DE1211322B

DE1211322B - Arrangement for the mechanical relief of semiconductor rectifier elements of normal design for dormant operation when installed in rotating support bodies of electrical machines

Info

Publication number: DE1211322B
Application number: DEA49219A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Wilfried Merhof
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1965-04-01
Filing date: 1965-05-14
Publication date: 1966-02-24
Also published as: CH420361A

Description

Anordnung zur mechanischen Entlastung von Halbleitergleichrichterelementen normaler Bauart für ruhenden Betrieb bei Einbau in umlaufende Trâgerkôrper elektrischer Maschinen Bei Synchronmaschinen werden für die Erregung auf der Polradwelle aufgebaute mitrotierende Gleichrichter verwendet.Arrangement for the mechanical relief of semiconductor rectifier elements normal design for stationary operation when installed in rotating electrical support bodies Machines With synchronous machines, the excitation is built on the pole wheel shaft co-rotating rectifier used.

Die Halbleiterelemente, in der Mehrzahl Silizium-HaIbleiter, sind in bekannter Weise zusammen mit den zugehôrigen Kühlkôrpern an auf der Rotorwelle oder einem mit dieser fest verbundenen besonderen Wellenteil aufgeschrumpften ringfôrmigen Trâgerkôrpern befestigt. Die Anzahl der zu montierenden Halbleiter richtet sich nach Erregerstrom und -spannung der Feldwicklung und nach Schaltungsart und Typengrôl3e der gewâhlten Gleichrichterelemente. So kann z. B. bei grol3en Turbogeneratoren die Feldleistung und damit auch die Anzahl benôtigter Si-Halbleiter betrâchtlich sein. Um ein Minimum an axialer Baulânge zu erreichen, ist man gezwungen, Halbleiter und zugehôrige Kühler auf grôl3tmôglichen Umfangkreisen anzuordnen. Eine obere Grenze ist gegeben durch die Festigkeit des Materials der ringfôrmigen Trügerkôrper. Hierbei ist jedoch das Halbleiterelement sehr groBen Beschleunigungskrâften unterworfen, so da13 neben der elektrischen Eignung sowohl der mechanische Aufbau wie auch mechanische Festigkeit des Halbleitergehâuses die Verwendungsmôglichkeit entscheidend beeinflussen.The semiconductor elements, mostly silicon semiconductors, are in a known manner together with the associated cooling bodies on the rotor shaft or a special shaft part which is firmly connected to it and which is shrunk-on in the form of an annular ring Support bodies attached. The number of semiconductors to be assembled depends according to the excitation current and voltage of the field winding and according to the type of circuit and type size of the selected rectifier elements. So z. B. with large turbo generators the field power and thus also the number of Si semiconductors required is considerable be. In order to achieve a minimum of axial length, one is forced to use semiconductors and to arrange associated coolers on the largest possible circumference. An upper limit is given by the strength of the material of the annular support bodies. Here however, the semiconductor element is subject to very high acceleration forces, so that, in addition to electrical suitability, both the mechanical structure and the mechanical structure Strength of the semiconductor package decisively influence the possibility of use.

Die Mehrzahl der zur Zeit serienmâBig hergestellten Halbleiterelemente wurde nur für ruhenden Betrieb entwickelt und findet auch entsprechende Verwendung. Eine Eignung für Betrieb bei hoher konstanter Beschleunigung ist primâr nicht gegeben, sondern allenfalls zufâllig. Wâhrend der Siliziumkristall ohne weiteres betrâchtliche Fliehkrâfte als normal gerichtete Druckkrâfte aufzunehmen in der Lage ist, muB die gasdichte Lôt- oder Schmelzverbindung der- beiden metallischen Pole mit dem dazwischenliegenden Isolierkôrper aus Keramik oder Glas als besonders kritisch angesehen werden.The majority of the currently mass-produced semiconductor elements was only developed for idle operation and is also used accordingly. A suitability for operation at high constant acceleration is primarily not given, but at most by chance. While the silicon crystal is easily considerable Centrifugal forces as normally directed compressive forces is able to absorb, the Gas-tight solder or fuse connection of the two metallic poles with the one in between Insulating bodies made of ceramic or glass are viewed as particularly critical.

Grundsâtzlich ist die Entwicklung eines génügend beschleunigungsfesten Gehâuses- denkbar und môglich. Bei nur geringem Bedarf an Halbleitern für rotierende HL-Gleichrichter werden aber Spezialausführungen teuer und unwirtschaftlich. Hinzu kommt, da13 von einer bestimmten Anzahl fabrizierter Elemente nur ein geringer Prozentsatz mit der verlangten Spannung anfallt, wobei von diesen noch hinsichtlich gewisser Eigenschaften Auswahhnôglichkeiten bestehen sollen.Basically, the development of a vehicle that is sufficiently resistant to acceleration Housing conceivable and possible. With only a small need for semiconductors for rotating HL rectifiers, however, special designs are expensive and uneconomical. In addition This is because of a certain number of fabricated elements only a small percentage with the required voltage, whereby of these still with regard to certain There should be a choice of properties.

Die Erfindung geht von dem Gedanken ans, die Halbleiterelemente mechanisch so von âul3eren Druckkrâften zu entlasten, da13 sie ohne zusâtzliches Risiko in rotierenden Halbleitergleichrichtern verwendet werden kônnen. Man kann dabei HaIbleiterelemente gebrauchen, wie sie normal im Handel für ruhenden Einbau erhâltlich sind.The invention is based on the idea that the semiconductor elements mechanically so relieved of external pressure forces that they can be relieved without additional risk rotating semiconductor rectifiers can be used. You can use semiconductor elements as they are normally available in stores for static installation.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur mechanischen Entlastung von HaIbleitergleichrichterelementen, welçhe einen Sockel sowie einen AnschluB-stutzen aufweisen und auf der Welle einer elektrischen Maschine mitrotieren und dabei in einem ringfôrmigen Trâgerkôrper auf der Welle so gehalten sind, da13 die wirksamén Fliehkrâfte senkrecht auf die -Gleichrichterschichten als Druckkrâfte wirken.The invention relates to an arrangement for mechanical relief of semiconductor rectifier elements, which have a base and a connecting piece have and rotate on the shaft of an electrical machine and thereby in a ring-shaped support body are held on the shaft so that the effective Centrifugal forces perpendicular to the rectifier layers act as compressive forces.

Die Erfindung besteht darin, da13 das HaIbleitergleichrichterelement in einem rohrfôrmigen isolierenden Stützkôrper angeordnet ist und dieses mittel-oder unmittelbar mit der einen Stirnseite auf dem Sockel des Halbleitergleichrichterelementes. "abgestützt ist und auf der anderen Stirnseite eine zentrische Abstützkappe aufgesetzt ist, welche mit dem Anschlul3stutzen mechanisch fest verbindbar ist.The invention consists in that the semiconductor rectifier element is arranged in a tubular insulating support body and this means or directly with one end face on the base of the semiconductor rectifier element. "is supported and a central support cap is placed on the other end face which can be mechanically firmly connected to the connecting piece.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen erlâutert.The invention is explained on the basis of exemplary embodiments.

F i g. 1 zeigt die Anordnung an einem Gleichrichterelement; F i g. 2 und 3 zeigen zentrische Abstützungen; F i g. 4 zeigt ein zusâtzliches Bauteil mit Kühlfahnen. In der F i g. 1 ist 1 ein HaIbleitergleichrichterele- ment. Dieses ist mit dem sechskantigen Sockel3 und dem AnschluBstutzen 5 versehen. Mit dem Gewinde- bolzen 3 a wird das Gleichrichterelement auf der Innenwand eines ringfürmigen Trügerkôrpers, der auf der Welle der elektrischen Maschine mitrotiert, éin- geschraubt. Die Achse des Elementes liegt radial, und die Fliehkrüfte wirken als Druckkrüfte senkrecht auf die Gleichrichterschichten ein. Zur mechanischen Entlastung des HaIbleiterele- mentes ist der zentrisch angeordnete rohrfürmige Stützkürper 2 vorgesehen. Dieser ist mit der einen Stirnflüche 2 a auf dem sechskantigen Sockel abge- stützt. Auf der anderen Stirnseite 2 b ist zentrisch die Abstützkappe 4 aufgesetzt. Diese ist mit dem An- schluBstutzen 5 des Halbleiterelementes mechanisch fest verbunden. Im Anschlul3stutzen ist die Anschlul3- litze 6 eingeprel3t.- Der rohrfürmige Stützkürper ist der Foret des Gleichrichtergehüuses angepal3t. Als Material eignet sich Hartkeramik oder ein glasfaserverstürktes Kunst- harz. Bei der Montage wird der Stützkürper von der Seite des Anschlul3stutzens liber das Gehüuse ge- schoben. Darauf wird liber den AnschluBstutzen 5 die zentrische Abstützkappe 4 aufgeschoben. Diese wird satt unter Andruck âuf die Stirnseitë 2 b aufgesetzt. In diesem angedrückten Zustand wird die Abstützung mechanisch kraftschlüssig mit dem Anschlul3stutzen verbunden. Zur Sicherung der erforderlichen Unver- rückbarkeit ist das Anbringen von Schweil3punkten zweckmüBig. Bei Rotation des Tragkürpers und der Halbleitexelemente werden die Zentrifugalkrüfte des Anschlul3bolzens und Teile der dort eingesetzten AnschluBlitze 6 liber die Abstützkappe 4 und den Stützkôrper2 direkt auf den Sockel3 übertragen. Dadurch wird das eigentliche Halbleitergehâuse mechanisch weitgehend entlastet. Die Abstütz- kappe kann in verschiedener Weise -hergestellt sein. Die Ausführung F i g. 2 zeigt eine geprel3te Kappe mit der Auflageflüche 4 c und dem Zy- linderteil 4 b. Die Rippen 4 a dienen zur mechani- schen Verstârkung. Durch KaltpreBverformung wird der Zylinderteil 4 b kraftschlüssig mit dem Anschlul3- stutzen 5 verbunden. An Stelle einer durchgehenden ebenen Schëibe 4 c kann diese auf ihrem inneren Teil kegelfë)rmig sein, so da13 auf die Versteifungen ver- zichtet werden kann. In der Ausführung nach F i g. 3 erfolgt das Fest- klemmen durch den prismenfürmigen Teil 4 g unter Verwendung einer Klemmenverschraubung 4 h. In F i g.1 sind an den Stirnseiten 2 a und 2 b je- weils Zwischenlagen eingezeichnet. Diese besteherf aus metallischen Ringen, z. B. Kupfer, und bewirken eine Vergleichmül3igung des Auflagedruckes bei nicht gant ebenen Sthnflüchen 2 a und 2 b bei An- wendung von Keramik for den Stützkürper. Auch würmeisolierende Zwischenlagen kommen zur An- wendung; um eine erwârmungsbedingte Festigkeits- verminderung des Isolierkürpermaterials zu vermei- den. Es künnen auch metallische Ringe mit Kühl- fahnen gemüB F i g. 4 verwendet werden. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daI3 es gelingt, Halbleitergleichrichtexelemente normaler Bauart und for ruhenden Betrieb auch dort zu ver- wenden, wo sehr hohe Beschleunigungskrüfte, z. B. Zentrifugalkrâfte, in Achsrichtung nach dem Sockel hin auftreten. F i g. 1 shows the arrangement on a rectifier element; F i g. 2 and 3 show central supports; F i g. 4 shows an additional component with cooling tabs. In FIG. 1 is 1 a semiconductor rectifier element ment. This is with the hexagonal socket3 and the connection piece 5. With the thread bolt 3 a is the rectifier element on the Inner wall of a ring-shaped trumpet, which on rotates with the shaft of the electric machine, screwed. The axis of the element is radial, and the centrifugal forces act vertically as compressive forces the rectifier layers. For mechanical relief of the semiconductor element Mentes is the centrally arranged tubular one Support body 2 is provided. This one is with the one Face 2 a on the hexagonal base supports. On the other end face 2 b is the centric Support cap 4 put on. This is with the arrival connecting piece 5 of the semiconductor element mechanically firmly connected. In the connection piece is the connection strand 6 prel3ted. The tubular support body is the foret des Rectifier housing adapted. Suitable as a material hard ceramic or a glass fiber reinforced synthetic resin. During assembly, the support body is supported by the Side of the connecting piece over the housing pushed. Then over the connection piece 5 the centric support cap 4 pushed on. This will fully placed under pressure on the front face 2 b. In this pressed-on state, the support mechanically non-positive with the connecting piece tied together. To ensure the necessary incompatibility retractability is the creation of welding points expedient. With rotation of the supporting body and the Semiconductorx elements are the centrifugal forces of the Connection bolt and parts of the used there Connection flashes 6 over the support cap 4 and the Transfer support body 2 directly to base 3. This becomes the actual semiconductor package mechanically largely relieved. The support cap can be made in different ways be. The execution F i g. 2 shows a tested Cap with the contact surface 4 c and the cylinder relief part 4 b. The ribs 4 a are used for mechanical mechanical reinforcement. By cold stamping the cylinder part 4 b frictionally with the connection nozzle 5 connected. Instead of a continuous flat washer 4 c can do this on its inner part be conical, so that the stiffeners can be waived. In the embodiment according to FIG. 3 takes place clamp through the prism-shaped part 4 g under Use of a screw terminal for 4 hours. In Fig. 1, on the end faces 2 a and 2 b each because intermediate layers are drawn. These exist made of metallic rings, e.g. B. Copper, and cause a comparative reduction of the print run not perfectly flat standing areas 2 a and 2 b when approaching application of ceramics for the support body. Even heat-insulating intermediate layers are used turn; in order to achieve a temperature-related strength reduction of the insulating body material to avoid the. Metallic rings with cooling flags according to F i g. 4 can be used. The advantage of the invention is that it succeeds in semiconductor rectification elements more normal Design and for dormant operation also available there turn where very high acceleration forces, e.g. B. Centrifugal forces, in the axial direction after the base to occur.

Claims

Patent claims: 1. Arrangement for mechanical relief - Of: -semiconductor rectifier elements, which a base and a connecting piece. point and on the wave of an electric Rotate the machine while doing so in a ring shaped body on the shaft so held are, that the effective centrifugal forces are perpendicular on the rectifier layers as compressive forces works; characterized by daI3 the rectifier element (1) in a pipe-shaped against the support body (2) is arranged and this with- central or direct with one end face (2 a) on the base (3) of the semiconductor rectifier element is supported and on the other Front side (2b) a central support cap (4) is attached, which with the connecting piece - (5) can be firmly connected mechanically. 2. Arrangement according to claim 1, characterized indicates that the support body (2) is made of hard ceramic or glass fiber reinforced Resin is made. 3. Arrangement according to claim 1, characterized indicates that the support cap is covered by cold pre-deformation with the connecting piece is bound. 4. Arrangement according to claim 1, characterized in that indicates “daI3” the support cap Compression fitting with the connecting piece connected is. 5. Arrangement according to claim 1, characterized in that indicates that on the front sides of the insulating body metallic and / or heat-insulating Intermediate layers arranged boiled. .6. Arrangement according to claim 1, characterized identifies that on the front sides of the insulating metallic rings with cooling lugs attached to the body. arranges it.