EP0883144A2 - Spannverband - Google Patents

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EP0883144A2
EP0883144A2 EP98109874A EP98109874A EP0883144A2 EP 0883144 A2 EP0883144 A2 EP 0883144A2 EP 98109874 A EP98109874 A EP 98109874A EP 98109874 A EP98109874 A EP 98109874A EP 0883144 A2 EP0883144 A2 EP 0883144A2
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EP
European Patent Office
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choke coil
inductance
inductance part
receiving
coil
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EP98109874A
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EP0883144A3 (de
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Mark-Matthias Dr. Bakran
Rainer Dr. Marquardt
Johannes Dr. Teigelkötter
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a tension bandage for a converter, the at least one power semiconductor, one Liquid heatsink and one inside the tension bandage arranged choke coil, the choke coil at least comprises a one-piece inductance part, which as Air coil is formed.
  • Such a tension bandage is known from EP 0 639 840 B1.
  • the choke coil is in the known case within the Tension bandage arranged, causing the magnetic field on the adjacent cooling box or the power semiconductor directed is. Due to rapid current changes in the adjacent Eddy currents caused by components. These eddy currents cause high losses and decrease at the same time the inductance necessary to limit the current Air coil.
  • a choke coil is known from EP 0 465 700 B1, that in converter circuits as commutation inductance is used and is used for converter valves, such as thyristors and GTO thyristors, the rate of current change to limit.
  • the well-known choke coil is as Single-line choke designed and consists of one with cores provided tubular electrical conductor.
  • As an electrical A heat pipe, also called a heat pipe, is used on the ladder to which the cores have been pushed.
  • the condensation zone of the The heat pipe is provided with a heat-conducting mounting block, which serves as a heat sink.
  • Multiple single-line chokes can be combined into a throttle arrangement, wherein the assembly blocks by means of a tension bandage with cooling boxes are thermally connected.
  • the evaporation zones at least two single-line chokes are electrical by means of conductive connecting bars electrically conductive with each other connected.
  • the single-line chokes or those consisting of several single-line chokes existing throttle arrangement can in particular are used in liquid-cooled converters, where the cooling is not affected by pollution becomes.
  • the single-line choke well suited for continuous operation however, has a high current flow in the event of a short circuit.
  • DE 26 40 901 C2 is self-supporting Coil for a high power pulse transformer known.
  • the coil is milled out of a tube by means of appropriate Slots formed.
  • a choke coil without Known core which consists of a winding with a predetermined Number of turns and a bobbin consists.
  • a flexible cable for the Winding is provided a flexible cable and as a bobbin serves a carrier plate, the edge areas with holes and provide an opening in their interior are. For each turn, the cable is through a hole and the Breakthrough.
  • This choke coil also called a toroid coil is stratified, but only for short-term loads designed.
  • this choke coil a relatively large size because of a large conductor length necessary for a sufficiently large inductance is. Due to the large conductor length, the cooling is unfavorable.
  • the object of the present invention is a tension bandage to create a high inductance despite the small size having.
  • the tension bandage according to claim 1 has at least one power semiconductor, a liquid heatsink and one inside arranged the choke coil, wherein the choke coil has at least one integral inductance part comprises, which is designed as an air coil.
  • the inductance part an electrically conductive material. Preferred materials are copper and aluminum.
  • the inductance part of the inductor at least one receiving part arranged, the at least one through hole for Includes at least one core rod.
  • the one-piece design of the inductance part gives a good coupling of the turns and thus a high inductance with small size. Because of the small size of the inductance part result for the turns the air coil only small conductor lengths and therefore accordingly low ohmic losses. Furthermore, the choke coil of the tension bandage according to the invention due to their low Size also high mechanical stability, so that in the event of short-circuit currents caused by repulsion of the short-circuit forces caused at most only lead to slight deformations of the air coil.
  • the inductance part Receiving part arranged for a core rod, it being special is advantageous, the inductance part and the receiving part or the receiving parts - as described in claim 4 - train in one piece.
  • the tension bandage according to claim 1 you get a good combination of linear air coil and saturable core rods.
  • the short-circuit currents are therefore effective limit, making the busbars mechanically be relieved.
  • the choke coil used in the tensioning assembly according to claim 1 is particularly simple and inexpensive due to simple mechanical processing from a piece of metal, preferably can be made from a block of copper.
  • the piece of metal which is to form the inductance part, by radial executed slitting and by a centrally attached Through hole made. Receives in this manufacturing process one simply as a one-piece, as Air coil formed inductance part.
  • tension bandage serve as a liquid heat sink preferably water cooling cans, the one or rest on both sides of the arrangement. That way the entire tension bandage is effectively cooled.
  • a particular advantage of the tension bandage according to claim 1 is that the magnetic field is not on the cooling boxes is directed and thus no eddy currents in the cooling box be induced.
  • the tension bandage with the choke coil Increasing the commutation inductance can thus be done with both Metal cooling boxes as well as ceramic cooling boxes will.
  • FIG 1 denotes a choke coil, which in the present Embodiment comprises an inductance part 2, which is designed as an air coil.
  • an inductance part 2 On the inductance part 2 two receiving parts 3 and 4 are arranged.
  • the two recording parts 3 and 4 each serve to receive a core rod 5 (see FIGS. 2 and 3) and do not contribute to the inductance at.
  • the air coil is here by radial executed slitting of the inductance part 2 and through a through hole made centrally in the inductance part 2 6 manufactured.
  • the two receiving parts 3 and 4 each have a through hole 7 and 8 for receiving the core rods 5.
  • the tension bandage shown in FIGS. 2 and 3 includes that in FIG. 1 shown choke coil 1 and a power semiconductor 10 and a liquid heat sink 11 (FIG 2) or one Power semiconductor 10 and a liquid heat sink 12 (FIG 3).
  • the liquid heat sink 11 is a metal cooling box.
  • the liquid heat sink 12 is a ceramic cooling box educated. When using a metal cooling box 11 is between the choke coil 1 and the metal cooling box 11 an insulating washer 13 made of ceramic is provided.
  • connection plate 14 is arranged between the metal cooling box 11 and the power semiconductor 10 or between the ceramic cooling box 12 and the power semiconductor 10 .
  • the connecting plate 14 is at potential, is between the Connection plate 14 and the metal cooling box 11 another insulating washer 15 arranged (FIG 2).
  • the receiving part is 3 of the choke coil 1 visible.
  • the inductance part 2 is covered by the receiving part 3.
  • In the receiving part 3 is one Core rod 5 inserted.
  • a particular advantage of the arrangement shown in FIGS. 2 and 3 is that the magnetic field is not on the cooling boxes 11 or 12 is directed and thus no eddy currents in the Cooling can be induced.
  • the tension assembly with the choke coil 1 to increase the commutation inductance both with metal cooling boxes 11 and with ceramic cooling boxes 12 are executed.

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Abstract

Ein Spannverband für einen Stromrichter, der wenigstens einen Leistungs-Halbleiter (10), einen Flüssigkeitskühlkörper (11, 12) und eine innerhalb des Spannverbandes angeordnete Drosselspule (1) aufweist, wobei die Drosselspule (1) wenigstens ein einstückiges Induktivitätsteil (2) umfaßt, das als Luftspule ausgebildet ist, weist dadurch, daß an dem Induktivitätsteil (2) der Drosselspule (1) wenigstens ein Aufnahmeteil (3, 4) angeordnet ist, das wenigstens eine Durchgangsbohrung (7, 8) zur Aufnahme mindestens einer Kernstange (5) aufweist, trotz geringer Baugröße eine hohe Induktivität auf. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannverband für einen Stromrichter, der wenigstens einen Leistungs-Halbleiter, einen Flüssigkeitskühlkörper und eine innerhalb des Spannverbandes angeordnete Drosselspule aufweist, wobei die Drosselspule wenigstens ein einstückiges Induktivitätsteil umfaßt, das als Luftspule ausgebildet ist.
Ein derartiger Spannverband ist aus der EP 0 639 840 B1 bekannt. Die Drosselspule ist im bekannten Fall innerhalb des Spannverbandes angeordnet, wodurch das magnetische Feld auf die angrenzende Kühldose oder die Leistungs-Halbleiter gerichtet ist. Durch schnelle Stromänderungen werden in den angrenzenden Bauteilen Wirbelströme hervorgerufen. Diese Wirbelströme verursachen hohe Verluste und verringern gleichzeitig die zur Strombegrenzung notwendige Induktivität der Luftspule.
Ferner ist aus der EP 0 465 700 B1 eine Drosselspule bekannt, die bei Stromrichterschaltungen als Kommutierungsinduktivität verwendet wird und die dazu dient, bei Stromrichterventilen, wie Thyristoren und GTO-Thyristoren, die Stromänderungsgeschwindigkeit zu begrenzen. Die bekannte Drosselspule ist als Einleiterdrossel ausgeführt und besteht aus einem mit Kernen versehenen, rohrförmigen elektrischen Leiter. Als elektrischer Leiter dient ein Warmerohr, auch Heat-Pipe genannt, auf dem die Kerne aufgeschoben sind. Die Kondensationszone des Wärmerohrs ist mit einem wärmeleitenden Montageblock versehen, der als Wärmesenke dient. Mehrere Einleiterdrosseln können zu einer Drosselanordnung zusammengefaßt werden, wobei die Montageblöcke mittels eines Spannverbandes mit Kühldosen thermisch miteinander verbunden sind. Die Verdampfungszonen wenigstens zweier Einleiterdrosseln sind mittels elektrisch leitender Verbindungsstege miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Einleiterdrosseln bzw. die aus mehreren Einleiterdrosseln bestehende Drosselanordnung kann insbesondere bei flüssigkeitsgekühlten Stromrichern eingesetzt werden, wobei die Kühlung durch auftretende Verschmutzung nicht beeinflußt wird. Die für Dauerbetrieb gut geeignete Einleiterdrossel weist jedoch im Kurzschlußfall einen hohen Stromfluß auf.
Darüber hinaus ist durch die DE 26 40 901 C2 eine selbsttragende Spule für einen Impulstransformator hoher Leistung bekannt. Die Spule wird aus einem Rohr durch entsprechend eingefräste Schlitze gebildet.
Weiterhin ist aus der DE 91 11 720 U eine Drosselspule ohne Kern bekannt, die aus einer Wicklung mit einer vorgebbaren Zahl von Windungen und einem Spulenkörper besteht. Für die Wicklung ist ein flexibles Kabel vorgesehen und als Spulenkörper dient eine Trägerplatte, deren Randbereiche mit Bohrungen und deren Innenbereich mit einem Durchbruch versehen sind. Pro Windung ist das Kabel durch eine Bohrung und den Durchbruch geführt. Diese Drosselspule, die auch als Toroid-Spule bezeichnet wird, ist zwar streufeldarm, jedoch nur für kurzzeitige Belastungen ausgelegt. Außerdem weist diese Drosselspule eine relativ große Baugröße auf, da eine große Leiterlänge für eine ausreichend große Induktivität notwendig ist. Aufgrund der großen Leiterlänge ist die Kühlung ungünstig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spannverband zu schaffen, der trotz geringer Baugröße eine hohe Induktivität aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Spannverbandes sind in den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Der Spannverband nach Anspruch 1 weist wenigstens einen Leistungs-Halbleiter, einen Flüssigkeitskühlkörper und eine innerhalb des Spannverbandes angeordnete Drosselspule auf, wobei die Drosselspule wenigstens ein einstückiges Induktivitätsteil umfaßt, das als Luftspule ausgebildet ist. Es versteht sich hierbei von selbst, daß das Induktivitätsteil aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht. Bevorzugte Materalien sind Kupfer und Aluminium. Erfindungsgemäß ist an dem Induktivitätsteil der Drosselspule wenigstens ein Aufnahmeteil angeordnet, das wenigstens eine Durchgangsbohrung zur Aufnahme mindestens einer Kernstange aufweist.
Durch die Einstückigkeit des Induktivitätsteils erhält man eine gute Verkopplung der Windungen und damit eine hohe Induktivität bei geringer Baugröße. Aufgrund der geringen Baugröße des Induktivitätsteils ergeben sich für die Windungen der Luftspule nur geringe Leiterlängen und damit entsprechend geringe ohmsche Verluste. Weiterhin weist die Drosselspule des erfindungsgemäßen Spannverbandes aufgrund ihrer geringen Baugröße auch eine hohe mechanische Stabilität auf, so daß bei auftretenden Kurzschlußströmen, die durch das Abstoßen der Windungen hervorgerufenen Kurzschlußkräfte höchstens nur zu geringen Verformungen der Luftspule führen.
Erfindungsgemäß ist an dem Induktivitätsteil wenigstens ein Aufnahmeteil für eine Kernstange angeordnet, wobei es besonders vorteilhaft ist, das Induktivitätsteil und das Aufnahmeteil bzw. die Aufnahmeteile - wie in Anspruch 4 beschrieben - einstückig auszubilden. Bei dem Spannverband gemäß Anspruch 1 erhält man eine gute Kombination aus linearer Luftspule und sättigbaren Kernstangen. Die Kurzschlußströme sind damit wirkungsvoll zu begrenzen, wodurch die Stromschienen mechanisch entlastet werden.
Die in dem Spannverband gemäß Anspruch 1 eingesetzte Drosselspule ist besonders einfach und kostengünstig durch einfache mechanische Bearbeitung aus einem Metallstück, vorzugsweise aus einem Kupferblock herstellbar. Hierbei wird das Metallstück, welches das Induktivitätsteil bilden soll, durch radial ausgeführtes Schlitzen und durch eine mittig angebrachte Durchgangsbohrung gefertigt. Bei diesem Herstellverfahren erhält man damit auf einfache Weise ein einstückiges, als Luftspule ausgebildetes Induktivitätsteil.
Bei dem erfindungsgemäßen Spannverband dienen als Flüssigkeitskühlkörper vorzugsweise Wasserkühldosen, die ein- oder beidseitig auf der Anordnung anliegen. Auf diese Weise wird der gesamte Spannverband wirkungsvoll gekühlt.
Ein besonderer Vorteil des Spannverbandes nach Anspruch 1 liegt darin, daß das magnetische Feld nicht auf die Kühldosen gerichtet ist und damit keine Wirbelstrome in die Kühldose induziert werden. Der Spannverband mit der Drosselspule zur Erhöhung der Kommutierungsinduktivität kann damit sowohl mit Metall-Kühldosen als auch mit Keramik-Kühldosen ausgeführt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung und in Verbindung mit den weiteren Ansprüchen. Es zeigen:
FIG 1
eine Ausführungsform einer Drosselspule für einen erfindungsgemäßen Spannverband,
FIG 2
eine erste Ausführungsform eines Spannverbandes mit einer Drosselspule gemäß FIG 1 und einer Metall-Kühldose,
FIG 3
eine zweite Ausführungsform eines Spannverbandes mit einer Drosselspule gemäß FIG 1 und einer Keramik-Kühldose.
In FIG 1 ist mit 1 eine Drosselspule bezeichnet, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Induktivitätsteil 2 umfaßt, das als Luftspule ausgebildet ist. An dem Induktivitätsteil 2 sind zwei Aufnahmeteile 3 und 4 angeordnet. Die beiden Aufnahmeteile 3 und 4 dienen zur Aufnahme jeweils einer Kernstange 5 (siehe FIG 2 und 3) und tragen nicht zur Induktivität bei.
Bei dem in FIG 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind das Induktivitätsteil 2 sowie die Aufnahmeteile 3 und 4 aus einem Kupferblock gefertigt. Die Luftspule wird hierbei durch radial ausgeführtes Schlitzen des Induktivitätsteils 2 und durch eine mittig im Induktivitätsteil 2 angebrachte Durchgangsbohrung 6 gefertigt. Weiterhin weisen die beiden Aufnahmeteile 3 und 4 jeweils eine Durchgangsbohrung 7 bzw. 8 zur Aufnahme der Kernstangen 5 auf.
Durch das erfindungsgemäß einstückig ausgebildete Induktivitätsteil 2 erhält man eine gute Verkopplung der Windungen 9 im Induktivitätsteil 2, wodurch eine hohe Induktivität bei geringer Baugröße erreicht wird. Aufgrund der geringen Baugröße ergibt sich auch ein entsprechend geringer Materialbedarf für die Herstellung der Drosselspule.
Der in FIG 2 und 3 gezeigte Spannverband umfaßt die in FIG 1 dargestellte Drosselspule 1 sowie einen Leistungs-Halbleiter 10 und einen Flüssigkeitskühlkörper 11 (FIG 2) bzw. einen Leistungs-Halbleiter 10 und einen Flüssigkeitskühlkörper 12 (FIG 3).
Bei dem Flüssigkeitskühlkörper 11 handelt es sich um eine Metall-Kühldose. Der Flüssigkeitskühlkörper 12 ist als Keramik-Kühldose ausgebildet. Bei Verwendung einer Metall-Kühldose 11 ist zwischen der Drosselspule 1 und der Metall-Kühldose 11 eine Isolierscheibe 13 aus Keramik vorgesehen.
Zwischen der Metall-Kühldose 11 und dem Leistungs-Halbleiter 10 bzw. zwischen der Keramik-Kühldose 12 und dem Leistungs-Halbleiter 10 ist jeweils ein Anschlußblech 14 angeordnet. Da das Anschlußblech 14 auf Potential liegt, ist zwischen dem Anschlußblech 14 und der Metall-Kühldose 11 eine weitere Isolierscheibe 15 angeordnet (FIG 2).
Bei dem in FIG 3 gezeigten Spannverband sind keine Isolierscheiben erforderlich, da die Keramik-Kühldose 12 selbst isolierend wirkt.
Bei der in FIG 2 und 3 gewählten Ansicht ist nur das Aufnahmeteil 3 der Drosselspule 1 sichtbar. Das Induktivitätsteil 2 wird vom Aufnahmeteil 3 verdeckt. Im Aufnahmeteil 3 ist eine Kernstange 5 eingesetzt.
Ein besonderer Vorteil der in FIG 2 und 3 gezeigten Anordnung liegt darin, daß das magnetische Feld nicht auf die Kühldosen 11 bzw. 12 gerichtet ist und damit keine Wirbelstrome in die Kühldose induziert werden. Der Spannverband mit der Drosselspule 1 zur Erhöhung der Kommutierungsinduktivität kann damit sowohl mit Metall-Kühldosen 11 als auch mit Keramik-Kühldosen 12 ausgeführt werden.
Der in FIG 2 und 3 dargestellte Spannverband wird durch die in Pfeilrichtung wirkenden Einspannkräfte zusammengehalten.

Claims (4)

  1. Spannverband für einen Stromrichter, der wenigstens einen Leistungs-Halbleiter (10), einen Flüssigkeitskühlkörper (11, 12) und eine innerhalb des Spannverbandes angeordnete Drosselspule (1) aufweist, wobei die Drosselspule (1) wenigstens ein einstückiges Induktivitätsteil (2) umfaßt, das als Luftspule ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Induktivitätsteil (2) der Drosselspule (1) wenigstens ein Aufnahmeteil (3, 4) angeordnet ist, das wenigstens eine Durchgangsbohrung (7, 8) zur Aufnahme mindestens einer Kernstange (5) aufweist.
  2. Spannverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Induktivitätsteil (2) der Drosselspule (1) aus Kupfer besteht.
  3. Spannverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Induktivitätsteil (2) der Drosselspule (1) aus Aluminium besteht.
  4. Spannverband nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Induktivitätsteil (2) der Drosselspule (1) und das Aufnahmeteil bzw. die Aufnahmeteile (3, 4) einstückig ausgebildet sind.
EP98109874A 1997-06-06 1998-05-29 Spannverband Withdrawn EP0883144A3 (de)

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