利地具有相同的回转轴线。在示例性实施例中，部段32、34的回转轴线为纵向轴线A-A'。

上部段32包括上中空基部42和与上基部42成一体的上中空部分44。上基部42具有例如大致矩形的、优选地具有介于40mm到90mm之间的边长的正方形的横截面。上部分44例如为准曲线为圆的柱状管。在实施例中，中空上部分44具有例如大致等于250mm的高度、例如大致等于44mm的外径以及大至等于热管20的直径(即，大致等于15mm)的内径。上部分44设计成形成有形壁，以防止热管20与导通部段36之间的表面电痕(也称作路径)。上部分44进一步具有例如至少等于3mm的足够的厚度，以避免接地的热管20与导通部段36之间的介电击穿。在图2和图3中示出的实施例中，上部分44沿热管20的轴线呈管状形状。替代性地，上部分44的形状是扁平的并且垂直于热管20的轴线，同时遵循(respecting)路径距离。

上部段32界定(delimits)用于容纳热管20的一部分的第一容纳空间46和用于容纳绝缘材料的层38的一部分的第一容纳容积部48。具体地，第一容纳空间46适于容纳热管20的储存部28并且在上部段32的整个高度上在上基部42和上部分44内纵向延伸，其中，该高度平行于轴线A-A'测量。如图5所示，在实施例中，第一容纳空间46具有圆形横截面，该圆形横截面具有大致等于15mm的直径。第一容纳容积部48例如在上基部42的整个高度上在上基部42内纵向延伸。第一容纳容积部48具有环形横截面，该环形横截面具有例如大致等于39mm的外径和例如大致等于15mm的内径。第一容纳容积部48还围绕第一容纳空间46的一部分延伸。

返回到图3，下部段34包括下中空基部50和与下基部50成一体的下中空部分52。下基部50具有例如大致矩形的、优选地具有介于40mm到90mm之间的边长的正方形的横截面。下部分52具有例如大致矩形的、优选地具有介于40mm到90mm之间的边长的正方形的横截面。

下部段32界定用于容纳热管20的一部分的第二容纳空间54和用于容纳绝缘材料的层38的一部分的第二容纳容积部56。更具体地，第二容纳空间54适于容纳热管20的热部24的一部分并且例如在下基部50的整个高度上并且在下部分52的一部分高度上在下基部50和下部分52内纵向延伸。在实施例中，第二容纳空间54具有圆形横截面，该圆形横截面具有大致等于15mm的直径。第二容纳容积部56例如在下部分34的整个高度上在下基部50和下部分52内纵向延伸。第二容纳容积部56包括第一容纳子容积部57A和第二容纳子容积部57B。第一容纳子容积部57A具有环形横截面，该环形横截面具有例如大致等于39mm的外径和例如大致等于15mm内径。第一容纳子容积部57A围绕第二容纳空间54延伸。在示例性实施例中，第二容纳子容积部57B具有圆形横截面，该圆形横截面具有等于第一容纳子容积部57A的横截面的外径(即大致等于39mm)的直径。

如图3和图4所示，导通部段36界定用于容纳热管20的一部分的第三容纳空间58和用于容纳绝缘材料层38的一部分的第三容纳容积部60。具体地，第三容纳空间58适于容纳热管20的热部24的一部分并且具有圆形横截面，在实施例中，该圆形横截面具有大致等于15mm的直径。第三容纳容积部60在导通部段36的整个高度上在导通部段36内纵向延伸。换言之，导通部段36围绕绝缘材料层38的一部分延伸。第三容纳容积部60具有环形横截面，该环形横截面具有例如大致等于39mm的外径和例如大致等于15mm的内径。第三容纳容积部60还围绕第三容纳空间58延伸。

在图2中示出的实施例中，绝缘材料40的层38在第一、第二和第三容纳容积部48、56、60内延伸。因而，绝缘材料40的层38形成柱状管道，该柱状管道的准曲线为圆，并且该柱状管道的外表面抵靠电绝缘部段32、34并且抵靠导通部段36施加。层38有利地围绕热管20的储存部28的一部分和热部24延伸。

在示例性实施例中，导通部段36包括四个大致矩形的纵向外壁62，外壁62包括上横向壁64A和下横向壁64B。外壁62彼此大致垂直并且有利地为导通部段36提供长方体的外形。每个外壁62具有例如介于100mm至220mm之间的高度。导通部段36使其外壁62中的一个局部(locally)抵靠电装置10而施加。具体地，导通部段36经由适合的通常已知的紧固器件(但在附图中未示出)通过该外壁62固定到电装置10。上横向壁64A和下横向壁64B分别界定导通部段36与上绝缘部段32和下绝缘部段34之间的接触区域。

导通部段36还包括至少一个位于横向壁64A、64B中的一个上的凸缘66。在图3至图5的实施例中，导通部段36具有上横向壁64A上的上凸缘66A，上凸缘66A从导通部段36的横向部段纵向凸出。导通部段36还具有下横向壁64B上的下凸缘66B，下凸缘66B从导通部段36的横截面处纵向凸出。

导通部段36由例如铝的金属制成。导通部段36优选地具有回转轴线。在示例性实施例中，导通部段36的回转轴线为纵向轴线A-A'。因而，应当理解的是，电绝缘构件22有利地具有回转轴线，其中，在实施例中该回转轴线为纵向轴线A-A'。

在下面的描述中，将仅涉及上横向壁64A和上凸缘66A，因为下横向壁64B和下凸缘66B具有相同结构。

如图3所示，上横向壁64A包括中心底部壁67A，中心底部壁67A被中心孔68A穿通以使热管20和绝缘材料层38通过。在示例性实施例中，底部壁67A呈大致圆形并且在垂直于纵向轴线A-A'的平面中径向延伸。中心孔68A具有例如大致等于39mm的直径。

上凸缘66A界定上绝缘部段32的与导通部段36以及绝缘材料层38接触的逐渐纵向穿入的区域70A。更具体地，上凸缘66A界定上中空基部42的下部区域的与导通部段36以及缘材料层38接触的逐渐纵向穿入的区域70A。

区域70A限定出上绝缘部段32、导通部段36和绝缘材料层38之间的至少一个接合界面72。在示例性实施例中，区域70A界定圆形接合界面72A。圆形界面72A位于底部壁67A上并且与中心孔68A的外周相对应。

上凸缘66A包括横向边缘74A，其界定逐渐穿入的区域70A的上部。在图3至图5中示出的实施例中，横向边缘74A为圆形并且与底部壁67A一起界定底部壁67A与相切于上凸缘66A的平面之间的环状空腔。在本示例中，逐渐穿入的区域70A与该环状空腔相对应。

如图3所示，横向边缘74A从圆形界面72A偏移高度H和宽度L，其中，宽度L垂直于纵向轴线A-A'测量。

有利地，高度H与宽度L之间的比值大于或等于一。在示例性实施例中，高度H为大致等于20mm而宽度L介于5mm至7mm之间。

圆形界面72A和横向边缘74A的构型和相对位置用于改变由电装置10与架空线路的电连接产生并且围绕导通部段36环绕的电场线的曲率。具体地，与在现有技术的绝缘构件的接合界面处流通的电场线相比(其中，上横向壁是平的并且界定上绝缘部段与导通部段之间的接触平面的区域，而上部段、导通部段与绝缘材料层之间的接合界面为“平面-平面”式的)，在圆形界面接合部72A处流通的电场线较不密集。电场线的这种松弛使得能够降低接合界面72A处的介电应力。

因而，逐渐穿入区域70A构造成使得能够降低接合界面72A处的介电应力。

通过在文本中用“下”代替“上”，描述可以以相同方式应用于底部边缘66B。

在操作中，电绝缘构件22经由导通部段36支持电装置10与热管20之间传热。因此，根据本发明的电绝缘构件22通过热传导提高了装置10由热管20进行冷却的效率。

替代性地，上绝缘部段32和下绝缘部段34不界定绝缘材料40的层38的一部分的容纳容积部。在该实施例中，绝缘材料层38仅围绕热部24的一部分延伸到导通部段36的容纳容积部60的内部。然后，导通部段36围绕整个绝缘材料层38延伸。

尽管参照大致平面的并且垂直于纵向轴线A-A'和圆形横向边缘74A的底部壁67A进行描述，但导通部段36的其它布置也是可以的。具体地，底部壁67A可以在一个或多个拐点处具有弯曲部和/或例如通过形成回转圆锥相对于纵向轴线A-A'倾斜。导通部段36的别的布置也是可以的，其中，逐渐纵向穿入区域70A在导通部段36的所有这些布置中构造成允许介电应力在接合界面72A处松弛。

根据未示出的另一实施例，热管20布置在电绝缘构件22外部。根据该实施例，绝缘材料层38不再布置在部段32、34、36内，而是布置在热管20与至少导通部段36之间。于是，绝缘材料层38仅形成柱状管道，该柱状管道的准曲线为圆，但呈设置有两个彼此相对的大表面的大致平行六面体形状。第一大表面具有大致平面的接触表面。第二大表面具有包括朝向外部敞开的半柱状容纳空腔的表面。层38至少抵靠导通部段36施加于第一大表面的接触表面。层38还在第二大表面的半柱状容纳空腔中容纳热管20，其中容纳空腔的外表面形成层38与热管20之间的接触表面。此外，电绝缘部段32、34和导通部段36不再具有纵向回转轴线。每个电绝缘部段32、34为由塑料制成的实心件并且不具有用于容纳热管20的一部分的空间46、54或用于容纳绝缘材料层38的一部分的容积部48、56。导通部段36为由金属制成的实心件并且不具有用于容纳热管20的一部分的空间58或用于容纳绝缘材料层38的一部分的容积部60。与上述第一实施例不同，导通部段36不再具有长方体外形。事实上，仅根据本实施例的导通部段36的两个外壁62为矩形。导通部段36通过所述两个矩形外壁62中的一个局部抵靠电装置10并且通过所述外壁62中的另一个抵靠绝缘材料层38而施加。此外，根据本实施例，底部壁67A不形成有中心孔68A。底部壁67A不再是圆形，但形成相对于纵向轴线A-A'倾斜的平面，从而与凸缘66A形成“斜坡”的形式。此外，界面接合部72A和横向边缘74A不再为圆形而是直线形的并且沿垂直于纵向轴线A-A'的方向延伸。

根据本实施例的电绝缘构件22的功能与前述实施例相同，因此不再次进行描述。

尽管在上述实施例中，绝缘材料层至少在导通部段的整个高度上纵向延伸，但也可以设想其它实施例，其中，绝缘材料层仅沿着所述导通部段的高度的一部分纵向延伸。

在所有实施例中，构件22能够经受住连续暴露于60kV AC/50Hz的电势差一分钟。这使构件22特别适于使直接连接到架空线路的电势的电路电绝缘，具体地使直接连接到供应大于14kV rms的电压的架空线路的电势的电路电绝缘。

因而，相信根据本发明的电绝缘构件改善了能够长时间暴露于至少14kV rms的电压的电装置与该电装置的接地的冷却构件之间的电绝缘，同时确保了冷却构件的满意的热性能。

Claims (10)

1.一种使电装置(10)和冷却构件(20)之间电绝缘的构件(22)，所述电装置(10)包括适于直接连接到架空线路(14)的电路(18)，所述冷却构件(20)用于冷却所述电装置(10)，其中，所述构件(22)包括：

电导通部段(36)，其中，所述导通部段(36)沿着纵向轴线(A-A')竖向延伸并且适于至少局部抵靠所述电装置(10)施加，

抵靠所述导通部段(36)施加的至少一个电绝缘部段(32，34)，以及

至少局部抵靠所述导通部段(36)施加的绝缘材料(40)的层(38)，

其特征在于，所述导通部段(36)包括位于其壁(64A，64B)中的一个上的至少一个凸缘(66A，66B)，其中，所述至少一个凸缘(66A，66B)从所述导通部段(36)的横截面纵向凸出，以界定所述电绝缘部段(32，34)的与所述导通部段(36)以及所述绝缘材料(40)的层(38)接触的逐渐纵向穿入的区域(70A)，其中，所述逐渐纵向穿入的区域(70A)界定所述电绝缘部段(32，34)、所述导通部段(36)和所述绝缘材料(40)的层(38)之间的至少一个接合界面(72A)，其中，所述逐渐纵向穿入的区域(70A)构造成允许所述接合界面(72A)处的介电应力松弛。

2.根据权利要求1所述的构件(22)，其特征在于，所述凸缘(66A)包括界定所述逐渐纵向穿入的区域(70A)的上部的横向边缘(74A)，其中，所述横向边缘(74A)从所述接合界面(72A)偏移沿着所述纵向轴线(A-A')测量的第一距离(H)和沿着垂直于所述纵向轴线(A-A')的轴线测量的第二距离(L)，其中，所述第一距离(H)与所述第二距离(L)之间的比值大于或等于一。

3.根据权利要求1所述的构件(22)，其特征在于，所述构件(22)包括第一电绝缘部段(32)和第二电绝缘部段(34)，其中，所述导通部段(36)布置在所述第一电绝缘部段(32)与所述第二电绝缘部段(34)之间。

4.根据权利要求3所述的构件(22)，其特征在于，所述导通部段(36)包括位于第一壁(64A)上的第一凸缘(66A)和位于第二壁(64B)上的第二凸缘(66B)，其中，所述第一凸缘(66A)界定所述第一电绝缘部段(32)的与所述导通部段(36)以及所述绝缘材料(40)的层(38)接触的逐渐纵向穿入的区域(70A)，其中，所述第二凸缘(66B)界定所述第二电绝缘部段(34)的与所述导通部段(36)以及所述绝缘材料(40)的层(38)接触的逐渐纵向穿入的区域。

5.根据权利要求1所述的构件(22)，其特征在于，所述绝缘材料(40)为紧凑形式的六方氮化硼。

6.根据权利要求1所述的构件(22)，其特征在于，所述构件(22)能够经受住连续暴露于施加在所述导通部段(36)与所述冷却构件(20)之间的60kV AC的电势差。

7.根据权利要求1所述的构件(22)，其特征在于，所述构件(22)具有纵向回转轴线，其中，所述至少一个电绝缘部段(32，34)界定用于容纳所述冷却构件(20)的至少一部分的容纳空间(46，54)，其中，所述容纳空间(46，54)布置在所述电绝缘部段(32，34)内，其中，所述导通部段(36)围绕所述绝缘材料(40)的层(38)的至少一部分延伸，并且其中，所述绝缘材料(40)的层(38)围绕所述冷却构件(20)的至少一部分延伸。

8.根据权利要求7所述的构件(22)，其特征在于，所述至少一个电绝缘部段(32，34)限定出用于容纳所述绝缘材料(40)的层(38)的一部分的容纳容积部(48，56)，其中，所述容纳容积部(48，56)布置在所述电绝缘部段(32，34)内。

9.一种用于冷却电装置(10)的系统(12)，所述系统(12)的型式包括至少一个冷却构件(20)和位于所述至少一个冷却构件(20)与所述电装置(10)之间的电绝缘构件，其特征在于，所述电绝缘构件为根据权利要求1至8中任一项所述的构件。

10.一种用于冷却电装置(10)的系统(12)，所述系统(12)的型式包括至少一个冷却构件(20)和位于所述至少一个冷却构件(20)与所述电装置(10)之间的电绝缘构件，其特征在于，所述电绝缘构件为根据权利要求7或8所述的构件(22)，并且所述至少一个冷却构件(20)为热管，其中，所述热管具有热部(24)、冷部(26)和存储部(28)，所述热部(24)布置在所述电绝缘构件内部，所述冷部(26)布置在所述电绝缘构件外部，所述存储部(28)包含有冷却剂(30)并且在所述电绝缘构件内在所述热部(24)与所述冷部(26)之间延伸，并且其中，所述热部(24)进一步布置在所述电绝缘构件的绝缘材料(40)的层(38)的至少一部分内部。