EP0773562A2 - Strombegrenzer - Google Patents

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EP0773562A2
EP0773562A2 EP96810736A EP96810736A EP0773562A2 EP 0773562 A2 EP0773562 A2 EP 0773562A2 EP 96810736 A EP96810736 A EP 96810736A EP 96810736 A EP96810736 A EP 96810736A EP 0773562 A2 EP0773562 A2 EP 0773562A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
current limiter
resistance
limiter according
branches
tracks
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP96810736A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0773562A3 (de
Inventor
Tudor Dr. Baiatu
Peter Etter
Reinhard Fried
Hans-Jürgen Dr. Wiesmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alstom Transportation Germany GmbH
Original Assignee
ABB Research Ltd Switzerland
ABB Research Ltd Sweden
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ABB Research Ltd Switzerland, ABB Research Ltd Sweden filed Critical ABB Research Ltd Switzerland
Publication of EP0773562A2 publication Critical patent/EP0773562A2/de
Publication of EP0773562A3 publication Critical patent/EP0773562A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C7/00—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material
    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/12—Overvoltage protection resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01C—RESISTORS
    • H01C1/00—Details
    • H01C1/08—Cooling, heating or ventilating arrangements

Definitions

  • the invention is based on a current limiter according to the preamble of patent claim 1.
  • the invention relates to a prior art, as is known from CH-PS 581 377.
  • a resistor or a PTC thermistor component is specified there, in which 3 PTC thermistors of different dimensions made of sintered bodies can be connected in parallel to one another, which respond one after the other in the event of a short-circuit current.
  • a fixed resistor and a switch can also be connected in parallel with these PTC thermistors.
  • Such current limiters are able to reversibly limit short-circuit currents to values below the destruction limit of the active components, for. B. from converters.
  • the PTC thermistor heats up above its response temperature and limits the short-circuit current to values that are harmless to the circuit. The thermal destruction of the PTC thermistor is prevented by the commutation of the short-circuit current on the parallel resistor.
  • EP 0 548 606 A2 from which a current limiter is known which has a varistor in parallel with a PTC thermistor, which can be combined with the PTC thermistor to form a component.
  • winding designs for low inductance resistors are known, e.g. B. the bifilar winding, the chaperone winding and the meandering shape.
  • the invention solves the problem of further developing a current limiter of the type mentioned at the outset in such a way that it has a lower inductance.
  • An advantage of the invention is that protective devices operated with these PTC thermistors work reversibly, respond without arcing, and can be used in a low-inductance and space-saving manner.
  • the protective circuits are low-loss, vibration-proof and can be integrated into an existing cooling circuit; they respond autonomously and enable flexible application. The reliability of the protection system is not affected by additional electronic assemblies and components.
  • liquid cooling can be dispensed with.
  • PTC resistors or PTC thermistors 1, 2), which are mutually electrically insulated and a small distance (a) in the range from 0.01 mm to 1 mm, preferably in the range from 0 , 01 mm - 0.8 mm, cf. Fig. 6, with common end electrical connections (A, B), cf. also Fig. 5.
  • Organic or inorganic insulation layers can be used for the electrical isolation of the PTC thermistors (1, 2). With one-sided cooling (not shown), the insulation layer should additionally have a thermal conductivity.
  • Such an insulation layer can, for example, a film based on thermoset, thermoplastic or elastomer, filled with inorganic, thermally conductive particles such. B. from AlN, Al 2 O 3 or BN.
  • the PTC thermistor (1) with electrical connections (A ', B') and meanders (1a - 1d) is shown in dashed lines in FIG. 2 and the PTC thermistor (2) with electrical connections (A ", B") and meanders ( 2a - 2d) drawn in FIG. 3.
  • the two electrical connections (A ') and (A ") form the common connection (A) and the two electrical connections (B') and (B") the common connection (B) .
  • the two PTC thermistors (1, 2) of the same shape are arranged at a distance (a) one above the other in mirror image.
  • the PTC thermistors (1, 2) consist of a structured film or a layer of a preferably ferromagnetic metal or a metal alloy produced by means of a chemical or electrochemical process. Materials based on nickel, iron or cobalt and their alloys are particularly suitable. The particularly high positive temperature coefficient of the specific resistance compared to nonferromagnetic pure metals Materials has a non-linear behavior that is favorable for the application with a maximum in the range of the Curie temperature. In principle, however, nonferromagnetic metals, such as beryllium or ruthenium, with a temperature coefficient of resistance of> 4 ⁇ 10 -3 K -1 can also be used.
  • Typical cross-sectional area values for a circuit according to FIG. 1 are in the range from 0.1 mm 2 to 5 mm 2 , preferably in the range from 0.5 mm 2 to 1.5 mm 2 .
  • the cold resistance values at room temperature are in the range of a few 10 m ⁇ - 100 m ⁇ .
  • An advantage of this arrangement according to FIG. 1 is the relatively low voltage load on the intermediate insulation layer, which in nominal operation is only a few volts and, in the event of a short circuit, is briefly loaded with the intermediate circuit voltage of a DC voltage intermediate circuit of a converter (not shown).
  • a total current (I) indicated by an arrow in FIG. 1 in the PTC thermistors (1, 2) is divided into 2 partial currents (I1, I2) of equal size, which are in the meanders (1a - 1d) and (2a - 2d) one above the other ) flow in the opposite direction, so that these PTC thermistors (1, 2) connected in parallel have a particularly low self-inductance.
  • the partial currents (I1, I2) are uncompensated only in the upper and lower inlet and outlet areas and in the left and right edge areas (41, 4r) of a current limiter (4) according to FIG. 1, so that a low inductance of the PTC thermistors (1, 2) results.
  • a compensation resistor (3) made of a non-linear PTC resistance material or of a metallic conductor material, such as, for example, is added to the two PTC thermistors (1, 2) connected in parallel.
  • Fig. 4 shows the geometric structuring of this compensation resistor (3) with left and right compensation branches (3l, 3r) and upper and lower current guides, which have the same shape as the uncompensated edge areas (4l, 4r) of the current limiter (4) and upper and lower resistance tracks of the PTC thermistor (1, 2).
  • This compensation resistor (3) is arranged at a short distance from the PTC thermistor (2), cf. 7, wherein an electrical connection (B) is electrically connected to the connection (B) of the current limiter (4) according to FIG. 1 and an end connection (C) is arranged above the connection (A).
  • This current limiter circuit according to FIG. 5 has a self-inductance which is lower by a factor of 7-8 than the current limiter (4) according to FIG. 1.
  • FIG. 8 shows a 4-fold stratification of conductors with anti-parallel current flow, in which, in addition to the PTC thermistors (1, 2) according to FIG. 1, another pair of PTC thermistors (1 ', 2') of the same structure are arranged one above the other and electrically connected to the PTC thermistors ( 1, 2) are connected in parallel.
  • This arrangement according to FIG. 8 has a halving of the self-inductance compared to the arrangement according to FIGS. 1 and 6.
  • the heat sink (9) consists of an electrically insulating, thermally conductive ceramic and has a cooling channel (10) inside for circulating cooling, which contains a cooling fluid, preferably water, as the coolant.
  • This casting compound (12) establishes the necessary thermal contact of the PTC thermistor (1, 2, 1 ', 2') with the heat sink (9).
  • the casting compound (12) simultaneously electrically isolates the different layers of the conductor tracks.
  • the potting compound (12) advantageously consists of a thermoset, thermoplastic and / or elastomeric polymer matrix, which with inorganic, thermally conductive particles such as. B. AlN, Al 2 O 3 is filled. A high degree of filling can be achieved by using bimodally distributed particles (with at least 2 frequency maxima of the particle size).
  • the conductor tracks are located on the two end faces of the heat sink (9).
  • the conductor tracks can be prelaminated beforehand for potting with a thermoplastic or elastomeric bond.
  • Fig. 14 shows schematically a current limiter with PTC thermistors (21, 22), which have meanders (21a - 21d) or (22a - 22d) and in the superimposed arrangement correspond to the PTC thermistors (1, 2) according to Fig. 1, in cross section .
  • PTC thermistors (21, 22) consist of a highly porous foam of a preferably ferromagnetic metal or a metal alloy; they are mutually electrically insulated by an electrical insulation film or a resistance carrier (15) with a thickness (a) and are held in a closed cooling container (13), which can have cooling fins (14).
  • This cooling container (13) is filled with an electrically non-conductive liquid, e.g. B. filled with deionized water, which ensures sufficient cooling of the PTC thermistor (21, 22) without forced circulation.
  • Fig. 15 shows PTC thermistors (21, 22) made of a metal braid or mesh or foam, which are so porous and have such a large surface area that blown air cooling is sufficient to keep the PTC thermistors (21, 22) at suitable operating temperatures.
  • the meanders or resistance tracks (21a - 21c) of the PTC thermistor (21) are connected by electrical contact bridges (23, 23 ') and meanders or resistance tracks (22a - 22c) of the PTC thermistor (22) by electrical contact bridges (24, 24') .
  • Two-layer conductor tracks (21, 22) formed in this way can be designed to save space in several layers.

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  • Electromagnetism (AREA)
  • Thermistors And Varistors (AREA)
  • Emergency Protection Circuit Devices (AREA)

Abstract

Strombegrenzer, vorzugsweise aus Kaltleitern (21, 22), werden zur Kurzschlußstrombegrenzung in Reihenschaltung zu Kondensatoren und Stromrichterventilen eingesetzt. Mit diesen Kaltleitern (21, 22) betriebene Schutzeinrichtungen können reversibel arbeiten und lichtbogenfrei ansprechen. Sie sind niederinduktiv und raumsparend einsetzbar. Schutzschaltungen mit derartigen Kaltleitern (21, 22) sind verlustarm, rüttelfest und in einen bestehenden Kühlkreislauf integrierbar; sie sprechen autonom an und ermöglichen eine flexible Applikation. Die Kaltleiter (21, 22) sind vorzugsweise mäanderförmig aus porösem Metallschaum oder aus einem Metallgeflecht oder -gewebe ausgeführt und weisen elektrische Kontaktbrücken (23, 23'; 24, 24') zwischen ihren Widerstandsbahnen (21a - 21c; 22a - 22c) auf. Mindestens 2 elektrisch parallelgeschaltete Widerstandsbahnen sind in geringem Abstand übereinander derart angeordnet, daß Teilströme (I1, I2) durch so gebildete Widerstandszweige in übereinanderliegenden Bahnbereichen in zueinander entgegengesetzten Richtungen fließen. Die Widerstandsbahnen können auch in Nuten eines Kühlkörpers angeordnet sein oder kreisförmige Gestalt aufweisen. In einer Reihenschaltung zu mäanderförmigen, parallelgeschalteten Widerstandsbahnen kann ein Kompensationswiderstand zur Kompensation von unkompensierten Randbereichen dieser Widerstandsbahnen vorgesehen sein. <IMAGE>

Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Strombegrenzer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
    • STAND DER TECHNIK
  • Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der CH-PS 581 377 bekannt ist. Dort wird ein Widerstand bzw. ein Kaltleiter-Bauelement angegeben, bei dem 3 verschieden dimensionierte Kaltleiter aus Sinterkörpern zueinander parallelgeschaltet sein können, welche bei einem Kurzschlußstrom zeitlich nacheinander ansprechen. Zu diesen Kaltleitern kann noch ein Festwiderstand und ein Schalter parallelgeschaltet sein. Derartige Strombegrenzer sind in der Lage, Kurzschlußströme reversibel auf Werte zu begrenzen, die unterhalb der Zerstörungsgrenze der aktiven Bauelemente, z. B. von Stromrichtern, liegen. In einem Fehlerfall erwärmt sich der Kaltleiter über seine Ansprechtemperatur und begrenzt den Kurzschlußstrom auf Werte, die für den Stromkreis unschädlich sind. Die thermische Zerstörung des Kaltleiters wird durch die Kommutation des Kurzschlußstromes auf den Parallelwiderstand verhindert.
  • Wünschenswert für einen Stromrichterbetrieb ist eine deutliche Verringerung der Zwischenkreisinduktivität bei Nennbetrieb. Hierdurch steigen jedoch in einem Kurzschlußfall die zu erwartenden Kurzschlußstromamplituden auf Werte an, die derzeit in Traktionssystemen nicht beherrscht werden können. Da die erforderlichen Reaktionszeiten der Schutzeinrichtung im µs-Bereich liegen, kann auf einen Strombegrenzer nicht verzichtet werden. Bei dem bekannten Strombegrenzer ist jedoch die Eigeninduktivität zu hoch. Gefordert werden Eigeninduktivitäten im nH-Bereich.
  • Zum einschlägigen Stand der Technik wird zusätzlich auf die EP 0 548 606 A2 verwiesen, aus der ein Strombegrenzer bekannt ist, der parallel zu einem Kaltleiter einen Varistor aufweist, welcher mit dem Kaltleiter zu einem Bauelement vereint sein kann.
  • Aus dem Taschenbuch Elektrotechnik, Band 3, Bauelemente und Bausteine der Informationstechnik, Herausgeber Prof. Dr. E. Philippow, 1. Auflage, VEB Verlag Technik, Berlin, 1978, S. 250, sind Wicklungsausführungen für induktivitätsarme Widerstände bekannt, z. B. die bifilare Wicklung, die Chaperon-Wicklung und die Mäanderform.
    • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, einen Strombegrenzer der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß er eine niedrigere Induktivität aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
  • Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit diesen Kaltleitern betriebene Schutzeinrichtungen reversibel arbeiten, lichtbogenfrei ansprechen sowie niederinduktiv und raumsparend einsetzbar sind. Die Schutzschaltungen sind verlustarm, rüttelfest und in einen bestehenden Kühlkreislauf integrierbar; sie sprechen autonom an und ermöglichen eine flexible Applikation. Die Zuverlässigkeit des Schutzsystems wird durch zusätzliche elektronische Baugruppen und Komponenten nicht beeinträchtigt.
  • Werden die Strombegrenzer in Reihenschaltung zu Stromrichterventilen eingesetzt, so kann auf eine Stromanstiegsbegrenzungsdrossel verzichtet werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann von einer Flüssigkeitskühlung abgesehen werden.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen Strombegrenzer aus isoliert übereinander angeordneten, elektrisch parallelgeschalteten Kaltleitern mit mäanderförmigen Widerstandsbahnen,
    Fig. 2 und 3
    Kaltleiter von Fig. 1,
    Fig. 4
    einen Kompensationswiderstand, der zu dem Strombegrenzer gemäß Fig. 1 in Reihe schaltbar ist,
    Fig. 5
    ein elektrisches Schaltbild für die Schaltung der Widerstände gemäß den Fig. 1 - 4,
    Fig. 6
    eine Darstellung der Schichtenfolge der Kaltleiter gemäß den Fig. 2 und 3 im Strombegrenzer von Fig. 1,
    Fig. 7
    eine Darstellung der Schichtenfolge der Kaltleiter gemäß den Fig. 2 und 3 mit dem Kompensationswiderstand gemäß Fig. 4,
    Fig. 8
    eine Darstellung der Schichtenfolge von 4 Kaltleitern gemäß den Fig. 2 und 3,
    Fig. 9 - 12
    unterschiedliche Ausführungsformen von Kaltleitern,
    Fig. 13
    eine Anordnung von Kaltleitern gemäß den Fig. 2 und 3 in Nuten eines fluidgekühlten Kühlkörpers,
    Fig. 14
    einen in einem Kühlbehälter angeordneten Strombegrenzer mit 2 Kaltleitern aus porösem Metallschaum und
    Fig. 15
    2 Widerstandsbahnen mit antiparalleler Stromführung und elektrischen Kontaktbrücken zwischen Leiterbahnen aus einem Metallgeflecht oder -gewebe.
    WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • Fig. 1 zeigt in Draufsicht 2 elektrisch parallelgeschaltete mäanderförmige PTC-Widerstände bzw. Kaltleiter (1, 2), die gegenseitig elektrisch isoliert sind und einen geringen Abstand (a) im Bereich von 0,01 mm - 1 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,01 mm - 0,8 mm aufweisen, vgl. Fig. 6, mit gemeinsamen endseitigen elektrischen Anschlüssen (A, B), vgl. auch Fig. 5. Für die galvanische Trennung der Kaltleiter (1, 2) können organische oder anorganische Isolationsschichten verwendet werden. Bei einseitiger Kühlung (nicht dargestellt) soll die Isolationsschicht zusätzlich eine thermische Leitfähigkeit aufweisen. Eine solche Isolationsschicht kann beispielsweise eine Folie auf Duromer-, Thermoplast- oder Elastomerbasis, gefüllt mit anorganischen, thermisch leitfähigen Partikeln z. B. aus AlN, Al2O3 oder BN, sein.
  • Der Kaltleiter (1) mit endseitigen elektrischen Anschlüssen (A', B') und Mäandern (1a - 1d) ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt und der Kaltleiter (2) mit endseitigen elektrischen Anschlüssen (A", B") und Mäandern (2a - 2d) ausgezogen in Fig. 3. Die beiden elektrischen Anschlüssen (A') und (A") bilden den gemeinsamen Anschluß (A) und die beiden elektrischen Anschlüsse (B') und (B") den gemeinsamen Anschluß (B). Die beiden gleich geformten Kaltleiter (1, 2) sind im Abstand (a) spiegelbildlich übereinander angeordnet.
  • Die Kaltleiter (1, 2) bestehen aus einer strukturierten Folie oder aus einer mittels eines chemischen oder elektrochemischen Prozesses erzeugten Schicht eines vorzugsweise ferromagnetischen Metalles oder einer Metallegierung. Besonders geeignet sind Materialien auf der Basis von Nickel, Eisen oder Kobalt und deren Legierungen. Der gegenüber nichtferromagnetischen reinen Metallen besonders hohe positive Temperaturkoeffizient des spezifischen Widerstandes dieser Materialien weist ein für die Anwendung günstiges nichtlineares Verhalten auf mit einem Maximum im Bereich der Curietemperatur. Prinzipiell können jedoch auch nichtferromagnetische Metalle, wie Beryllium oder Ruthenium, mit einem Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von > 4 · 10-3 K-1 verwendet werden.
  • Das notwendige dynamische Ansprechverhalten der Kaltleiter (1, 2) unter Kurzschlußbedingungen wird durch die Ausbildung einer geringen Querschnittsfläche des Aktivteiles erreicht. Typische Werte der Querschnittsfläche liegen für eine Schaltung gemäß Fig. 1 im Bereich von 0,1 mm2 bis 5 mm2, vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm2 bis 1,5 mm2. Die Kaltwiderstandswerte bei Zimmertemperatur liegen im Bereich von einigen 10 mΩ - 100 mΩ.
  • Ein Vorteil dieser Anordnung gemäß Fig. 1 ist die relativ geringe Spannungsbelastung der Zwischenisolationsschicht, die im Nennbetrieb nur einige Volt beträgt und im Kurzschlußfall kurzzeitig maximal mit der Zwischenkreisspannung eines Gleichspannungszwischenkreises eines nicht dargestellten Umrichters belastet wird.
  • Ein in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeuteter Summenstrom (I) teilt sich in den Kaltleitern (1, 2) in 2 gleich große Teilströme (I1, I2) auf, welche in den übereinanderliegenden Mäandern (1a - 1d) und (2a - 2d) in entgegengesetzter Richtung fließen, so daß diese parallelgeschalteten Kaltleiter (1, 2) eine besonders geringe Eigeninduktivität aufweisen. Nur in den oberen und unteren Ein- und Austrittsbereichen sowie in linken und rechten Randbereichen (41, 4r) eines Strombegrenzers (4) gemäß Fig. 1 sind die Teilströme (I1, I2) unkompensiert, so daß eine geringe Induktivität der Kaltleiter (1, 2) resultiert.
  • Um diese geringe Induktivität zu reduzieren, wird zu den beiden parallelgeschalteten Kaltleitern (1, 2) ein Kompensationswiderstand (3) aus einem nichtlinearen PTC-Widerstandsmaterial oder aus einem metallischen Leitermaterial, wie z. B. Kupfer, elektrisch in Reihe geschaltet, vgl. Fig. 5. Bei Verwendung eines metallischen Leitermaterials als Rückleitung entfällt die Notwendigkeit ihrer Zwangskühlung.
  • Fig. 4 zeigt die geometrische Strukturierung dieses Kompensationswiderstandes (3) mit linken und einen rechten Kompensationszweigen (3l, 3r) sowie oberen und unteren Stromführungen, welche die gleiche Form aufweisen wie die unkompensierten Randbereiche (4l, 4r) des Strombegrenzers (4) und die oberen und unteren Widerstandsbahnen der Kaltleiter (1, 2). Dieser Kompensationswiderstand (3) ist in geringem Abstand zu dem Kaltleiter (2) angeordnet, vgl. die Schichtenfolge in Fig. 7, wobei ein elektrischer Anschluß (B) mit dem Anschluß (B) des Strombegrenzers (4) gemäß Fig. 1 elektrisch verbunden und ein endseitiger Anschluß (C) oberhalb des Anschlusses (A) angeordnet ist. Diese Strombegrenzerschaltung gemäß Fig. 5 weist eine um einen Faktor 7 - 8 geringere Eigeninduktivität als der Strombegrenzer (4) gemäß Fig. 1 auf.
  • Fig. 8 zeigt eine 4fache Schichtung von Leitern mit antiparalleler Stromführung, bei der zusätzlich zu den Kaltleitern (1, 2) gemäß Fig. 1 noch ein weiteres Paar gleich aufgebauter Kaltleiter (1', 2') übereinander angeordnet und elektrisch zu den Kaltleitern (1, 2) parallelgeschaltet sind. Diese Anordnung gemäß Fig. 8 weist eine Halbierung der Eigeninduktivität gegenüber der Anordnung gemäß den Fig. 1 und Fig. 6 auf.
  • Anstelle der mäanderförmigen Kaltleiter (1, 2) gemäß den Fig. 2 und 3 können kreisförmige Leiteranordnungen mit einer Chaperonwicklung (5) gemäß Fig. 9 oder mit einer bifilaren Wicklung (6) gemäß Fig. 10 verwendet werden, mit Außenzweigen (5a) bzw. (6a) und Innenzweigen (5b) bzw. (6b). Die elektrischen Anschlüsse (A, B) können hierbei übereinanderliegend angeordnet sein, so daß eine geringere Eigeninduktivität resultiert.
  • Bei Anordnungen von mäanderförmigen Widerstandsbahnen (7) und (8) gemäß den Fig. 11 und 12 mit Mäanderzweigen (7a) und (8b) werden randseitige Bereiche der Mäanderbahnen durch einen Rückleitungszweig (7b) kompensiert, vgl. Fig. 11, bzw. durch eine Rückleitungsschleife (8b), vgl. Fig. 12. Bei der Anordnung gemäß Fig. 11 sind die elektrischen Anschlüsse (A, B) gegenseitig eng benachbart-, während sie bei der Anordnung gemäß Fig. 12 endseitig angebracht sind und größere Kriechwege aufweisen.
  • Fig. 13 zeigt einen Aufbau eines Strombegrenzers, bei dem die Mäander (1a - 1d) und (2a - 2d) der Kaltleiter (1, 2) übereinander in obere Nuten (11) eines Kühlkörpers (9) und die Mäander der Kaltleiter (1', 2') in dessen untere Nuten (11) eingelegt sind. Der Kühlkörper (9) besteht aus einer elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Keramik und weist im Innern einen Kühlkanal (10) zur Umlaufkühlung auf, der als Kühlmittel ein Kühlfluid, vorzugsweise Wasser, enthält.
  • Die Nuten (11), welche die Leiterbahnen der Kaltleiter (1, 2) vollständig aufnehmen, sind mit einer elektrisch isolierenden, thermisch leitfähigen Vergußmasse (12) ausgefüllt. Diese Vergußmasse (12) stellt den notwendigen thermischen Kontakt der Kaltleiter (1, 2, 1', 2') zum Kühlkörper (9) her. Bei einem mehrlagigen Aufbau, entsprechend den Fig. 6 - 8, isoliert die Vergußmasse (12) gleichzeitig elektrisch die verschiedenen Lagen der Leiterbahnen. Die Vergußmasse (12) besteht vorteilhaft aus einer duromeren, thermoplastischen und/oder elastomeren Polymermatrix, die mit anorganischen, thermisch leitfähigen Partikeln, wie z. B. AlN, Al2O3, gefüllt ist. Ein hoher Füllgrad kann hierbei durch Verwendung von bimodal verteilten Partikeln (mit mindestens 2 Häufigkeitsmaxima der Partikelgröße) erreicht werden.
  • Bei der Ausführung gemäß Fig. 13 befinden sich die Leiterbahnen an den beiden Stirnflächen des Kühlkörpers (9).
  • Die Leiterbahnen können vorgängig zum Verguß mit einer thermoplastischen oder elastomeren Verklebung vorlaminiert werden.
  • Fig. 14 zeigt schematisch einen Strombegrenzer mit Kaltleitern (21, 22), welche Mäander (21a - 21d) bzw. (22a - 22d) aufweisen und in der übereinanderliegenden Anordnung den Kaltleitern (1, 2) gemäß Fig. 1 entsprechen, im Querschnitt. Diese Kaltleiter (21, 22) bestehen aus einem hochporösen Schaum eines vorzugsweise ferromagnetischen Metalles oder einer Metallegierung; sie sind durch eine elektrische Isolationsfolie bzw. einen Widerstandsträger (15) mit einer Dicke (a) gegenseitig elektrisch isoliert und in einem geschlossenen Kühlbehälter (13), der Kühlrippen (14) aufweisen kann, gehalten. Dieser Kühlbehälter (13) ist mit einer elektrisch nichtleitenden Flüssigkeit, z. B. mit deionisiertem Wasser, gefüllt, das ohne Zwangsumlauf eine ausreichende Kühlung der Kaltleiter (21, 22) gewährleistet.
  • Fig. 15 zeigt Kaltleiter (21, 22) aus einem Metallgeflecht oder -gewebe oder -schaum, die so porös sind und eine so große Oberfläche aufweisen, daß eine Gebläseluftkühlung ausreicht, um die Kaltleiter (21, 22) bei geeigneten Betriebstemperaturen zu halten. Die Mäander bzw. Widerstandsbahnen (21a - 21c) des Kaltleiters (21) sind durch elektrische Kontaktbrücken (23, 23') verbunden und Mäander bzw. Widerstandsbahnen (22a - 22c) des Kaltleiters (22) durch elektrische Kontaktbrücken (24, 24'). Derart gebildete 2schichtige Leiterbahnen (21, 22) können in mehreren Lagen raumsparend ausgeführt sein.
  • Es versteht sich, daß derartige 2schichtige Leiterbahnen (21a - 21c, 22a - 22c) statt gefaltet auch gewickelt sein können. Die elektrischen Stromzuführungen befinden sich dann an der Peripherie des Wickels, während die entsprechenden Stromableitungen aus dem Zentrum der Wicklung nach außen geführt sind (nicht dargestellt).
  • Anstelle von Kaltleitern (1, 2) können auch niederinduktive Normalwiderstände mit der oben angegebenen Gestaltung hergestellt werden.
    • BEZEICHNUNGSLISTE
    • 1, 1' 21
    mäanderförmige Widerstandsbahnen
    1a - 1d, 21a - 21d
    Mäander von 1 bzw. 21
    2, 2', 22
    mäanderförmige Widerstandsbahnen, spiegelsymmetrisch zu 1 bzw. 21
    2a - 2d, 22a - 22d
    Mäander von 2 bzw. 22
    3
    Kompensationswiderstand
    3l, 3r
    linker bzw. rechter Kompensationszweig von 3
    4
    Strombegrenzer aus 1 und 2
    4l, 4r
    unkompensierte linke bzw. rechte Randbereiche von 4
    5
    Widerstandsbahn mit Chaperon-Wicklung
    5a
    Außenzweig von 5
    5b
    Innenzweig von 5
    6
    Widerstandsbahn mit bifilarer Wicklung
    6a
    Außenzweig von 6
    6b
    Innenzweig von 6
    7
    mäanderförmige Widerstandsbahn mit Rückleitungszweig 7b und nahen endseitigen Anschlüssen A, B
    7a, 8a
    Mäanderzweige von 7 bzw. 8
    7b
    Rückleitungszweig von 7
    8
    mäanderförmige Widerstandsbahn mit Rückleitungsschleife 8b und entfernten endseitigen Anschlüssen A, B
    8b
    Rückleitungsschleife von 8
    9
    Kühlkörper, Kühldose
    10
    Kühlkanal
    11
    Nuten in 9
    12
    Vergußmasse
    13
    Kühlbehälter
    14
    Kühlrippen
    15
    Widerstandsträger
    23, 23'
    elektrische Kontaktbrücken von 21
    24, 24'
    elektrische Kontaktbrücken von 22
    a
    Abstand
    A, B, C
    elektrische Anschlüsse
    I
    Summenstrom
    I1, I2
    Teilströme von I

Claims (10)

  1. Strombegrenzer
    a) mit mindestens 2 zueinander parallelgeschalteten Widerstands zweigen,
    b) wobei jeder dieser Widerstandszweige mindestens einen Widerstand (1, 2; 1', 2'; 5, 6, 7, 8; 21, 22) enthält,
    dadurch gekennzeichnet,
    c) daß Widerstände (1, 2; 1', 2'; 21, 22) von je 2 parallelgeschalteten Widerstands zweigen im Betrieb von wenigstens annähernd gleichen Teilströmen (I1, I2) durchflossen sind,
    d) daß die Widerstände (1, 2; 1', 2'; 21, 22) in diesen parallelgeschalteten Widerstandszweigen induktivitätsarme Widerstandsbahnen (1a - 1d; 2a - 2d; 21a - 21d; 22a - 22d; 5a, 5b; 6a, 6b; 7a, 7b; 8a, 8b) aufweisen,
    e) die gegenseitig elektrisch isoliert und mit gleichen Bahnbereichen übereinanderliegend derart angeordnet sind, daß Teilströme (I1, I2) durch diese Widerstandszweige in übereinanderliegenden Bahnbereichen in zueinander entgegengesetzten Richtungen fließen.
  2. Strombegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    a) daß je 2 Widerstandsbahnen (1a - 1d; 2a - 2d; 21a - 21d; 22a - 22d; 5a, 5b; 6a, 6b; 7a, 7b; 8a, 8b) einen vorgebbaren, gleichmäßigen gegenseitigen Abstand (a) aufweisen,
    b) insbesondere, daß dieser Abstand (a) im Bereich von 0,01 mm - 0,8 mm liegt.
  3. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß je 2 übereinander angeordnete Widerstandsbahnen (1a - 1d; 2a - 2d; 21a - 21d; 22a - 22d; 7a, 7b; 8a, 8b) mäanderförmige, zueinander spiegelsymmetrische Gestalt aufweisen.
  4. Strombegrenzer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
    a) daß zu je 2 parallelgeschalteten Widerstandsbahnen (1a - 1d; 2a - 2d) ein Kompensationswiderstand (3) elektrisch in Reihe geschaltet ist,
    b) daß dieser Kompensationswiderstand (3) einen linken und einen rechten Kompensationszweig (3l, 3r) aufweist,
    c) daß diese linken und rechten Kompensationszweige (3l, 3r) elektrisch isoliert und in einem vorgebbaren Abstand übereinanderliegend zu induktivitätsmäßig unkompensierten Randbereichen (4l, 4r) dieser beiden Widerstandsbahnen (1a - 1d; 2a - 2d) angeordnet sind,
    d) insbesondere, daß die linken und rechten Kompensationszweige (3l, 3r) des Kompensationswiderstandes (3) wenigstens annähernd gleiche Gestalt wie die unkompensierten Randbereiche (4l, 4r) dieser beiden Widerstandsbahnen (1a - 1d; 2a - 2d) aufweisen.
  5. Strombegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen (5a, 5b; 6a, 6b; 7a, 7b; 8a, 8b)
    a) in der Art einer Chaperon-Wicklung (Fig. 9) oder
    b) in der Art einer bifilaren Wicklung (Fig. 10) oder
    c) mäanderförmig (7a) mit einem induktivitätskompensierenden Rückleitungszweig (7b) und nahe benachbarten endseitigen elektrischen Anschlüssen (A, B) oder
    d) mäanderförmig (8a) mit einer Rückleitungsschleife (8b) und voneinander entfernten endseitigen elektrischen Anschlüssen (A, B) ausgeführt sind.
  6. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    a) daß die übereinanderliegenden Widerstandsbahnen (1a - 1d; 2a - 2d) 2er parallelgeschalteter Widerstandszweige in Nuten (11) eines Kühlkörpers (9) angeordnet sind,
    b) insbesondere, daß der Kühlkörper (9) fluidgekühlt ist.
  7. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen (21a - 21d; 22a - 22d) porösen Metallschaum aufweisen.
  8. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen (21a - 21c; 22a - 22c) ein Metallgeflecht oder -gewebe aufweisen.
  9. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbahnen (21a - 21c; 22a - 22c) randseitig durch elektrische Kontaktbrücken (23, 23'; 24, 24') miteinander verbunden sind.
  10. Strombegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 2 zueinander parallelgeschaltete Widerstände (1, 2; 1', 2'; 5, 6, 7, 8; 21, 22) Kaltleiter sind.
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