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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kondensator, insbesondere einen Zwischenkreiskondensator für ein Mehrphasensystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
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In der Leistungselektronik werden mehrere elektrische Netze über elektrische Kondensatoren in einem Zwischenkreis von Umrichtern energetisch auf einer gemeinsamen Gleichspannungsebene verkoppelt.
Zwischenkreiskondensatoren umfassen eine Mehrzahl an Kondensatorelementen, die parallelgeschaltet werden und zusammen den Zwischenkreiskondensator ergeben. In Zwischenkreiskondensatoren für Antriebs-Inverter kommen heute Folienkondensatoren in Form von sogenannten Flachwickeln zum Einsatz, da die Zwischenkreiskondensatoren auf Basis der Flachwickel deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als beispielsweise mit Sticktechnologie, bei der quaderförmige Kondensatorelemente zum Einsatz kommen. Die Kühlung der Kondensatorelemente erfolgt im Stand der Technik indirekt über die Oberfläche des Kondensator-Gehäuses und/oder durch eine flächige Anbindung einer oder mehrerer Bauteilseiten an einen Entwärmungspfad, wie beispielsweise einen Kühler.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Kondensator, insbesondere ein Zwischenkreiskondensator für ein Mehrphasensystem, vorgeschlagen. Der Kondensator umfasst eine Mehrzahl an baugleichen Kondensatorelementen, die parallel zueinander geschaltet sind und zusammen den Kondensator bilden. Dabei ist zwischen den Kondensatorelementen wenigsten ein Zwischenraum ausgebildet. Erfindungsgemäß ist der Zwischenraum von wenigstens einem Wärmeleitelement zur Ableitung von Wärme aus dem Kondensator zumindest teilweise ausgefüllt.
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Vorteile der Erfindung
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Bei der Verwendung von Flachwickeln als Kondensatorelemente für Zwischenkreiskondensatoren ergibt sich der Nachteil, dass der zur Verfügung stehende Bauraum für den Zwischenkreiskondensator nicht optimal ausgenutzt wird, da geometriebedingt zwischen den einzelnen Flachwickeln in dem Zwischenkreiskondensator leere Zwischenräume vorhanden sind. Gegenüber dem Stand der Technik weist der Kondensator mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs den Vorteil auf, dass der für den Kondensator zu Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt werden kann und die zwischen den einzelnen Kondensatorelementen vorhandenen Zwischenräume zur Kühlung des Kondensators genutzt werden können. So kann durch das Wärmeleitelement bzw. mehrere Wärmeleitelemente die Hotspot-Temperatur des Kondensators abgesenkt werden, da durch das Wärmeleitelement bzw. die Wärmeleitelemente zwischen den Kondensatorelementen die Wärme direkt aus dem Inneren des Kondensators abgeführt wird. Somit kann die Belastbarkeit des Kondensators und damit das Leistungsvermögen des gesamten Antriebssystems, in dem der Kondensator als Zwischenkreiskondensator eingesetzt wird, bei gleichem Bauraum des Kondensators erhöht werden. Insgesamt wird somit der gesamte thermische Haushalt in der Komponente verbessert, sodass kein Mehraufwand, beispielsweise in Form von Erhöhung des Bauraums, Kosten oder Änderung des Fertigungsprozesses notwendig ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Wärmeleitelement eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 10 W/mK, insbesondere von mehr als 50 W/mK, insbesondere von mehr als 100 W/mK aufweist. Ein so ausgebildetes Wärmeleitelement leitet die Wärme besonders gut von den Kondensatorelementen ab.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass Wärmeleitelement aus einen wärmeleitenden Metall, insbesondere aus Aluminium, ausgebildet ist.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kondensatorelemente als Folienkondensatoren, insbesondere als Flachwickel, ausgebildet sind. Folienkondensatoren umfassen dünne Metallfolien, die durch Isolierfolien als Dielektrikum getrennt sind. Die Folien werden aufgewickelt, wodurch große Kapazitätswerte bei geringem Bauvolumen erreicht werden. Durch das Aufwickeln der Folien erhält der Folienkondensator die Form eines Wickels. Dabei sind die Folien zylinderförmig um eine Wickelachse gewickelt, so dass ein zylinderförmiger Rundwickel entsteht. Wird der Rundwickel in radialer Richtung etwas flachgedrückt, so entsteht ein sogenannter Flachwickel. Ein als Rundwinkel bezeichnetes Kondensatorelement weist einen senkrecht zur Wickelachse, um die die Folien aufgewickelt sind, kreisförmigen Querschnitt auf. Ein als Flachwickel bezeichnetes Kondensatorelement weist einen senkrecht zur Wickelachse, um die die Folien aufgewickelt sind, ovalförmigen Querschnitt, oder einen Querschnitt in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Wärmeleitelement in dem Zwischenraum mit wenigstens einem den Zwischenraum begrenzenden Kondensatorelement in direktem Kontakt steht. So ist einerseits gewährleistet, dass der Zwischenraum möglichst gut ausgefüllt ist und die Wärme besonders gut von den Kondensatorelementen an das Wärmeleitelement abgeführt wird. Gleichzeitig wird durch den Kontakt gleichzeitig die Wärme gut und gleichmäßig über den Kondensator verteilt.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass wenigstens eine Innenkontur des Wärmeleitelements komplementär zu einer den Zwischenraum begrenzenden Außenkontur des Kondensatorelements ausgebildet ist und das Wärmeleitelement entlang der Innenkontur und der Außenkontur in direktem Kontakt mit dem Kondensatorelement steht. So ist gewährleistet, dass der Zwischenraum möglichst gut ausgefüllt ist und die Wärme besonders gut von den Kondensatorelementen an das Wärmeleitelement abgeführt wird. Gleichzeitig wird durch den Kontakt gleichzeitig die Wärme gut und gleichmäßig über den Kondensator verteilt.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass zwischen der Mehrzahl an Kondensatorelementen eine Mehrzahl an Zwischenräumen ausgebildet ist, wobei in jedem der Zwischenräume ein Wärmeleitelement angeordnet ist. So kann die Wärme aus dem Kondensator aus ein Zwischenräumen in dem Kondensator zwischen den Kondensatorelementen gut nach außen abgeleitet werden und der Kondensator als Ganzes vorteilhaft gut gekühlt werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass zwischen jeweils vier Kondensatorelementen ein Zwischenraum angeordnet ist, wobei in dem Zwischenraum zwischen den vier Kondensatorelementen jeweils ein Wärmeleitelement angeordnet ist. Sind die Kondensatorelemente, insbesondere baugleiche Kondensatorelemente, beispielsweise als Flachwickel dicht gepackt, so dass mehrere Reihen aus jeweils mehreren Kondensatorelementen übereinander angeordnet sind, so dass sich eine kompakte Packung der Kondensatorelemente ergibt, ist durch die nicht quaderförmige Form der als Folienkondensatoren ausgebildeten Kondensatorelemente zwischen jeweils vier Kondensatorelementen jeweils ein Zwischenraum ausgebildet. Sind die Kondensatorelemente so angeordnet und die Zwischenräume mit Wärmeleitelementen gefüllt, so ergibt sich insgesamt eine besonders dichte Packung der Kondensatorelemente und Wärmeleitelementen im Kondensator und damit eine besonders gute Wärmeableitung.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Wärmeleitelement einen Rahmen mit Ausnehmungen bildet, in die die Kondensatorelemente eingesetzt sind. Ein derartiger Rahmen kann eine gute und umfassende Wärmeableitung über den gesamten Kondensator hinweg gewährleisten.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kondensatorelemente bezüglich Ihrer Längsachsen parallel zueinander angeordnet sind. Die Längsachsen bezeichnen dabei die Achsen, entlang der sich die Kondensatorelemente mit gleichbleibendem Querschnitt erstrecken. Im Fall von Folienkondensatoren in Form von Flachwickeln oder Rundwickeln sind die Wickelachsen, um die die Folien des Folienkondensators gewickelt sind. So ergibt sich eine besonders dichte Packung der Kondensatorelemente und somit eine besonders hohe Gesamtkapazität des Kondensators.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 zeigt eine schematische Darstellung von parallel geschalteten Kondensatorelementen in einem Kondensator,
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kondensators.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kondensators, der aus Kondensatorelementen zusammengesetzt ist. Der Kondensator ist ein Zwischenkreiskondensator für ein Mehrphasensystem. Der Zwischenkreiskondensator kann für Antriebsinverter eingesetzt werden.
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Unter einem Kondensatorelement 10 wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung eine Struktur verstanden, die für sich alleine einen Kondensator bilden kann. Ein Kondensatorelement 10 kann aber auch mehrere Kondensatoren umfassen, die zusammen das Kondensatorelement 10 bilden. Als Kondensatorelemente 10 können dabei verschiedene Kondensator-Technologien wie beispielsweise Stack-, Rundwickel- oder Flachwickel-Kondensatoren eingesetzt werden.
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Die Kondensatorelemente 10 sind in den Ausführungsbeispielen als Folienkondensatoren ausgebildet. Folienkondensatoren umfassen dünne Metallfolien, die durch Isolierfolien als Dielektrikum getrennt sind. Die Folien werden aufgewickelt, wodurch große Kapazitätswerte bei geringem Bauvolumen erreicht werden. Durch das Aufwickeln der Folien erhält der Folienkondensator die Form eines Wickels. Dabei sind die Folien zylinderförmig um eine Wickelachse gewickelt, so dass ein zylinderförmiger Rundwickel entsteht. Wird der Rundwickel in radialer Richtung etwas flachgedrückt, so entsteht ein sogenannter Flachwickel. Ein als Rundwinkel bezeichnetes Kondensatorelement weist einen senkrecht zur Wickelachse, um die die Folien aufgewickelt sind, kreisförmigen Querschnitt auf. Ein als Flachwickel bezeichnetes Kondensatorelement weist einen senkrecht zur Wickelachse, um die die Folien aufgewickelt sind, ovalförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf. Die in den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 gezeigten Kondensatorelemente 10 sind alle baugleich als Flachwickel ausgebildet.
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Wie in 1 in einem Querschnitt durch einen Zwischenkreiskondensator dargestellt bilden sich bei der Verwendung von Flachwickeln als Kondensatorelemente 10 Zwischenräume 20 in dem Kondensator 1 aus. Die Zwischenräume 20 sind nicht mit Kondensatormaterial gefüllt und normalerweise mit Vergussmasse vergossen. Die Zwischenräume 20 zwischen den Kondensatorelement 10 ergeben sich, wie in 1 deutlich wird, durch die abgerundeten Ecken der als Flachwickel ausgebildeten Kondensatorelemente 10. Die Zwischenräume 20 zwischen den Kondensatorelementen 10 können sich aber auch durch eine Beabstandung der Kondensatorelemente 10 zueinander ergeben, wie beispielsweise in 2 gezeigt ist.
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Die Kondensatorelemente 10 sind dabei derart angeordnet, dass ihre Längsachsen L parallel zueinander verlaufen. In 1 und 2 stehen die Längsachsen L der Kondensatorelemente 10 senkrecht zur Zeichnungsfläche. Die Längsachsen bezeichnen dabei die Achsen, entlang der sich die Kondensatorelemente mit gleichbleibendem Querschnitt erstrecken. Im Fall von Folienkondensatoren in Form von Flachwickeln oder Rundwickeln sind die Längsachsen L die Wickelachsen, um die die Folien des Folienkondensators gewickelt sind. Die Kondensatorelemente 10 können sich, wie in dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt, sich an Berührungspunkten 15 berühren. In den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 sind beispielsweise fünf Reihen aus jeweils drei Kondensatorelementen 10 übereinander angeordnet.
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Die Kondensatorelemente 10, die zusammen den Kondensator 1 bilden, sind alle zueinander parallelgeschaltet, sodass sich die Kapazitäten der einzelnen Kondensatorelemente 10 aufsummieren. Zur elektrischen Kontaktierung der Kondensatorelemente 10 sind die Kondensatorelemente 10 in diesem Ausführungsbeispiel an einer Stirnseite mit einer ersten Spannungslage 2 elektrisch leitend kontaktiert und an den ersten Stirnseiten der Kondensatorelemente 10 gegenüberliegenden zweiten Stirnseiten der Kondensatorelemente 10 mit einer zweiten Spannungslage kontaktiert. Somit sind die Kondensatorelemente 10 beispielsweise zwischen der ersten Spannungslage 2 und der zweiten Spannungslage angeordnet. Der Kondensator 1 kann über elektrische Anschlüsse an der ersten Spannungslage 2 und über elektrische Anschlüsse an der zweiten Spannungslage elektrisch kontaktiert werden.
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Zur Ableitung von Wärme aus den Kondensatorelement 10 sind in dem Kondensator 1 Wärmeleitelemente 50 vorgesehen. Das wärmeleitende Element 50 besteht beispielsweise aus einem wärmeleitenden Material, das eine thermische Leitfähigkeit von mehr als 10 W/mK, insbesondere von mehr als 50 W/mK, insbesondere von mehr als 100 W/mK aufweist. Wärmeleitelemente 50 können beispielsweise aus einem wärmeleitenden mit Metall, wie beispielsweise Aluminium gefertigt sein. Die Wärmeleitelemente 50 sind in Zwischenräumen 20 zwischen den Kondensatorelement 10 angeordnet um Wärme von den Kondensatorelementen 10 und den Zwischenräumen 20 zwischen den Kondensatorelementen 10 aus dem Kondensator 1 zu leiten. Dazu erstrecken sich die Wärmeleitelemente 50 beispielsweise auch entlang der Längsachsen L in den Zwischenräumen 20 zwischen den Kondensatorelementen 10. Die Wärmeleitelemente 50 stehen beispielsweise in direktem Kontakt mit einem oder mehreren Kondensatorelementen 10 um die Wärme aus den Kondensatorelement 10 abzuleiten. Dabei können die Wärmeleitelemente 50 beispielsweise so ausgebildet sein, dass an dem Wärmeleitelement 50 eine Innenkontur 51 ausgebildet ist, die komplementär zu einer Außenkontur 11 eines Kondensatorelements 10 geformt ist, sodass das Wärmeleitelement 50 entlang dieser Innenkontur 51 direkt an der Außenkontur 11 des Kondensatorelement 10 anliegen kann. So kann Wärme über diese große Auflagefläche von dem Kondensatorelement 10 zu dem Wärmeleitelement 50 abgeleitet werden.
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Es können ein Wärmeleitelement 50 oder auch mehrere Wärmeleitelemente 50 in dem Kondensator 1 vorgesehen sein. Das Wärmeleitelement 50 kann verschiedene Formen haben. Ein Ausführungsbeispiel für ein Wärmeleitelement 50 ist in 2 und 3 dargestellt. 2 zeigt den Kondensator 1 mit den Kondensatorelementen 10 und ein wärmeleitende Element 50, das als Rahmen 52 mit Ausnehmungen 53 ausgebildet ist. In jede der Ausnehmungen 53 des Rahmens ist ein Kondensatorelement 10 eingesetzt. Der Rahmen 52 bildet somit eine Aufnahme für die Kondensatorelemente 10. Der Rahmen 52 ist dabei beispielsweise so ausgebildet, dass die eingesetzten Kondensatorelemente 10 umlaufend an einer Innenkontur 51 der Ausnehmung 53 anliegen und somit die Wärme über diese Innenkontur 51 der Ausnehmungen 53 abgeleitet werden kann. Die Innenkontur 51 der Ausnehmungen 53 ist somit der Außenkontur 11 der Kondensatorelemente 10 angepasst.
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Ein Kondensator 1 kann auch, wie in dem Ausführungsbeispiel in 4 gezeigt, mehrere Wärmeleitelemente 50 umfassen. Beispielsweise können zwischen der Mehrzahl an Kondensatorelementen 10 eine Mehrzahl an Zwischenräumen 20 ausgebildet sein und in jedem der Zwischenräume 20 ein Wärmeleitelement 50 angeordnet sein. 4 zeigt verschiedene Formen von Wärmeleitelementen 50. Die Wärmeleitelemente 50 können beispielsweise als Zylinder mit einer Zylinderachse parallel zu den Längsachsen L der Kondensatorelemente 10 ausgebildet sein. Als Zylinder ausgebildete Wärmeleitelemente 50 können beispielsweise in Zwischenräume 20 zwischen jeweils vier Kondensatorelementen 10 eingesetzt sein und dabei alle vier Kondensatorelemente 10 berühren. Die Wärmeleitelemente 50 können aber auch beispielsweise sternförmig ausgebildet sein und an die Außenkonturen 11 der Kondensatorelemente 10 angepasste Innenkonturen 51 aufweisen. Verbleibende Spalte in dem Kondensator 1 können in allen Ausführungsbeispielen beispielsweise durch eine Vergussmasse aufgefüllt werden. Einzelne Wärmeleitelemente 50 können partiell nur an Stellen im Kondensator 1 platziert werden, an denen lokal verbesserte Erwärmung erzielt werden soll.
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Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
