EP0639840B1 - Spannverband für einen Stromrichter - Google Patents

Spannverband für einen Stromrichter Download PDF

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EP0639840B1
EP0639840B1 EP94111123A EP94111123A EP0639840B1 EP 0639840 B1 EP0639840 B1 EP 0639840B1 EP 94111123 A EP94111123 A EP 94111123A EP 94111123 A EP94111123 A EP 94111123A EP 0639840 B1 EP0639840 B1 EP 0639840B1
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EP
European Patent Office
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conductor
winding
inductor
clamping assembly
liquid heat
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EP94111123A
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English (en)
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EP0639840A3 (de
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Manfred Zengerle
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Mercedes Benz Group AG
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ABB Patent GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F30/00—Fixed transformers not covered by group H01F19/00
    • H01F30/06—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure
    • H01F30/08—Fixed transformers not covered by group H01F19/00 characterised by the structure without magnetic core
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2876—Cooling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/327—Encapsulating or impregnating

Definitions

  • the invention relates to a clamping assembly for a converter with at least one power semiconductor, with at least one liquid heat sink and with at least one disc-shaped choke coil arranged within the clamping assembly, the mechanical force required for thermal contacting being applied via tension rods, at least one pressure plate and at least one spring element is and can be used for example in power converters for rail vehicles.
  • a tensioning assembly for a power converter is known, with at least one power semiconductor and at least one liquid cooling body, the mechanical force required for thermal contacting being applied via tensioning rods, at least one pressure plate and at least one spring element.
  • circuit elements are required in converter circuits. Their task is to protect the power semiconductors from overvoltages and overcurrents and to limit critical voltage and current steepness.
  • These wiring elements can be resistors, capacitors, choke coils or also semiconductor components.
  • choke coils are arranged in the main current path, in particular for current limitation, and thus the load current flows through them.
  • the resulting power loss is taken into account taking into account the heat flow density Surface of the inductor or, depending on the cooling concept used, either directly or via heat-spreading measures (e.g. using liquid cooling) to the ambient air.
  • a choke coil to be mounted at a spatially separate location with a spiral-shaped winding embedded in insulating material is known from DE-OS 28 54 520.
  • a tube through which a coolant can flow is also wound, which has close contact with the winding, so that the current heat generated in the winding can be dissipated to the coolant.
  • the invention has for its object to provide a tension bandage for a converter, as is known from US-A-36 68 506, in which a choke coil can be installed and in which own coolant guides for the choke coil are unnecessary.
  • At least one disk-shaped choke coil is arranged within the clamping assembly, the choke coil having a spiral-shaped winding embedded in insulating material, which consists of rectangular flat conductor which - except in the center, is continuously slotted, thereby leading conductors, return conductors and The connection between the outgoing conductor and the return conductor is formed in the center, the electrical connections of the winding penetrating the lateral surface of the choke coil and the current heat generated in the winding being released via at least one end face of the choke coil by means of thermal contacting to the at least one liquid heat sink.
  • the advantages that can be achieved with the invention consist in particular in that, due to the assembly of the choke coil within the clamping assembly, separate coolant guides for the choke coil are unnecessary.
  • the heat of electricity produced in the winding of the choke coil is dissipated via one end face or preferably over both end faces to one or two liquid heat sinks of the clamping assembly.
  • the electrical busbar connection between the power semiconductor and the choke coil can be implemented in a simple manner within the clamping assembly. By dividing the metallic electrical conductor of the winding into several parallel individual conductors, one becomes High-frequency braid modeled without adversely changing the quality of the thermal properties of the choke coil (heat transfer).
  • the choke coil 1 shows a view of the first end face of the inductor.
  • the choke coil 1 has a disc-shaped design and a spiral electrical winding made of a metallic, rectangular and edgewise wound flat conductor.
  • the winding is divided into an outgoing conductor 3 and a return conductor 4 (see also FIG. 2), with a galvanic connection 5 of both metallic conductors 3, 4 being provided in the center.
  • This configuration is implemented in a simple manner by means of a flat conductor which, except in the center, is continuously slotted, as a result of which the outgoing conductor 3, return conductor 4 and connection 5 are formed.
  • the ends of the outgoing conductor 3 or return conductor 4 are connected for the external connection to an outgoing conductor connection 6 or return conductor connection 7, both connections 6, 7 penetrating the lateral lateral surface 2 of the choke coil 1.
  • An electrically and thermally highly conductive metal in particular copper or aluminum, serves as the material for outgoing conductor 3 and return conductor 4.
  • the spiral winding 2 is surrounded by insulation material 8 - preferably cast resin - in such a way that on the one hand electrical insulation of the winding on the outer surface and between the metallic conductors of the winding is ensured, but on the other hand one or both end faces 9, 10 (see also FIG 2) the choke coil is or are free of insulation material, so that the spiral contour of the winding is visible.
  • FIG. 2 shows a view of the second end face 10 of the choke coil.
  • the inductor 1 with return conductor 4, connection 5, outgoing conductor connection 6, return conductor connection 7 and insulation material 8 can be seen.
  • FIG. 3 shows a section through a choke coil.
  • the winding with outgoing conductor 3, return conductor 4 and connection 5 can be seen in the center.
  • the winding 3, 4, 5 borders on the end faces 9, 10.
  • FIG. 4 shows a division of the metallic electrical conductors of the winding into a plurality of parallel individual conductors, using the example of the outgoing conductor 3.
  • the individual conductors 11 run parallel and are electrically insulated from one another by means of an insulation material 12, for example an electrically insulating lacquer.
  • the division of the conductors into a plurality of parallel individual conductors 11 does not hinder the heat transfer from the winding to the liquid heat sink.
  • the "skin effect" is counteracted, i.e. achieves a uniform heating of the winding without annoying "hot zones".
  • FIG. 5 schematically shows a clamping assembly with liquid heat sinks, at least one power semiconductor and at least one choke coil.
  • Three liquid heat sinks 18, 19, 20 can be seen, a choke coil 1 being arranged between the liquid heat sinks 18, 19 and a power semiconductor 17 being arranged between the liquid heat sinks 19, 20.
  • Further liquid heat sinks and components (in particular power semiconductors, choke coils) of the clamping assembly 13 can be present.
  • the hydraulic coolant connections of the liquid heat sinks are designated with numbers 21.
  • the mechanical pressure required for thermal contacting within the tensioning assembly 13 is applied via a pressure plate 14, a spring element 16 and tensioning rods 15.
  • the electrical contact is made between an electrical connection 22 of the power semiconductor 17 and the return conductor connection 7 of the choke 1 in a simple manner via a short electrical connecting web 23.
  • the winding is cast on all sides with casting resin.
  • the casting resin is mechanically removed from the end faces 9, 10 until the metallic conductors appear.
  • a choke coil 1 designed in this way requires liquid heat sinks with electrically insulating thermal contact surfaces, for example with ceramic contact surfaces.
  • a layer of insulation material 8 also remains on the end surfaces 9, 10, the layer thickness being dimensioned in accordance with the potential difference, the thermal stress and the electrical properties of the insulation material 8.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Coils Of Transformers For General Uses (AREA)

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Spannverband für einen Stromrichter mit mindestens einem Leistungshalbleiter, mit mindestens einem Flüssigkeitskühlkörper und mit mindestens einer innerhalb des Spannverbandes angeordneten scheibenförmig ausgebildeten Drosselspule, wobei die zur thermischen Kontaktierung erforderliche mechanische Kraft über Spannstäbe, mindestens eine Druckplatte und mindestens ein Federelement aufgebracht wird und kann beispielsweise bei Stromrichtern für Schienenfahrzeuge eingesetzt werden.
  • Aus der US-A 3 668 506 ist ein Spannverband für einen Stromrichter bekannt, mit mindestens einem Leistungshalbleiter und mindestens einem Flüssigkeitskühlkörper, wobei die zur thermischen Kontaktierung erforderliche mechanische Kraft über Spannstäbe, mindestens eine Druckplatte und mindestens ein Federelement aufgebracht wird.
  • In Stromrichterschaltungen werden neben den Leistungshalbleitern Beschaltungselemente benötigt. Sie haben die Aufgabe, die Leistungshalbleiter vor Überspannungen und Überströmen zu schützen sowie kritische Spannungs- und Stromsteilheiten zu begrenzen. Diese Beschaltungselemente können Widerstände, Kondensatoren, Drosselspulen oder auch Halbleiterbauelemente sein.
  • Während Widerstände, Kondensatoren und Halbleiterbauelemente in Nebenstrompfaden eingesetzt sind, werden Drosselspulen insbesondere zur Strombegrenzung im Hauptstrompfad angeordnet und somit vom Laststrom durchflossen. Die hierbei entstehende Verlustleistung wird unter Berücksichtigung der Wärmestromdichte an der Oberfläche der Drosselspule oder je nach verwendetem Kühlkonzept entweder direkt oder über wärmespreizende Maßnahmen (beispielsweise unter Einsatz von Flüssigkeitskühlung) an die Umgebungsluft abgeführt.
  • Allgemein bekannte Anwendungen von Leistungs-Drosselspulen gehen davon aus, daß die Drosselspulen an räumlich getrennter Stelle von den schaltungsmäßig zugeordneten Leistungshalbleitern montiert werden. Dies hat teilweise aufwendige elektrische Verschienungen und Kühlmittelführungen zwischen Drosselspule und Leistungshalbleitern zur Folge.
  • Eine an räumlich getrennter Stelle zu montierende Drosselspule mit spiralförmiger, in Isoliermaterial eingebetteter Wicklung ist aus der DE-OS 28 54 520 bekannt. Bei dieser Wicklung ist ein von einem Kühlmittel durchströmbares Rohr mitgewickelt, das mit der Wicklung engen Kontakt hat, so daß die in der Wicklung entstehende Stromwärme an das Kühlmittel abgeführt werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Spannverband für einen Stromrichter anzugeben, wie bekannt aus der US-A-36 68 506, in dem eine Drosselspule einbaubar ist und bei dem eigene Kühlmittelführungen für die Drosselspule entbehrlich sind.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine scheibenförmig ausgebildete Drosselspule innerhalb des Spannverbandes angeordnet ist, wobei die Drosselspule eine spiralförmige, in Isoliermaterial eingebettete Wicklung aufweist, die aus rechteckförmigem Flachleiter besteht, der - ausgenommen im Zentrumdurchgehend geschlitzt ist, wodurch Hinleiter, Rückleiter und Verbindung zwischen Hinleiter und Rückleiter im Zentrum gebildet werden, wobei die elektrischen Anschlüsse der Wicklung die seitliche Mantelfläche der Drosselspule durchstoßen und wobei über mindestens eine Stirnfläche der Drosselspule die in der Wicklung entstehende Stromwärme mittels thermischer Kontaktierung an den mindestens einen Flüssigkeitskühlkörper abgegeben wird.
  • Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß infolge der Montage der Drosselspule innerhalb des Spannverbandes eigene Kühlmittelführungen für die Drosselspule entbehrlich sind. Die in der Wicklung der Drosselspule produzierte Stromwärme wird über eine Stirnfläche bzw. vorzugsweise über beide Stirnflächen an einen bzw. zwei Flüssigkeitskühlkörper des Spannverbandes abgegeben. Die elektrische Verschienung zwischen Leistungshalbleiter und Drosselspule ist in einfacher Weise innerhalb des Spannverbandes realisierbar. Durch die Aufteilung der metallischen elektrischen Leiter der Wicklung in mehrere parallele Einzelleiter wird eine Hochfrequenzlitze nachgebildet, ohne die Qualität der thermischen Eigenschaften der Drosselspule (Wärmeübertragung) nachteilig zu verändern.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Sicht auf die erste Stirnfläche der Drosselspule,
    Figur 2
    eine Sicht auf die zweite Stirnfläche der Drosselspule,
    Figur 3
    einen Schnitt durch eine Drosselspule,
    Figur 4
    eine Aufteilung der metallischen elektrischen Leiter der Wicklung in mehrere parallele Einzelleiter,
    Fig. 5
    einen Spannverband mit Flüssigkeitskühlkörpern, mindestens einem Leistungshalbleiter und mindestens einer Drosselspule.
  • In Figur 1 ist eine Sicht auf die erste Stirnfläche der Drosselspule dargestellt. Wie angedeutet ist, weist die Drosselspule 1 eine scheibenförmige Ausbildung und eine spiralförmige elektrische Wicklung aus einem metallischen, rechteckförmigen und hochkant gewickelten Flachleiter auf. Die Wicklung gliedert sich in einen Hinleiter 3 und einen Rückleiter 4 (siehe auch Figur 2) auf, wobei eine galvanische Verbindung 5 beider metallischer Leiter 3, 4 im Zentrum vorgesehen ist. Diese Konfiguration wird in einfacher Weise durch einen Flachleiter realisiert, der - ausgenommen im Zentrum - durchgehend geschlitzt ist, wodurch Hinleiter 3, Rückleiter 4 und Verbindung 5 gebildet werden. Die Enden des Hinleiters 3 bzw. Rückleiters 4 sind für den externen Anschluß mit einem Hinleiter-Anschluß 6 bzw. Rückleiter-Anschluß 7 verbunden, wobei beide Anschlüsse 6, 7 die seitliche Mantelfläche 2 der Drosselspule 1 durchstoßen. Als Material für Hinleiter 3 und Rückleiter 4 dienen ein elektrisch und thermisch sehr gut leitfähiges Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium. Die spiralförmige Wicklung 2 ist derart von Isolationsmaterial 8 - vorzugsweise Gießharz - umgeben, daß einerseits eine elektrische Isolation der Wicklung an der Mantelfläche und zwischen den metallischen Leitern der Wicklung gewährleistet ist, daß jedoch andererseits eine bzw. beide Stirnflächen 9, 10 (siehe auch Figur 2) der Drosselspule frei von Isolationsmaterial ist bzw. sind, so daß die spiralförmige Kontur der Wicklung sichtbar ist.
  • In Figur 2 ist eine Sicht auf die zweite Stirnfläche 10 der Drosselspule gezeigt. Es ist die Drosselspule 1 mit Rückleiter 4, Verbindung 5, Hinleiter-Anschluß 6, Rückleiter-Anschluß 7 und Isolationsmaterial 8 zu erkennen.
  • In Figur 3 ist ein Schnitt durch eine Drosselspule dargestellt. Es ist die Wicklung mit Hinleiter 3, Rückleiter 4 und Verbindung 5 im Zentrum zu erkennen. Zwischen den Leitern sowie zur seitlichen Mantelfläche der Drosselspule 1 hin befindet sich Isolationsmaterial 8. Wie zu erkennen ist, grenzt die Wicklung 3, 4, 5 an die Stirnflächen 9, 10.
  • In Figur 4 ist eine Aufteilung der metallischen elektrischen Leiter der Wicklung in mehrere parallele Einzelleiter gezeigt, und zwar am Beispiel des Hinleiters 3. Die Einzelleiter 11 verlaufen parallel und sind mittels eines Isolationsmaterials 12 - beispielsweise eines elektrisch isolierenden Lacks - elektrisch voneinander isoliert. Durch die Aufteilung der Leiter in mehrere parallele Einzelleiter 11 wird die Wärmeübertragung von der Wicklung zum Flüssigkeitskühlkörper nicht behindert. Gleichzeitig wird dem "Skineffekt" entgegengewirkt, d.h. eine gleichmäßige Erwärmung der Wicklung ohne störende "heiße Zonen" erzielt.
  • In Figur 5 ist ein Spannverband mit Flüssigkeitskühlkörpern, mindestens einem Leistungshalbleiter und mindestens einer Drosselspule schematisch dargestellt. Es sind drei Flüssigkeitskühlkörper 18, 19, 20 zu erkennen, wobei zwischen den Flüssigkeitskühlkörpern 18, 19 eine Drosselspule 1 und zwischen den Flüssigkeitskühlkörpern 19, 20 ein Leistungshalbleiter 17 angeordnet ist. Weitere Flüssigkeitskühlkörper und Bauelemente (insbesondere Leistungshalbleiter, Drosselspulen) des Spannverbandes 13 können vorhanden sein. Die hydraulischen Kühlmittelanschlüsse der Flüssigkeitskühlkörper sind mit Ziffern 21 bezeichnet. Der zur thermischen Kontaktierung innerhalb des Spannverbandes 13 notwendige mechanische Druck wird über eine Druckplatte 14, ein Federelement 16 und Spannstäbe 15 aufgebracht. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, erfolgt die elektrische Kontaktierung zwischen einem elektrischen Anschluß 22 des Leistungshalbleiters 17 und dem Rückleiter-Anschluß 7 der Drossel 1 in einfacher Weise über einen kurzen elektrischen Verbindungssteg 23.
  • Zur Herstellung der Drosselspule wird die Wicklung in einem ersten Schritt allseitig mit Gießharz vergossen. In einem zweiten Schritt erfolgt die mechanische Abtragung des Gießharzes an den Stirnflächen 9, 10, bis die metallischen Leiter zum Vorschein kommen. Eine derart ausgebildete Drosselspule 1 setzt Flüssigkeitskühlkörper mit elektrisch isolierenden thermischen Kontaktflächen voraus, beispielsweise mit keramischen Kontaktflächen. Werden jedoch Flüssigkeitskühlkörper mit elektrisch leitenden thermischen Kontaktflächen verwendet, verbleibt eine Schicht aus Isolationsmaterial 8 auch auf den Stirnflächen 9, 10, wobei die Schichtstärke entsprechend der Potentialdifferenz, der thermischen Beanspruchung und den elektrischen Eigenschaften des Isolationsmaterials 8 zu bemessen ist.

Claims (3)

  1. Spannverband für einen Stromrichter mit mindestens einem Leistungshalbleiter (17), mit mindestens einem Flüssigkeitskühlkörper (18,19) und mit mindestens einer innerhalb des Spannverbandes angeordneten scheibenförmig ausgebildeten Drosselspule (1), wobei die zur thermischen Kontaktierung erforderliche mechanische Kraft über Spannstäbe (15), mindestens eine Druckplatte (14) und mindestens ein Federelement (16) aufgebracht wird, wobei die Drosselspule (1) eine spiralförmige, in Isoliermaterial eingebettete Wicklung aufweist, die aus rechteckförmigem Flachleiter besteht, der - ausgenommen im Zentrum - durchgehend geschlitzt ist, wodurch Hinleiter (3), Rückleiter (4) und Verbindung (5) zwischen Hinleiter und Rückleiter im Zentrum gebildet werden, wobei die elektrischen Anschlüsse (6,7) der Wicklung die seitliche Mantelfläche (2) der Drosselspule (1) durchstoßen und wobei über mindestens eine Stirnfläche (9,10) der Drosselspule (1) die in der Wicklung (3,4,5) entstehende Stromwärme mittels thermischer Kontaktierung an den mindestens einen Flüssigkeitskühlkörper (18,19) abgegeben wird.
  2. Spannverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Stirnfläche (9,10) der Drosselspule (1) derart frei von Isoliermaterial ist, daß der metallische elektrische Leiter (3,4) der Wicklung direkten thermischen Kontakt zu dem mindestens einen Flüssigkeitskühlkörper (18,19) hat.
  3. Spannverband nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachbildung einer Hochfrequenzlitze der metallische elektrische Leiter (3,4) der Wicklung in mehrere parallele Einzelleiter (11) aufgeteilt ist, die jeweils durch Isolationsmaterial (12) voneinander getrennt sind.
EP94111123A 1993-07-22 1994-07-18 Spannverband für einen Stromrichter Expired - Lifetime EP0639840B1 (de)

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DE19934324634 DE4324634A1 (de) 1993-07-22 1993-07-22 Drosselspule mit spiralförmiger, in Isoliermaterial eingebetteter Wicklung
DE19944404079 DE4404079A1 (de) 1994-02-09 1994-02-09 Elektrische Überstromsicherung für ein elektrisches Bauelement
DE4404079 1994-02-09

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EP0639840A3 EP0639840A3 (de) 1995-03-15
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