DE1189642B

DE1189642B - Converter arrangement made of semiconductor components for electrical alternating current machines which supply direct current

Info

Publication number: DE1189642B
Application number: DES79614A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Karl Heinz Geyer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-05-25
Filing date: 1962-05-25
Publication date: 1965-03-25

Description

Stromrichteranordnung aus Halbleiterbauelementen für Gleichstrom liefernde elektrische Wechselstrommaschinen Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Aufbau für eine Stromrichteranordnung aus Halbleiterbauelementen mit flächenhaftem pn-übergang zum Einbau an einer Wechselstrommaschine und Speisung aus deren Wechselstromwicklung zur Lieferung eines gleichgerichteten Wechselstrornes unter Benutzung von zugleich mehrere Halbleiterelemente tragenden, in der Maschine befestigten Ringsegmenten.Converter arrangement made of semiconductor components for direct current supplying AC electrical machines The invention relates to an improved one Structure for a converter arrangement made of semiconductor components with planar pn junction for installation on an alternating current machine and supply from its alternating current winding for the delivery of a rectified alternating current using at the same time several ring segments that carry semiconductor elements and are fixed in the machine.

Bekannt war bei einer Stromrichteranordnung aus Halbleitergleichrichtern auf einer umlaufenden Welle, insbesondere zur Erregung von Wechselstromgeneratoren, das Halten der wirksamen Gleichrichterschichten der Halbleiterbauelemente an einem ringförmigen, mit der Welle verbundenen Trägerkörper mittels an diesem Trägerkörper abgestützter Gleichrichterpatronen bzw. Gleichrichtergehäuse in tangentialer Lage, so daß die wirksamen Fliehkräfte senkrecht zur Schichtebene wirken und auf der gesamten Schichtfläche auf die Gleichrichterpatrone übertragen werden, wobei der aus dem einzelnen Patronengehäuse herausgeführte Anschlußleiter sich radial nach innen an der Maschine erstreckte.Was known in a converter arrangement made of semiconductor rectifiers on a rotating shaft, especially for exciting alternators, holding the effective rectifier layers of the semiconductor components on one annular carrier body connected to the shaft by means of this carrier body supported rectifier cartridges or rectifier housing in a tangential position, so that the effective centrifugal forces act perpendicular to the layer plane and on the whole Layer surface are transferred to the rectifier cartridge, with the from the individual cartridge housing lead out connection leads radially inward the machine extended.

Bei einer Weiterbildung dieser bekannten Lösung wurde der jeweilige radial nach innen in bezug auf die Maschinenwelle aus der Halbleiterbauelementpatrone bzw. dem Halbleiterbauelementgehäuse durch die elektrisch isolierende Durchführung dieses Gehäuses als massiver Anschlußleiter herausgeführte und über eine nachgiebige Verbindung innerhalb der Gleichrichterpatrone mit dem Halbleiterelement elektrisch verbundene Anschlußleiter an seinem mit Schraubengewinde und Mutter versehenen inneren Ende gegen die Wirkung von Fliehkräften an einem konzentrisch zum Tragring der Gleichrichterpatrone getragenen Ring von kleinerem Durchmesser oder über auf den gleichen Ring, der die Gleichrichterpatrone trägt, durch U-förmige Stützkörper jeweils, wenn erforderlich, über elektrisch isolierende Zwischenkörper abgefangen.In a further development of this known solution, the respective radially inwardly with respect to the machine shaft from the semiconductor component cartridge or the semiconductor component housing through the electrically insulating bushing this housing led out as a solid connection conductor and a flexible one Electrical connection within the rectifier cartridge to the semiconductor element connected connecting conductor on its inner provided with screw thread and nut End against the effect of centrifugal forces at a concentric to the support ring of the rectifier cartridge worn ring of smaller diameter or over on the same ring that made the Rectifier cartridge carries, by U-shaped support body, if necessary, intercepted via electrically insulating intermediate bodies.

Stromrichter aus Halbleiterbauelementen, die im Sinne der vorstehend angeführten Anordnung am umlaufenden Teil von elektrischen Maschinen angeordnet sind, bedingen eine genaue, mindestens statische oder sogar dynamische Auswuchtung bereits beim Einbau und dann jeweils wiederum bei jeder Veränderung im Stromrichteraufbau, die z. B. durch ein ' e Auswechselung eines der Halbleiterbauelemente bestimmt sein kann.Converters made of semiconductor components, which are arranged in the sense of the above arrangement on the rotating part of electrical machines, require an exact, at least static or even dynamic balancing already during installation and then in turn with each change in the converter structure, the z. As one of the semiconductor components may be determined by a 'e substitution.

Bei einer Einrichtung zur Erzeugung von Gleichstrom unter Verwendung eines Wechselstrom-, insbesondere eines Drehstromgenerators, mit nachgeschalteten, in das Gehäuse des Generators ein-oder angesetzten Halbleitergleichrichtern wurde mindestens ein Teil der Halbleiterbauelemente in von außen zugängliche und nach außen offene Ausnehmungen oder Einformungen des Lagerschildes oder sonstiger am Gehäuse des Generators angepaßter Tragteile eingesetzt, wobei die Aussparungen in zwischen dem inneren und dem äußeren Ring des Lagerschildes eingegossenen Verstrebungen oder in den ringförmigen Zonen, welche zwischen dem Innenring, dem Außenring und diesen Verstrebungen frei bleiben, über Isolierschichten und Stegteile eingesetzten und gegebenenfalls mit zusätzlichen Kühlfahnen ausgestatteten Körpern radial oder gleichachsig in bezug auf die Maschinenachse vorgesehen sein konnten, auf deren Boden die Halbleiterbauelemente eingeschraubt wurden und der zweite, durch die elektrisch isolierende Durchführung des Halbleiterbauelementes herausgeführte Anschlußleiter über den Rand der zugehörigen Aussparung heraustrat. Der Lagerschildkörper war also integrierender Bestandteil der Stromrichteranordnung zur Bereitstellung je einer Trägerfassung für je ein Halbleiterbauelement, wobei ein Teil der Fassungen mit dem Lagerschildkörper aus einer Einheit gefertigt war, ein anderer Teil der einzelnen Fassungen wiederum zwischen diesen in der Umfangsrichtung des Lagerschildes seinen Sitz fand und sogar angeformte Arme mit ösen zur Befestigung des Lagerschildes über isolierte Zwischenlagen an dem Maschinengehäuse und zum Anschluß von Verbindungsleitungen aufwies. Jedes einzelne Halbleiterbauelement war für sich einzeln an dem Steg oder einem eingesetzten Steg im Lagerschildkörper befestigt.In a device for generating direct current using an alternating current generator, in particular a three-phase generator, with downstream semiconductor rectifiers inserted or attached to the housing of the generator, at least some of the semiconductor components have been inserted into recesses or recesses in the end shield that are accessible from the outside and open to the outside other support parts adapted to the housing of the generator are used, the recesses in struts cast between the inner and outer ring of the end shield or in the annular zones which remain free between the inner ring, the outer ring and these struts, via insulating layers and web parts, and if necessary bodies equipped with additional cooling vanes could be provided radially or coaxially with respect to the machine axis, on the bottom of which the semiconductor components were screwed and the second, through the electrically insulating bushing Leading out lead of the semiconductor component emerged over the edge of the associated recess. The end shield body was therefore an integral part of the converter arrangement for providing a respective carrier socket each for a semiconductor device, wherein a portion of the versions was made with the end shield body of a unit, another part of the individual frames in turn took his seat between them in the circumferential direction of the bearing plate and even had molded arms with eyelets for attaching the end shield to the machine housing via insulated intermediate layers and for connecting connecting lines. Each individual semiconductor component was individually attached to the web or an inserted web in the end shield body.

Bei geschlossenen Wechselstromerzeugern, vorzugsweise unten am Fahrzeug unverdeckter Anordnung, insbesondere Eisenbahnfahrzeugen, zur Ausnutzung des Fahrwindes für die Kühlung, waren die einzelnen mit je einem Kühlkörper verbundenen Halbleitergleichrichterelemente an einem Fortsatz des Gehäuses der Maschine, welche einen äußeren ruhenden Anker mit Wicklung, ein inneres ruhendes Erregersystem und ein zwischen diesen beiden Teilen nüt der Maschinenwelle umlaufendes Kraftlinienstück aufwies, radial in je eine Bohrung mit dem Gehäuse des Halbleiterbauelementes eingeführt, bis sich der Kühlfahnenkörper über eine isolierte Zwischenlage gegen die äußere Mantelfläche dieses Gehäuseteiles legte, so daß die anderen Anschlußleiter der Halbleiterbauelemente sich radial nach innen in dem Maschinengehäuse erstreckten. Auch hierbei war dieser Gehäuseteil wieder integrierender Bestandteil für die gegenseitige Zuordnung der Halbleiterbauelemente zur Bildung der Einheit des Stromrichters.In the case of closed alternating current generators, preferably uncovered at the bottom of the vehicle, in particular railway vehicles, in order to utilize the driving wind for cooling, the individual semiconductor rectifier elements, each connected to a heat sink, were on an extension of the housing of the machine, which had an outer stationary armature with a winding and an inner stationary one excitation system and a lay nüt between these two parts of the machine shaft rotating force line piece having radially in a bore of the housing of the semiconductor component introduced until the cooling fins body via an isolated intermediate position against the outer lateral surface of this housing part, so that the other connection conductor of the semiconductor elements is extending radially inward in the machine housing. Here, too, this housing part was again an integral part for the mutual assignment of the semiconductor components to form the unit of the converter.

An kollektorlosen Gleichstrommaschinen in Form von Drehstrommaschinen mit eingebauten Gleichrichtem wurden die Halbleiterbauelemente mit ihrem für einen Preßsitz eingerichteten Mantelteil des das Halbleiterelement einschließenden Halbleiterbauelementegehäuseteiles teils in Aussparungen des Lagerschildes, teils in Aussparungen bogenförmiger Träger eingepreßt angeordnet, die innen am Maschinengehäuse getragen waren. Der durch die elektrisch isolierende Durchführung des einzelnen Halbleiterbauelementes in axialer Richtung heraustretende Anschlußleiter war an die Ständerwicklung und die Anschlußklemmen angeschlossen, und der Gleichstrom wurde der Klauenpolausführung des umlaufenden Teiles über Schleifringe zugeführt.On brushless DC machines in the form of three-phase machines With built-in rectifiers, the semiconductor components were with their for one Press fit set up shell part of the semiconductor element enclosing the semiconductor component housing part partly in recesses in the end shield, partly in recesses in arched carriers arranged pressed in, which were carried inside the machine housing. The one through the electrically insulating implementation of the individual semiconductor component in the axial direction The connecting conductor protruding in the direction was connected to the stator winding and the connection terminals connected, and the direct current became the claw-pole version of the rotating Part fed through slip rings.

Bekannt war die Benutzung je eines an der Außenseite des Lagerschildes angeschraubten Trägers für ein einzelnes Halbleiterbauelement, wobei dieses in eine ölgefüllte Kapselung eingeschlossen war, welche anteifig durch einen Anteil der äußeren Oberfläche des Lagerschildes und eine an diesem befestigte Nabe gebildet wurde.Was known to use one each screwed to the outer side of the bearing plate support for a single semiconductor device, this was enclosed in an oil filled enclosure which was anteifig formed by a portion of the outer surface of the bearing plate and fixed to this hub.

Es war auch bekannt, die Dioden stimseitig im Kühlluftstrorn der Maschine anzuordnen.It was also known to have the diodes on the front side in the cooling air flow of the machine to arrange.

Für den stirnseitigen Einbau der Halbleiterbauelemente in dem Gehäuse einer elektrischen Maschine und in deren Kühlluftstrom war es bekannt, ringsegmentförmige Träger mit Befestigungsaugen und je einer einzelnen Aussparung in je einem anteiligen, außen mit Kühlfahnen versehenen Hohlkörper je ein Halbleiterbauelement einzusetzen, wobei der andere, durch die elektrisch isolierende Durchführung am Halbleiterbauelement herausgeführte elektrische Anschlußleiter des eingesetzten Halbleiterbauelementes über den Rand der jeweiligen Aussparung hervortrat.For the end-side mounting of semiconductor components in the housing of an electrical machine and in the cooling air flow, it was known proportional ring segment-shaped carrier with fastening lugs and each of a single recess in each case one to use the outside with cooling vanes hollow body provided per a semiconductor device, the other, by the electrically insulating bushing on the semiconductor component led out electrical connection conductor of the semiconductor component used protruded over the edge of the respective recess.

Ziel der Erfindung ist, mit wenigen Montageteilen i und ohne für das einzelne Halbleiterelement jeweils ein selbständiges Gehäuse zur Schaffung einer bereits als Einheit für sich gekapselten Zelle zu schaffen, einen aus einer beliebig großen Zahl von Halbleiterbauelementen bestehenden Satz zur Bildung einer Stromrichteranordnung zusammenstellen zu können.The aim of the invention is with a few assembly parts i and without for the individual semiconductor element each a separate housing to create a to create a cell that is already encapsulated as a unit, one from any cell large number of semiconductor components set to form a power converter arrangement to be able to put together.

Diese Aufgabe wird bei einer Stromrichteranordnung der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß jedes Ringsegment unmittelbar für den Einbau der Halbleiterelemente und ihren Einschluß in je eine vorbereitete Halterung als Montageplatte benutzt wird, mit welcher die Halteteile der einzelnen Halbleiterbauelementegehäuse unter Aufnahme je eines der Halbleiterelemente zusammengespannt werden.This object is achieved by a converter arrangement of the initially defined kind in that according to the invention each ring segment is directly used for installation of the semiconductor elements and their inclusion into a respective slots provided as a mounting plate, with which clamped together the holding portions of the individual semiconductor device package at receiving one of the semiconductor elements will.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird vorzugsweise der Aufbau des einzelnen Ringsegmentes derart getroffen, daß an ihm für jedes der Halbleiterbauelemente bereits unmittelbar ein besonderer Tragkörper vorgesehen ist. Es kann somit in diesen Tragkörper das Halbleiterelement eingesetzt werden, die Teile des Halbleiterbauelementes können an diesem Tragkörper zusammengesetzt werden, und schließlich können diese Teile mit dem Tragkörper zusammengespannt werden. Dieser Tragkörper kann dabei vorzugsweise bereits derart aufgebaut sein, daß er also eine entsprechende metallische Fassung für das Einsetzen des eigentlichen Halbleiterelementes ist, so daß diese Fassung in für Gehäuse von Halbleiterbauelementen geläufiger Weise unmittelbar als der eine Pol für den elektrischen Anschluß des von der Fassung getragenen bzw. gehaltenen Halbleiterbauelementes benutzt ist.According to a further development of the invention, the structure of the individual ring segment taken in such a way that on it for each of the semiconductor components a special support body is already provided directly. It can thus be used in these Support body, the semiconductor element are used, the parts of the semiconductor component can be assembled on this support body, and finally these can Parts are clamped together with the support body. This support body can preferably already be constructed in such a way that it has a corresponding metallic version for the insertion of the actual semiconductor element, so that this version in a manner familiar to the housing of semiconductor components directly than the one Pole for the electrical connection of what is carried or held by the socket Semiconductor component is used.

Für die Erfüllung dieser Funktion kann der einzelne Tragkörper die Form eines Bechers oder die Form eines an dem Ringsegment getragenen Bechers oder vorzugsweise eine pilzförmige Gestalt besitzen. Im letzteren Fall kann dann dieser Tragkörper von pilzförmiger Grundgestalt mit dem Schaft dieser Pilzforin in eine Aussparung bzw. in einen Kanal des Ringsegrnentkörpers eingesetzt bzw. eingepreßt werden, so daß er sich mit der Innenfläche des Pilzdaches gegen die Stirnfläche des Ringsegmentes anlegt. An der Außenfläche der Pilzdachform weist dann der Tragkörper zweckmäßig die Fassung für die Aufnahme des scheibenförmigen Halbleiterelementes auf. Für den elektrischen Anschluß des Halbleiterelementes, welches Platten- oder Scheibenform besitzt, an derjenigen Fläche des Halbleiterelementes, welcher derjenigen Fläche gegenüberliegt, mit welcher das Halbleiterelement an der Fassung anliegt, wird vorzugsweise ein Anschlußkontakt benutzt, der lediglich gegen den entsprechenden Pol des Halbleiterelementes angedrückt wird. Das erfolgt vorzugsweise mittels eines Kraftspeichers, damit auch bei thermischen Änderungen der Abmessungen der zusammenwirkenden Teile der erwünschte Anpreßdruck an der Anschlußstelle des Halbleiterbauelementes gewährleistet bleibt.To fulfill this function, the individual support body can Shape of a cup or the shape of a cup carried on the ring segment or preferably have a mushroom shape. In the latter case this can be Carrying body of mushroom-shaped basic shape with the shaft of this mushroom shape in one Recess or inserted or pressed into a channel of the green ring body so that it is with the inner surface of the mushroom roof against the end face of the ring segment. The support body then has on the outer surface of the mushroom roof shape expediently the socket for receiving the disk-shaped semiconductor element on. For the electrical connection of the semiconductor element, which plate or Has disk shape, on that surface of the semiconductor element, which of those Opposite the surface with which the semiconductor element rests on the socket, a connection contact is preferably used, which is only against the corresponding Pole of the semiconductor element is pressed. This is preferably done by means of a Energy storage, so even with thermal changes in the dimensions of the interacting Parts of the desired contact pressure at the connection point of the semiconductor component remains guaranteed.

Ein vorteilhafter Aufbau einer erfindungsgemäßen Anordnung in dieser Hinsicht wird dann erreicht, wenn für das Zusammenspannen des Kraftspeichers des Anschlußkontaktes des Halbleiterelementes und der Fassung ein einziges Spannelement benutzt wird. Dieses kann vorzugsweise durch einen mit dem Ringsegmentkörper für das einzelne Halbleiterbauelement verbundenen Spannbügel gebildet werden.An advantageous structure of an arrangement according to the invention in this Respect is achieved when for clamping the energy accumulator of the Terminal contact of the semiconductor element and the socket a single clamping element is used. This can preferably by one with the ring segment body for the individual semiconductor component connected clamps are formed.

Nun ist es auch bei einer solchen Anordnung naturgemäß erwünscht, daß das einzelne Halbleiterelement betriebsmäßig gegen äußere Einwirkungen geschützt ist, d. h. also in eine entsprechende Kapselung eingeschlossen ist. Das läßt sich erfindungsgemäß auf einfache Weise dadurch erreichen, daß die Fassung des Halbleiterelementes und der plattenförmige Anschlußkontakt an die gegenüberliegende Elektrode des Halbleiterelementes als Grundplatten an den Stirnseiten eines prismatischen oder zylindrischen Gehäuses bzw. Hohlkörpers benutzt werden, dessen Mantelkörper durch einen die Fassung des Halbleiterelementes und dieses mit seinen Kontakten umschließenden Hohlkörper bzw. Ring gebildet wird. Es wird daher vorzugsweise der plattenförmige Anschlußkontakt mit seinem Rand gegen die Stirnseite eines Ringes oder Hohlkörpers gepreßt, der mit seiner anderen Stirnseite gegen die Oberfläche des Ringsegmentes oder gegen eine Fläche der Fassung gedrückt wird, in welcher das Halbleiterelement gehalten ist.With such an arrangement it is naturally desirable that the individual semiconductor element is operationally protected against external influences, i. H. is therefore enclosed in a corresponding encapsulation. According to the invention, this can be achieved in a simple manner in that the socket of the semiconductor element and the plate-shaped connection contact on the opposite electrode of the semiconductor element are used as base plates on the end faces of a prismatic or cylindrical housing or hollow body, the casing body of which is supported by a socket of the semiconductor element and this is formed with its contacts enclosing hollow body or ring. The edge of the plate-shaped terminal contact is therefore preferably pressed against the face of a ring or hollow body, the other face of which is pressed against the surface of the ring segment or against a surface of the socket in which the semiconductor element is held.

Der in der Anordnung erwähnte Kraftspeicher kann durch einen Federkörper oder auch durch einen elastischen Werkstoff gebildet werden. Ein solcher als Kraftspeicher wirkender Körper kann z. B. eine Platte oder eine Scheibe aus Gummi oder einem elastisch nachgiebigen Kunststoff sein.The energy storage device mentioned in the arrangement can be provided by a spring body or also be formed by an elastic material. One such as an energy store acting body can z. B. a plate or a disc made of rubber or an elastic be resilient plastic.

In gleicher Weise kann es auch zweckmäßig sein, den Mantelkörper, der an der Bildung der Kapselung bzw. des Gehäuses für den Einschluß des Halbleiterelementes beteiligt ist, aus Gummi oder einem elastisch nachgiebigen Kunststoff herzustellen.In the same way, it can also be expedient to use the casing body, that of the formation of the encapsulation or the housing for the inclusion of the semiconductor element is involved to manufacture from rubber or a resilient plastic.

Ein solcher oben angeführter Spannbügel für das Zuspannen derjenigen Teile, welche zu einem Halbleiterbauelement gehören, kann z. B. eine U-Form besitzen, die an ihrem sich gegen den Kraftspeicher legenden Jochteil zu einer der Anlagefläche an den nachfolgenden Körper angepaßten Plattenform erweitert sein kann oder über eine solche Zwischenlageplatte wirkt. Er wird dann bei der Montage mit seinen Schenkeln gegenläufig zu der Schichtung jedes Halbleiterbauelementes, d. h. seines Gehäuseringes, seiner Anschlußplatte und seines Kraftspeichers, in Durchgangskanäle bzw. Löcher des ringsegmentförmigen Trägers eingeführt. Dieses Einführen erfolgt bis zu einem solchen Maße, was gegebenenfalls durch einen an dem Spannbügel vorgesehenen Anschlag bestimmt sein kann, daß der Kraftspeicher seine entsprechende Vorspannung bzw. Aufladung erfährt, und dann werden die Schenkelenden des U-förmigen Spannbügels an der entsprechenden Oberfläche dieses Ringsegmentes umgelegt. Es kann also die Befestigung des Spannbügels an seinen freien Schenkelenden am Ringseginentkörper z. B. nach Art einer Verlappungsverbindung erfolgen.Such a clamping bracket for clamping those parts that belong to a semiconductor component can, for. B. have a U-shape, which can be expanded on its yoke part lying against the energy storage device to form a plate shape adapted to the contact surface on the following body, or it acts via such an intermediate plate. During assembly, it is then turned with its legs in the opposite direction to the layering of each semiconductor component, i. H. its housing ring, its connection plate and its energy accumulator, inserted into through channels or holes of the ring segment-shaped carrier. This insertion takes place to such an extent, which can optionally be determined by a stop provided on the clamping bracket, that the energy accumulator experiences its corresponding bias or charging, and then the leg ends of the U-shaped clamping bracket are folded over on the corresponding surface of this ring segment . So it can be the attachment of the clamping bracket at its free leg ends on the ring segment body z. B. take place in the manner of a Verlappungsverbindungen.

An den einzelnen Halbleiterelementen ist es naturgemäß erforderlich, die betriebsmäßig an ihnen anfallende Joulesche Wärme abzuführen, wofür zweckmäßig entsprechende Kühleinrichtungen bzw. Kühlkörper vorgesehen werden. Für die Bildung solcher Kühlkörper kann im Rahmen der Erfindung unmittelbar der plattenförmige Anschlußkontakt benutzt werden, der an die der Fassung gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterelementes angedrückt wird, indem dieser Plattenkontakt gleichzeitig mit entsprechenden Kühlfahnen versehen ist, die frei aus dem Stapel des einzelnen Halbleiterbauelementes ausladen und in eine bestimmte Richtung für die wirksame Bespülung durch das Kühlmittel abgebogen sein können.On the individual semiconductor elements it is of course necessary to to dissipate the Joule heat generated during operation, for which purpose it is expedient appropriate cooling devices or heat sinks are provided. For education Such a heat sink can, within the scope of the invention, directly be the plate-shaped connection contact are used on the opposite surface of the semiconductor element from the socket is pressed by this plate contact at the same time with corresponding cooling vanes is provided that unload freely from the stack of the individual semiconductor component and bent in a specific direction for effective purging by the coolant could be.

Da, wie bereits erwähnt, die ringseginentförmigen Träger entweder unmittelbar, d. h. ohne elektrische Zwischenisolation an dem Gehäuseteil bzw. dem Lagerschild der elektrischen Maschine befestigt werden können oder über eine solche Zwischenisolation, was sich durch die Art des Aufbaues der elektrischeu Anlage bestimmt so werden für die Halbleiterelemente, welche an verschiedenen Ringsegmenten befestigt sind, von denen die einen unmittelbar ohne Isolation und die anderen über elektrische Zwischenisolation an der elektrischen Maschine befestigt sind, sich verschiedene Kühlverhältnisse ergeben, denn das metallische Lagerschild wird die Wärineabfuhr über dasienige Ringsegment, welches ohne Zwischenisolation an dem Gehäuseteil der elektrischen Maschine befestigt ist, begünstigen. Da es jedoch im Sinne einer gleichmäßigen Beanspruchung der Halbleiterelemente oder aller Halbleiterelemente der Anlage liegt, für diese gleich gute Kühlungsverhältnisse zu schaffen, ist es zweckmäßig, einen solchen Aufbau der Anordnung zu treffen, daß bereits durch den inneren Aufbau derjenigen Einheit aus Halbleiterelementen, welche an einem Ringsegment angebaut ist, gleichmäßige Kühlverhältnisse geschaffen werden, so daß eine ausreichende Wärmeabfuhr für die Gleichrichterelemente bereits ohne die Mitwirkung der metallischen Teile des Gehäuses der elektrischen Maschine erreicht ist.Since, as already mentioned, the ring segment-shaped carriers either directly, i.e. H. can be attached to the housing part or the end shield of the electrical machine without electrical intermediate insulation or via such an intermediate insulation, which is determined by the type of construction of the electrical system for the semiconductor elements which are attached to different ring segments, some of which directly without insulation and the others are attached to the electrical machine via electrical intermediate insulation, different cooling conditions result, because the metallic bearing shield will promote heat dissipation via the ring segment, which is attached to the housing part of the electrical machine without intermediate insulation. However, since it is in the interests of uniform loading of the semiconductor elements or all semiconductor elements of the system to create equally good cooling conditions for them, it is advisable to design the arrangement in such a way that the internal structure of that unit of semiconductor elements which is connected to is attached to a ring segment, uniform cooling conditions are created so that sufficient heat dissipation for the rectifier elements is achieved without the involvement of the metallic parts of the housing of the electrical machine.

Unter diesem Gesichtspunkt kann es im Rahmen der Erfindung zweckmäßig sein, nicht nur die jeweilige elektrische Anschlußplatte an das einzelne Halbleitergleichrichterelement mit Kühlfahnen auszustatten, sondern auch der Fassung des Halbleiterelementes entsprechende Kühlfahnen zuzuordnen, wofür also jedes der metallischen Ringsegmente dann an der Stelle des Sitzes eines Halbleiterelementes bzw. Halbleiterbauelementes mit entsprechenden Kühlfahnen versehen wird.From this point of view, it can be expedient within the scope of the invention be, not just the respective electrical connection plate to the individual semiconductor rectifier element to equip with cooling fins, but also corresponding to the socket of the semiconductor element Assigning cooling flags, so each of the metallic ring segments then on the Place of the seat of a semiconductor element or semiconductor component with corresponding Cooling vanes is provided.

Die einzelnen Halbleiterelemente der Stromrichteranordnung müssen naturgemäß zu der erwünschten elektrischen Schaltung über entsprechende Leitungen zusammengefaßt werden, z. B. also einer Mittelpunktssehaltung oder einer ein- oder mehrphasigen Gleichrichterbrückenschaltung. Im Rahmen der Erfindung können für die Zusammenschaltung der elektrischen Anschlußplatten gleichen Potentials vorzugsweise Bauelemente benutzt werden, die Einheiten aus elektrischen Leitern bzw. Zwischenschienen sind. Eine solche Einheit kann dann z. B. unmittelbar durch einen Stanz- oder Schneidprozeß aus einem Blech hergestellt werden. Gegebenenfalls ist es dabei möglich, für alle herzustellenden elektrischen Verbindungen gleichartige Einheiten zu benutzen, indem diejenigen Leitungsverbindungen, welche gegenüber anderen nur kürzer zu sein brauchen, bei der Montage in eine entsprechende Form, z. B. diejenige einer Schleife, gelegt werden, so daß auf diese Weise der erwünschte gegenseitige räumliche Abstand zwischen den Anschlußplatten erreicht ist, die an den Enden der Schiene vorgesehen sind.The individual semiconductor elements of the converter arrangement must naturally to the desired electrical circuit via appropriate lines be summarized, e.g. B. So a center position or a one or polyphase rectifier bridge circuit. In the context of the invention, for the Interconnection of the electrical connection plates with the same potential is preferred Components are used, the units of electrical conductors or intermediate rails are. Such a unit can then, for. B. directly by a punching or cutting process can be made from sheet metal. If necessary, it is possible for everyone to use similar units to be made electrical connections by those line connections that only need to be shorter than others, when assembling in an appropriate form, z. B. that of a loop placed be, so that in this way the desired mutual spatial distance between the connection plates is reached, which are provided at the ends of the rail.

Die ringsegmentförmigen Träger jeweils für eine Anzahl von Halbleiterbauelementen sind zweckmäßig unmittelbar aus Metall hergestellt, obwohl sie naturgemäß auch aus einem anderen Werkstoff hergestellt sein konnten, wobei dann auf sie entsprechende Metallschienen aufgelegt sein können, um die entsprechenden elektrischen Verbindungen zwischen den Fassungen der einzelnen Halbleiterelemente zu schaffen. Die aus Metall bestehenden ringsegmentförmigen Träger der Halbleiterbauelemente können gleichzeitig unmittelbar als elektrische Sammelschienen der Stromrichteranlage benutzt werden. Wird die elektrische Anlage, bestehend aus der elektrischen Maschine und der Stromrichteranordnung, an einem Kraftfahrzeug benutzt, an welchem dessen Körper bzw. Masse unmittelbar als der eine elektrische Pol auf der Gleichstromseite benutzt wird, so kann also sinngemäß dasjenige Ringsegment, welches Halbleiterelemente trägt, die mit einem ihrer Pole an diese elektrische Masseleitung angeschlossen sind, ohne Isolation an dem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt werden.The ring segment-shaped carriers each for a number of semiconductor components are expediently made directly from metal, although they naturally also consist of could be made of a different material, then corresponding to them Metal rails can be placed to make the appropriate electrical connections to create between the sockets of the individual semiconductor elements. The ones made of metal existing ring segment-shaped carriers of the semiconductor components can simultaneously can be used directly as electrical busbars for the converter system. If the electrical system, consisting of the electrical machine and the converter arrangement, at a motor vehicle used on which its body or mass directly as the one electrical pole is used on the direct current side, so can analogously that ring segment which carries semiconductor elements with one of their poles are connected to this electrical ground line, without insulation on the housing attached to the electrical machine.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.To explain the invention in more detail using an exemplary embodiment reference is now made to the figures of the drawing.

In den F i g. 1 und 2 ist in zwei einander entsprechenden Rissen das Lagerschild 1 dargestellt, an welchem die elektrische Stromrichteranordnung, die aus Halbleiterbauelementen besteht, befestigt werden soll. Dieses Lagerschildl ist an den Stellen2 und 3 an den Lagerschildarmen mit je einer Eindrehung versehen, von deren Oberfläche aus Gewindebohrungen4 eingearbeitet worden sind.In the F i g. 1 and 2, the bearing plate 1 is shown in two mutually corresponding cracks, to which the electrical converter arrangement, which consists of semiconductor components, is to be attached. This end shield is provided with a recess at points 2 and 3 on the end shield arms, into which threaded holes4 have been machined from the surface.

Die F i g. 3 zeigt eine gleichartige Ansicht der Innenseite des Lagerschildes wie gemäß F i g. 1, wobei jedoch nunmehr zwei metallische Ringsegmente 5 bzw. 6 an den Armen des Lagerschildes mittels der Schrauben 7 befestigt worden sind. An jeder dieser Schienen 5 bzw. 6 sind nun drei Halbleiterelemente 8 angebaut.The F i g. 3 shows a similar view of the inside of the bearing plate as in FIG. 1, but now two metallic ring segments 5 and 6 have been fastened to the arms of the bearing plate by means of the screws 7. Three semiconductor elements 8 are now attached to each of these rails 5 and 6, respectively.

Der Aufbau der einzelnen Halbleiterbauelemente wird nunmehr näher an Hand der F i g. 4 erläutert. In dieser bezeichnet 6 z. B. das in gleicher Weise bezeichnete Ringsegment gemäß der F i g. 3. Dieses Ringsegment 6 ist mit zwei Durchgangskanälen 9 versehen. Ferner weist das Ringsegment 6 eine Bohrung 10 auf. In diese Bohrung 10 ist ein pilzförmiger metallischer Tragkörper 11 mit seinem Schaft 12 eingesetzt, so daß sich die untere Fläche seiner Pilzdachform 13 gegen die obere Fläche des Ringsegmentes 6 legt. An der Außenfläche der Pilzdachform 13 ist eine becherförmige Fassung 14 für das eigentliche Halbleiterelement 15 vorgesehen. Dieses Halbleiterelement kann eine rechteckige bzw. quadratische oder auch eine Scheibenform besitzen von solchen Abmessungen, daß es in die Fassung 14 eingesetzt werden kann. Es kann z. B. eine Diode auf der Basis eines Halbleiterkörpers aus Silizium sein, der mit den entsprechenden dotierten Bereichen versehen ist und gegebenenfalls für seine Stabilisierung noch an einer oder beiden Stirnflächen mit entsprechenden Versteifungskörpern versehen ist, die z. B. aus Molybdän, Wolfram oder Tantal bestehen können, also Werkstoffen, die in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleitermaterials benachbart liegen. Um den Umfang des Fassungskörpers 13 herum ist ein Ring 16 aus Gummi vorgesehen. Auf diesen Gummiring ist eine metallische Anschlußplatte 17 aufgelegt, die zu ihrer Versteifung noch mit einer Sicke 18 versehen ist, welche gleichzeitig die Platte 17 in ihrer Lage gegenüber dem Ring 16 zentriert. Auf die obere Fläche dieser Anschlußplatte 17 ist eine Gummiplatte 19 aufgelegt. Nachdem die genannten Teile 13 bis 19 in der geschilderten Weise übereinandergeschichtet worden sind, wird der U-förmige Bügel 20 mit seinen Schenkeln durch die Aussparungen 9 in dem Ringsegment 6 hindurchgeführt, wobei die Enden seiner Schenkel zunächst noch die gestrichelt dargestellte Form besitzen. Die freien Schenkelenden von 20 sind jedoch in dem Beispiel geschlitzt, so daß, wie es bereits dargestellt ist, die Schenkelteile, welche über die untere Fläche von 6 hervortreten, schließlich nach Art einer Verlappung gabelförmig aufgebogen werden können, was in einem solchen Zustand der Anordnung erfolgt, daß die Gummiplatte 19 als Kraftspeicher wirkt, der für den entsprechenden gegenseitigen Anpreßdruck an den Kontaktflächen zwischen 13 und 15 bzw. 15 und 17 sorgt. Die Höhe des Gummiringes 16 ist dabei derart bemessen, daß beim Zusammenspannen der Anordnung mit Hilfe des Spannbügels 20 auch dieser eine entsprechende Verformung erfährt bzw. derart unter Spannung gesetzt wird, daß sich eine dichte Anlage zwischen ihm und der Oberfläche von 6 bzw. der entsprechenden Fläche von 17, d. h. der Anschlußplatte, ergibt.The structure of the individual semiconductor components will now be described in more detail with reference to FIGS. 4 explained. In this 6 denotes z. B. the ring segment identified in the same way according to FIG . 3. This ring segment 6 is provided with two through channels 9 . The ring segment 6 also has a bore 10 . A mushroom-shaped metallic support body 11 with its shaft 12 is inserted into this bore 10 , so that the lower surface of its mushroom roof shape 13 rests against the upper surface of the ring segment 6 . A cup-shaped socket 14 for the actual semiconductor element 15 is provided on the outer surface of the mushroom roof shape 13. This semiconductor element can have a rectangular or square shape or also a disk shape with dimensions such that it can be inserted into the holder 14. It can e.g. B. be a diode based on a semiconductor body made of silicon, which is provided with the corresponding doped areas and optionally for its stabilization is also provided on one or both end faces with appropriate stiffening bodies, which z. B. can consist of molybdenum, tungsten or tantalum, that is, materials whose thermal expansion coefficient is adjacent to that of the semiconductor material. A ring 16 made of rubber is provided around the circumference of the socket body 13. In these rubber ring has a metal terminal plate 17 is placed, which is provided at its stiffening yet with a bead 18, which at the same time centered in its position relative to the ring 16 the disk 17th A rubber plate 19 is placed on the upper surface of this connection plate 17. After the aforementioned parts 13 to 19 have been stacked in the manner described, the legs of the U-shaped bracket 20 are passed through the recesses 9 in the ring segment 6 , the ends of its legs initially still having the shape shown in dashed lines. The free leg ends of 20 are, however, slotted in the example, so that, as has already been shown, the leg parts which protrude over the lower surface of 6 can finally be bent up in a fork-like manner in the manner of a lapping, which in such a state of the arrangement takes place that the rubber plate 19 acts as an energy store, which ensures the corresponding mutual contact pressure on the contact surfaces between 13 and 15 or 15 and 17. The height of the rubber ring 16 is dimensioned such that when the arrangement is clamped together with the aid of the clamping bracket 20, this also undergoes a corresponding deformation or is placed under tension in such a way that there is a tight fit between it and the surface of 6 or the corresponding one Area of 17, d. H. the connection plate results.

In der bereits teilweise beschriebenen F i g. 3 ist eine solche Darstellung an der Stelle des einzelnen Halbleiterbauelementes gewählt, bei welcher jeweils die Anschlußplatte 17 und der Kraftspeicher 19 zunächst noch fortgelassen worden sind, wie sich auch aus den in diese Figur eingetragenen Bezeichnungen derjenigen Teile ergibt, welche soeben an Hand der F i g. 4 näher erläutert worden sind. In dieser F i g. 3 ist jedoch noch zusätzlich zu erkennen, wie an der Stelle des einzelnen Halbleiterbauelementes das je- weilige Ringsegment 6 bzw. 7 noch mit besonderen Kühlfahnen 21 versehen ist.In the already partially described FIG. 3 , such a representation is selected at the point of the individual semiconductor component, in which the connection plate 17 and the energy store 19 have initially been left out, as can also be seen from the designations entered in this figure for those parts which have just been shown on the basis of F i G. 4 have been explained in more detail. In this fig. 3 , however, it can also be seen how the respective ring segment 6 or 7 is also provided with special cooling tabs 21 at the location of the individual semiconductor component.

In den F i g. 5 und 6 sind zwei einander entsprechende Risse wiedergegeben, welche die in das Lagerschild eingebaute Stromrichteranordnung zeigen. Aus diesen Darstellungen ist noch zu entnehmen, wie die einzelnen Anschlußplatten 17 des Halbleiterelementes jeweils für sich mit entsprechenden Kühlfahnen 22 versehen sind.In the F i g. 5 and 6 show two corresponding cracks which show the converter arrangement built into the end shield. From these representations it can also be seen how the individual connection plates 17 of the semiconductor element are each provided with corresponding cooling lugs 22.

Die F i g. 7 zeigt in einer Einzeldarstellung eine aus einer Blechplatte ausgestanzte Einheit, an welcher zwei Anschlußplatten 17 sowie eine diese Anschlußplatten verbindende elektrische Stromschiene 23 vorhanden sind. Diese Einheit ist gleichzeitig derart hergestellt, daß auch an den Anschlußplatten bereits die entsprechenden Teile durch entsprechende Einschnitte 24 getrennt vorhanden sind, welche nach ihrem geeigneten Abbiegen aus der Ebene der Einheit die an der einzelnen Anschlußplatte 17 vorgesehenen Kühlfahnen bilden.The F i g. 7 shows in an individual representation a unit punched out of a sheet metal plate, on which two connection plates 17 and an electrical busbar 23 connecting these connection plates are present. At the same time, this unit is manufactured in such a way that the corresponding parts are already present on the connection plates, separated by corresponding incisions 24, which form the cooling lugs provided on the individual connection plate 17 after they have been suitably bent out of the plane of the unit.

Aus der F i g. 5 ist zu erkennen, daß für die schaltungsmäßige paarweise elektrische Verbindung von Halbleiterbauelementen 8 in einer dreiphasigen an die dreiphasige Generatorwicklung anzuschließenden Gleichrichterbrückenschaltung jeweils die gleichartige Einheit gemäß F i g. 7 benutzt worden ist, wobei die jeweils zwei Anschlußplatten 17 verbindende Schiene 23 auf ihrer Länge eine entsprechende Abbiegung erfährt, damit der gegenseitigen räumlichen Entfernung der miteinander elektrisch zu verbindenden Halbleiterbauelemente an der Anordnung Rechnung getragen ist. Da z. B. in dem linken Paar und in dem rechten Paar die Halbleiterelemente 8 nach der Darstellung gemäß F i g. 5 einen geringeren räumlichen Abstand haben als in dem mittleren Paar, sind die Schienen 23 zwischen diesen beiden äußeren Paaren jeweils zu entsprechenden Schleifenformen 25 ausgebogen worden.From FIG. 5 it can be seen that for the circuit-wise electrical connection of semiconductor components 8 in pairs in a three-phase rectifier bridge circuit to be connected to the three-phase generator winding, the unit of the same type according to FIG. 7 has been used, the rail 23 connecting two terminal plates 17 undergoes a corresponding bend along its length so that the mutual spatial distance of the semiconductor components to be electrically connected to one another is taken into account in the arrangement. Since z. B. in the left pair and in the right pair the semiconductor elements 8 as shown in FIG. 5 have a smaller spatial distance than in the middle pair, the rails 23 between these two outer pairs have each been bent into corresponding loop shapes 25.

Wird die elektrische Maschine mit der Stromrichteranordnung an einem Kraftfahrzeug benutzt, an welchem der Massekörper des Kraftfahrzeuges als elektrische Leitung ausgenutzt ist, so kann beispielsweise das Ringsegment 6 ohne Zwischenisolation an dem Lagerschild 1 befestigt werden, wenn die drei auf dem Ringsegment 6 angeordneten Halbleitergleichrichterelemente einer dreiphasigen Briikkenschaltung angehören, wobei diese drei Halbleiterelemente mit ihren gleichnamigen Polen an den entsprechenden Gleichstrompol der elektrischen Anlage angeschlossen sind, welcher an die Masse des Fahrzeuges angeschlossen ist.If the electrical machine with the converter arrangement is used on a motor vehicle on which the mass body of the motor vehicle is used as an electrical line, then, for example, the ring segment 6 can be attached to the bearing plate 1 without intermediate insulation if the three semiconductor rectifier elements arranged on the ring segment 6 are a three-phase Belong bridge circuit, these three semiconductor elements with their poles of the same name are connected to the corresponding direct current pole of the electrical system, which is connected to the ground of the vehicle.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dasjenige Ringsegment bzw. diejenige Gleichstromsammelschiene, welche ohne Zwischenisolation an der elektrischen Maschine angebracht ist, unmittelbar, z. B. mit dem entsprechenden Lagerschild als eine Einheit, etwa durch den zu dessen Herstellung verwendeten Gießprozeß anzufertigen.It is also within the scope of the invention that that ring segment or the direct current busbar that is connected to the electrical Machine is attached immediately, e.g. B. with the corresponding end shield as to manufacture a unit, for example by the casting process used to manufacture it.

Claims

Carrying 1st power converter arrangement of electrical semiconductor components with large panels of the pn junction for attachment to an alternator, and power supply from the alternating-current winding for supplying a rectified AC current under use of at the same time a plurality of semiconductor devices mounted on the machine Ringseginenten, d a d u rch g e k ennzeichnet that: the claims each ring segment is directly used for installation of the semiconductor elements and their inclusion in a prepared each bracket as a mounting plate, with which the stop of the individual semiconductor device package at receiving one of the semiconductor elements are clamped together.

2. Converter arrangement according to claim 1, characterized in that a special support body is provided on the ring segments for each semiconductor component. 3. converter arrangement according to claim 2, characterized in that the support body for the semiconductor element has cup or mushroom shape and is inserted with a shaft in a recess or a channel of the ring segment body so that it is with the inner surface of the mushroom roof against the face of the Ring segment applies, and has the socket for receiving the disc-shaped semiconductor element on the outer surface of the mushroom roof shape. 4. Converter arrangement according to Claims 1 to 3, characterized in that a plate-shaped connection contact is pressed against the opposite pole of the semiconductor component by means of an energy storage device. 5. Converter arrangement according to claim 4, characterized in that the clamping of the energy storage device, connection contact, semiconductor element and support body is carried out by means of a clamping bracket connected to the ring segment body. 6. Converter arrangement according to claims 1 to 5, characterized in that through the edge of the plate-shaped connection contact a socket of the semiconductor element and this with its contact points enclosing elastic ring or hollow body against the surface of the ring segment or the socket holding the semiconductor element for a preferably gastight enclosure of the semiconductor element is pressed. 7. A converter arrangement according to claim 4, characterized in that the energy storage device acting on the connection plate is a rubber plate or an elastically resilient plastic body. 8. A converter arrangement according to claim 6, characterized in that the ring or hollow body enclosing the semiconductor element and its holder is a rubber body or an elastically resilient plastic body. 9. A converter arrangement according to claim 5, characterized in that a U-shaped clamping bracket is used, the legs of which are opposite to the layering of each semiconductor element, its support body, its connection plate and its energy storage device in through channels of the ring segment, if necessary up to one provided on it Stop, introduced and attached by folding its leg ends to the ring segment body, that the layered parts are pressed against one another with the desired mechanical prestress. 10. A converter arrangement according to claim 4 or one of the following, characterized in that the plate used as a connection contact is simultaneously provided with cooling vanes. 11. Converter arrangement according to claim 1 or one of the following, characterized in that the connection plates of the same potential are connected to one another by corresponding electrical conductors or rails. 12. A converter arrangement according to claim 11, characterized in that a plurality of connection plates including the cooling tabs and electrical connecting rails are produced together as a unit, preferably cut or punched from a sheet metal. 13. Converter arrangement according to claim 1 or one of the following, characterized in that the ring segment body for the semiconductor elements made of metal and are used at the same time as electrical busbars. 14, power converter arrangement according to claim 13, characterized in that two semi-circular ring segments each carry two or three semiconductor elements of corresponding polarity of a single-phase or three-phase rectifier bridge circuit at the same time as an electric direct current busbars. 15. A converter arrangement according to claim 14, characterized in that the rectifier bridge circuit is connected to the winding of a single-phase or polyphase alternating current machine of a motor vehicle with an electrical ground line, the rectifier arrangement being carried by the end shield of the electrical machine by having one ring segment corresponding to the one on the Motor vehicle grounded or grounded DC pole without intermediate insulation and the other ring segment is attached to the end shield body via an electrical intermediate insulation. 16. A converter arrangement according to claim 15, characterized in that the ring segment for the semiconductor components which is not to be isolated from the housing of the electrical machine is produced with a housing part when it is manufactured as a unit. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1073 633, 1130 058; German utility model No. 1827 078; "Der Elektromeister", 1961, pp. 1370/1371; "The electric machine - EMA", 1961, pp. 40 to 43.