EP3087570B1 - Widerstand und verfahren zur herstellung eines solchen widerstandes - Google Patents

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EP3087570B1
EP3087570B1 EP14818961.6A EP14818961A EP3087570B1 EP 3087570 B1 EP3087570 B1 EP 3087570B1 EP 14818961 A EP14818961 A EP 14818961A EP 3087570 B1 EP3087570 B1 EP 3087570B1
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EP
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wire
carrier
resistor
end portion
resistor according
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Leonhard Vetter
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DBK David and Baader GmbH
Original Assignee
DBK David and Baader GmbH
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Publication date
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    • H01C3/00—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids
    • H01C3/14—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids the resistive element being formed in two or more coils or loops continuously wound as a spiral, helical or toroidal winding
    • H01C3/18—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids the resistive element being formed in two or more coils or loops continuously wound as a spiral, helical or toroidal winding wound on a flat or ribbon base
    • H—ELECTRICITY
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    • H01C3/00—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids
    • H01C3/14—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids the resistive element being formed in two or more coils or loops continuously wound as a spiral, helical or toroidal winding
    • H01C3/20—Non-adjustable metal resistors made of wire or ribbon, e.g. coiled, woven or formed as grids the resistive element being formed in two or more coils or loops continuously wound as a spiral, helical or toroidal winding wound on cylindrical or prismatic base
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    • H01C1/02—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure
    • H01C1/022—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure the housing or enclosure being openable or separable from the resistive element
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    • H01C1/02—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure
    • H01C1/028—Housing; Enclosing; Embedding; Filling the housing or enclosure the resistive element being embedded in insulation with outer enclosing sheath

Definitions

  • the invention relates to a resistor, preferably a braking, discharging or high-load resistor according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a resistor.
  • Braking resistors are used, for example, to dissipate excess energy in electrical drives in the event of recuperation, which cannot be used to charge a battery or a capacitor arrangement or the like, by converting these energy or voltage peaks into heat.
  • Braking or discharging resistors can be formed with ceramic PTC resistance elements or wire resistance elements. Braking resistors with ceramic PTC resistance elements are for example in the EP 1 225 080 B1 described by the applicant. Such braking resistors have a high level of operational reliability due to their resistance characteristic curve, which rises sharply with temperature, since they regulate themselves in the event of an overload. The disadvantage is that such PTC braking resistors are comparatively expensive.
  • braking or discharging resistors - also known as load resistors - are generally used, in which the resistance element is designed as a wire resistance winding that encompasses an insulating body.
  • Cartridge-shaped designs of such wire resistance elements are for example in the DE 2 228 460 or the DE 37 03 689 C2 disclosed.
  • these cartridge-shaped braking resistors have a comparatively complex structure. Solutions in which the wire resistance element has a wire winding that is wound on a flat carrier and then in one are significantly more compact a heat sink designed as a hollow profile is used. An encapsulated structure to increase safety is thus realized.
  • the known braking resistor has the heat sink produced as an extruded profile made of aluminum, in which the wire resistance element is inserted. Its position is positioned using Mikanit insulating plates, which keep the heating element at a distance from the peripheral wall of the extruded profile. Mikanit is the trade name of a pressed mica material that forms a solid, plate-shaped insulating material.
  • the front side of the heat sink is sealed using a closure, whereby a connection on the power supply side is penetrated by two connecting lines.
  • these closures are formed by first placing the extruded profile on an assembly device and then inserting or pressing a micanite plate into an end receptacle of the extruded profile.
  • This micanite plate is then cast on the bottom with silicone or a suitable sealing compound, such as acid iron cement, and cured.
  • the wire resistance element is introduced into the receiving space and filled with MgO, the filling density being increased by shaking.
  • the MgO serves as insulation material and as a heat store.
  • the wire resistance element and / or the position of the wire windings is fixed by the MgO.
  • micanite plates are used in the receiving space, which prevent direct contact of the wire resistance element with the heat sink and thus ensure the electrical insulation. A closure is then applied to this backfill and cured.
  • the DE 10 2011 001 362 A1 proposed instead of using the hardening layer to insert a plate next to the filling in the heat sink, which is sealed by a sealant.
  • a metal or ceramic sealing plate for example, is then inserted into the heat sink adjacent to the plate and is mechanically connected to it.
  • EP 1 852 878 B1 discloses a solution in which the wire resistance winding is pressed with the carrier and the insulating plates arranged between the peripheral walls of the heat sink and the wire resistance winding, so that a filling can be dispensed with.
  • the wire winding is usually wound around the two longitudinal legs of a multi-part frame-shaped micanite carrier, this winding starting from a connection-side narrow side, then extending along one longitudinal leg of the frame, in the region of another narrow side then to the other, parallel leg passes over and from there leads back to the connection-side narrow side.
  • the manufacturing effort for the multi-part carrier and the double winding is considerable.
  • the publication DE 203 11 068 U1 shows a braking resistor, which is provided with a thermal sensor or switch to protect against overheating.
  • the publication EP 0 004 539 A2 shows a high-load wire resistor whose current flow is interrupted at overtemperature by the fact that a wire section consists of an alloy designed for the overtemperature, which - unlike the rest of the wire - melts when the overtemperature is reached.
  • a disadvantage of many of these solutions is that in the event of a fault, for example when an excessive voltage occurs, the wire winding can overheat, which can lead to a burnout or even a partial melting of the adjacent extruded profile.
  • Wire resistance elements are usually provided with a protective circuit that should respond in the event of an overload - in the event of a fault, arcing can still occur and the associated problems described above. Since this arc jumps from winding to winding, so to speak, one cannot judge in advance at which point this blowout takes place.
  • the invention has for its object to provide a resistance in which the operational safety is improved with little outlay on device technology. Furthermore, the invention has for its object to provide a method for producing such a resistor.
  • the resistor which can be designed as a braking, discharging or high-load resistor, hereinafter called the braking resistor for the sake of simplicity, is designed with a wire winding element which has a wire resistance winding wound around an insulating support, the ends of which are assigned to connection elements.
  • a predetermined wire section of the wire winding is better thermally insulated from the surroundings than the other wire winding, so that the wire winding element fails in this wire section in the event of a fault.
  • this wire section is at least partially surrounded by the carrier or embedded therein.
  • the construction of the braking resistor is particularly simple if the carrier has two carrier elements, between which the wire section runs, while the remaining wire winding runs around the two carrier elements.
  • the wire winding extends away from a connection-side end section of the carrier towards another end section and is then returned between the carrier elements to the connection-side end section and is then connected there to a connection element. That In this variant, the wire feedthrough extends between the two carrier elements.
  • Arc formation in the deflection area can be largely prevented if the winding is deflected at a distance from the other end section of the carrier in the direction of the connection-side end section. This can be effected in a relatively simple manner by this deflection taking place along a recess formed in the other end section of the carrier.
  • the carrier is made of an electrically and thermally insulating material, such as e.g. Mikanit or the like.
  • the wire resistor is designed as a flat wire.
  • the distance between the wire turns should be more than 1.5 mm in one embodiment.
  • round wire can also be used, in which case the distance is smaller, for example 0.25 mm.
  • the distances depend on the required total resistance of the system.
  • a round wire is preferably used in thicknesses between 0.1 mm and 0.45 mm. With such diameters, relatively large resistance values can be achieved. If a lower resistance is required, flat wire is preferred.
  • the assembly of the braking resistor is particularly simple because the carrier has recesses on the connection-side end section in which the end sections of the winding can be pre-fixed.
  • the braking resistor is preferably formed with a heat sink, which has a receiving space which receives the wire winding element, the connecting lines extending through an end closure of the heat sink.
  • the electrical insulation from the heat sink is particularly effective if the wire resistance element is embedded in a filling and further insulation elements are arranged between the filling and the heat sink.
  • the wire resistance is first passed from the connection side between the two parts of the carrier and deflected at the opposite end section of the carrier. As a result, the resistance wire is then wrapped around the carrier, the winding direction extending toward the connection-side end section of the carrier.
  • the wire winding element can also be pressed with the heat sink, wherein electrically insulating plates are provided as the insulation body between the wire winding element and the heat sink.
  • the filling described can be dispensed with.
  • the wire winding element can also be encapsulated with an electrically insulating material which forms a heat storage and heat transfer element.
  • the hardened block can then be inserted into the receiving space of the heat sink.
  • Figure 1 shows a three-dimensional representation of a braking resistor 1 according to the invention.
  • the invention is explained using a resistor (braking, discharging or high-load resistor).
  • a resistor braking, discharging or high-load resistor
  • the concept according to the invention can also be used as a heating resistor in a heater.
  • a cooling body 2 designed as an aluminum continuous casting profile, in the receiving space of which is explained in more detail below (see Figure 2 ) a wire winding element is added.
  • the contacting of this wire winding element takes place via two connecting lines 4, 6 which pass through a closure 8 on the connection side.
  • the heat sink 2 serves as a heat store, which absorbs the heat generated on the wire winding element. The heated heat sink is then in heat exchange with the environment.
  • the heat sink is designed with cooling fins 10 enlarging the heat exchange surface and has recesses 12 in the corner regions, which enable the heat sink 2 to be fastened to a housing or the like.
  • a bottom-side closure is formed on the end section of the heat sink 2 that is remote from the connecting lines 4, 6.
  • the cooling fins 10 are only formed in an upper cover wall, hereinafter referred to as cover surface 14, and of course they can also be formed in the cover surface 16 below.
  • cover surface 14 laterally protrude from the base body of the heat sink 2, so that side walls 18, 20 are formed approximately as a U-profile. Additional elements such as temperature sensors or limiters can be installed in this U-profile. Other geometries are also possible.
  • FIG. 2 shows the braking resistor according to Figure 1 with the cover surface 14 removed so that the mentioned wire winding element 22 is visible.
  • the layer structure shown of this braking resistor 1 is in principle from the prior art mentioned at the beginning according to the DE 10 2011 001 362 A1 known, so that only the elements essential for understanding the invention are described here.
  • the wire winding element 22 is inserted into a receiving space 24 of the heat sink 2.
  • This receiving space 24 is through the two U-shaped side walls 18, 20, the two top walls or top surfaces 14, 16 (top surface 14 in the illustration according to Figure 2 removed), the connection-side closure 8 and the mentioned further bottom-side closure 26 limited.
  • the two plate-shaped closures 8, 26 can be made of metal, ceramic or glass, for example, and are preferably caulked to the heat sink 2.
  • a micanite plate 28 is arranged at a distance from the closure 26 and is fixed in position by means of a casting compound or the like, not shown. Pressing in the micanite plate 28 is also possible.
  • This plate 28 is adjacent to two longitudinal micanite insulating plates 30, 32, which extend towards two connection-side plates 34, 36. These are in turn arranged at a distance from the closure 8 and held by means of a sealing compound.
  • these two plates 34, 36 have mutually formed recesses which, in the assembled state, complement one another for bushings for the two connecting lines 4, 6, these bushings encompassing the circumference of the lines.
  • Corresponding bushings 37a, 37b are also formed in the closure 8.
  • At least one micanite base plates are provided on each side, between which the wire winding element 22 is then arranged. Accordingly, these two micanite base plates, the longitudinally arranged insulating plates 30, 32 and the small plates 28, 34, 36 arranged on the end face form a closed insulating body which encompasses the wire winding element 22 in a box-shaped manner.
  • the receiving space 24 is filled with a sand filling, which is partially solidified by shaking, so that the wire winding element 22 is reliably positioned in the receiving space 24 and is also effectively thermally coupled to the heat sink.
  • the wire is also positioned.
  • the structure of the wire winding element 22 is evident from the Figures 3 to 5 ,
  • the Figures 3 and 4 show an individual representation of the wire winding element 22 according to Figure 2
  • the wire winding element 22 has a carrier 38 made of micanite, which according to the broken illustration in FIG Figure 4 in principle consists of two micanite support elements 40, 42, of which in the illustration according to Figure 3 only the support element 42 is visible. This covers the in Figure 4 support element 40 located above.
  • the two substantially congruent carrier elements 40, 42 have a connection-side end section 44 and an end section 46 remote therefrom, which are widened on both sides with respect to a winding section 48 arranged between them.
  • connection-side end section 44 On the connection-side end section 44, two connection areas 50, 52 are provided, each of which is formed by a welding bridge, to which the two connection lines 4, 6 are punctured or connected in some other way.
  • the carrier 38 carries the actual wire winding.
  • the resistance wire 54 used here is formed in the illustrated embodiment as a flat wire with a rectangular cross section and is made of a heating wire alloy.
  • the winding distance W is preferably more than 0.5 mm. As explained at the beginning, a round wire can also be used instead of a flat wire. In this case, the wire diameters are usually in the range between 0.1 mm and 0.45 mm.
  • the wire section 68 passed through between the two carrier elements 40, 42 is opposite the external winding by the two plate-shaped micanite carrier elements 40, 42 thermally insulated.
  • the wire section 68 lying between the carrier elements 40, 42 will heat up significantly more than the outside winding cooled by the heat sink 2, so that the burnout also takes place in the region of this passage.
  • the burnout takes place in such a way that an interruption point is formed which is so far that an arc that is formed is quickly interrupted. This way the element becomes intrinsically safe, in particular a body connection (electrical connection to the housing) is impossible.
  • Figure 5 shows an individual representation of the wound wire 54.
  • the wire section 68 running between the two carrier elements 40 and 42 can be seen, which extends through the interior of the winding and is contacted with its end 56 with the connection 52.
  • This wire section 68 which runs somewhat obliquely to the winding axis, is deflected in the region of the deflection 60; the actual winding then extends back to the right in Figure 5 and ends in the slightly inclined end 62, which can be contacted with the further connection 50.
  • the wire winding element 22 with the micanite plates forming an insulating body is inserted into the receiving space 24 of the insulating body 2, the remaining cavity being filled with a filler, for example MgO, in order to position the wire winding element 22 in the receiving space 24.
  • a filler for example MgO
  • FIG. 6 shows an embodiment in which the wire winding element 22 according to the invention with internal feedback and the surrounding micanite insulating plates, of which here the longitudinally arranged insulating plates 30, 32 and the two bottom plates 70, 72 are visible, inserted into the receiving space 24 and then as in the EP 1 852 878 B1 described are pressed together.
  • a further possibility of dispensing with a filling which is complex in terms of production technology is to encapsulate the wire winding element 22 according to the invention, which is designed with an internal return line, with a heat storage and transmission element.
  • the wire winding element 22 is cast with a hardening material, which can consist, for example, of a mixture of MgO and water glass and harden under an inert gas atmosphere and temperature.
  • This electrically insulating potting material surrounds the wire winding element 22, so that it can be inserted as a "block" into the receiving space 24 of the heat sink 2.
  • the attachment can be done, for example, by pressing or pressing.
  • a resistor preferably a braking, discharging or high-load resistor and a method for producing such a resistor, in which a wire section of a wire winding is thermally insulated from the other wire winding, so that the wire section fails in the event of a fault.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Details Of Resistors (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Widerstand, vorzugsweise einen Brems-, Entlade- oder Hochlastwiderstand gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Widerstandes.
  • Bremswiderstände werden beispielsweise eingesetzt, um bei elektrischen Antrieben im Rekuperationsfall überschüssige Energie, die nicht zum Laden einer Batterie oder einer Kondensatoranordnung oder dergleichen verwendet werden kann, abzubauen, indem diese Energie- bzw. Spannungsspitzen in Wärme umgewandelt werden.
  • Brems- oder Entladewiderstände können mit keramischen PTC-Widerstandselementen oder Drahwiderstandselementen ausgebildet sein. Bremswiderstände mit keramischen PTC-Widerstandselementen sind beispielsweise in der EP 1 225 080 B1 der Anmelderin beschrieben. Derartige Bremswiderstände haben aufgrund ihrer stark mit der Temperatur ansteigenden Widerstandskennlinie eine hohe Betriebssicherheit, da sie sich bei einer Überlast selbst abregeln. Nachteilig ist, dass derartige PTC-Bremswiderstände vergleichsweise teuer sind.
  • Bei weniger anspruchsvollen Anwendungen werden in der Regel Brems- oder Entladewiderstände - auch Lastwiderstände genannt, genutzt, bei denen das Widerstandselement als Drahtwiderstandswicklung ausgebildet ist, die einen Isolierkörper umgreift. Patronenförmige Ausführungen derartiger Drahtwiderstandselemente sind beispielsweise in der DE 2 228 460 oder der DE 37 03 689 C2 offenbart. Diese patronenförmigen Bremswiderstände haben jedoch einen vergleichsweise komplexen Aufbau. Deutlich kompakter sind Lösungen, bei denen das Drahtwiderstandselement eine Drahtwicklung hat, die auf einen flachen Träger aufgewickelt ist und das dann in einen als Hohlprofil ausgebildeten Kühlkörper eingesetzt wird. Somit ist ein gekapselter Aufbau zur Erhöhung der Sicherheit realisiert.
  • Eine derartige Lösung ist beispielsweise in der EP 1 711 035 A1 der Anmelderin erläutert. Demgemäß hat der bekannte Bremswiderstand den als Strangpressprofil aus Aluminium hergestellten Kühlköper, in den das Drahtwiderstandselement eingesetzt ist. Dessen Lagepositionierung erfolgt über Mikanit-Isolierplatten, die das Heizelement im Abstand zu der Umfangswandung des Strangpressprofils halten. Mikanit ist der Handelsname eines Pressglimmermaterials, welches einen festen, plattenförmigen Isolierstoff bildet. Die stirnseitige Abdichtung des Kühlkörpers erfolgt jeweils über einen Verschluss, wobei ein stromzuführungsseitiger Verschluss von zwei Anschlussleitungen durchdrungen ist. Herkömmlicher Weise werden diese Verschlüsse dadurch ausgebildet, dass das Strangpressprofil zunächst auf eine Montagevorrichtung aufgesetzt und dann eine Mikanit-Platte in eine stirnseitige Aufnahme des Strangpressprofils eingesetzt bzw. verpresst wird. Diese Mikanit-Platte wird dann mit Silikon oder einer entsprechenden Dichtmasse, wie z.B. Sauereisenzement, bodenseitig vergossen und ausgehärtet. Nach dem Aushärten wird das Drahtwiderstandselement in den Aufnahmeraum eingebracht und mit MgO verfüllt, wobei die Fülldichte durch Rütteln erhöht wird. Das MgO dient dabei als Isolationsmaterial und als Wärmespeicher. Zusätzlich wird durch das MgO das Drahtwiderstandselement und/oder die Lage der Drahtwicklungen fixiert. Dabei werden vor dem Füllen in den Aufnahmeraum Mikanit-Platten eingesetzt, die eine direkte Kontaktierung des Drahtwiderstandselementes mit dem Kühlkörper verhindern und so die elektrische Isolierung sicherstellen. Auf diese Verfüllung wird dann wiederum ein Verschluss aufgebracht und ausgehärtet.
  • Da dieses Herstellverfahren aufgrund der zweimaligen Aushärtung vergleichsweise aufwendig ist, wird in der DE 10 2011 001 362 A1 vorgeschlagen, anstelle der aushärtenden Schicht zunächst benachbart zur Füllung ein Plättchen in den Kühlkörper einzusetzen, das durch ein Dichtmittel abgedichtet ist. Benachbart zum Plättchen wird dann eine z.B. metallische oder keramische Verschlussplatte in den Kühlkörper eingesetzt, die mit diesem mechanisch verbunden ist.
  • In der EP 1 852 878 B1 ist eine Lösung offenbart, bei der die Drahtwiderstandswicklung mit dem Träger und den zwischen den Umfangswandungen des Kühlkörpers und der Drahtwiderstandswicklung angeordneten Isolierplatten verpresst sind, so dass auf eine Füllung verzichtet werden kann.
  • Bei derartigen Drahtwiderstandselementen ist die Drahtwicklung üblicher Weise um die beiden Längsschenkel eines mehrteiligen rahmenförmigen Mikanit-Trägers gewickelt, wobei diese Wicklung von einer anschlussseitigen Schmalseite ausgeht, sich dann entlang eines Längsschenkels des Rahmens erstreckt, im Bereich einer anderen Schmalseite dann zum anderen, parallel verlaufenden Schenkel übergeht und von dort zurück zur anschlussseitigen Schmalseite führt. Der Fertigungsaufwand für den mehrteiligen Träger und die Zweifachwicklung ist erheblich.
  • Die Druckschrift DE 203 11 068 U1 zeigt einen Bremswiderstand, der zum Schutz gegen eine Überhitzung mit einem Thermofühler oder -schalter versehen ist.
  • Die Druckschrift EP 0 004 539 A2 zeigt einen Hochlast-Drahtwiderstand, dessen Stromfluss bei Übertemperatur dadurch unterbrochen wird, dass ein Drahtabschnitt aus einer auf die Übertemperatur ausgelegten Legierung besteht, die - anders als der restliche Draht - mit Erreichen der Übertemperatur schmilzt.
  • Nachteilig bei vielen dieser Lösungen ist, dass es im Fehlerfall, beispielsweise bei Auftreten einer überhöhten Spannung zu einer Überhitzung der Drahtwicklung kommen kann, was zu einem Durchbrennen oder gar zu einem partiellen Aufschmelzen des benachbarten Strangpressprofils führen kann. Drahtwiderstandselemente sind zwar üblicher Weise mit einer Schutzschaltung versehen, die im Überlastfall ansprechen soll - im Fehlerfall kann es trotzdem zu einer Lichtbogenbildung und den damit verbundenen vorbeschriebenen Problemen kommen. Da dieser Lichtbogen so zusagen von Wicklung zu Wicklung springt, kann man auch nicht vorab beurteilen, an welcher Stelle dieses Durchbrennen erfolgt.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Widerstand zu schaffen, bei dem mit geringem vorrichtungstechnischem Aufwand die Betriebssicherheit verbessert ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Widerstandes zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Widerstand mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Im Hinblick auf das Verfahren wird die Aufgabe durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruches 14 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird der Widerstand, der als Brems-, Entlade- oder Hochlastwiderstand ausgeführt sein kann, im Folgenden der Einfachheit halber Bremswiderstand genannt, mit einem Drahtwickelelement ausgeführt, das eine um einen isolierenden Träger gewickelte Drahtwiderstandswicklung hat, deren Enden Anschlusselementen zugeordnet sind. Erfindungsgemäß ist ein vorbestimmter Drahtabschnitt der Drahtwicklung im Vergleich zur sonstigen Drahtwicklung gegenüber der Umgebung besser thermisch isoliert, so dass im Fehlerfall das Drahtwickelelement in diesem Drahtabschnitt versagt.
  • Auf diese Weise kann konstruktiv ohne Verringerung des Drahtquerschnittes vorbestimmt werden, in welchem Bereich die Drahtwicklung im Fehlerfall durchbrennt, so dass bei entsprechender Ausgestaltung dieses Bereiches die Gefahr einer Beschädigung benachbarter Komponenten sowie ein gefährlicher elektrischer Kontakt zum Gehäuse, d.h. ein Körperschluss, verhindert werden kann, und ein "eigensicheres Aussteigen" des Bremswiderstandes ermöglicht wird.
  • Dadurch wird die Eigensicherheit des Systems gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich verbessert. Die "Eigensicherheit" wird bei einem Draht-Bremswiderstand über folgende Merkmale definiert:
    • Es kommt nicht zu einem Körperschluss, dass heißt einem Durchschlagen des Stroms auf das Gehäuse. In diesem Fall wäre nicht nur das Gehäuse des Bremswiderstandes sondern auch der Motor, auf dem das System elektrisch leitend verschraubt ist unter Spannung gesetzt.
    • Es bleibt ein genügend hoher Isolationswiderstand des Systems erhalten.
    • Es bleibt eine genügend hohe Spannungsfestigkeit des Systems erhalten.
    • Es liegt eine hinreichende thermische Sicherheit vor, also eine Sicherheit gegen Überhitzung des Systems mit einer daraus resultierenden Gefährdung von umliegenden Bauelementen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dieser Drahtabschnitt zumindest abschnittsweise vom Träger umgeben oder in diesen eingebettet.
  • Der Aufbau des Bremswiderstandes ist besonders einfach, wenn der Träger zwei Trägerelemente aufweist, zwischen denen der Drahtabschnitt verläuft, während die verbleibende Drahtwicklung um die beiden Trägerelemente verläuft.
  • Bevorzugt wird es weiterhin, wenn die Drahtwicklung sich von einem anschlussseitigen Endabschnitt des Trägers weg, hin zu einem anderen Endabschnitt erstreckt und dann zwischen den Trägerelementen zum anschlussseitigen Endabschnitt rückgeführt ist und dort dann mit einem Anschlusselement verbunden ist. D.h. bei dieser Variante erstreckt sich die Drahtdurchleitung zwischen den beiden Trägerelementen.
  • Diese werden vorzugsweise plattenförmig ausgebildet, so dass diese Drahtrückführung/Drahtdurchleitung zwischen den Platten verläuft und sich entsprechend ein sandwichartiger Aufbau ergibt.
  • Eine Lichtbogenbildung im Umlenkungsbereich lässt sich weitestgehend verhindern, wenn die Wicklung im Abstand zum anderen Endabschnitt des Trägers in Richtung zum anschlussseitigen Endabschnitt umgelenkt ist. Dies kann relativ einfach bewirkt werden, in dem diese Umlenkung entlang einer in dem anderen Endabschnitt des Trägers ausgebildeten Ausnehmung erfolgt.
  • Auch eine seitliche Lichtbogenbildung kann vermieden werden, wenn der umwickelte Bereich des Trägers gegenüber seinen Endabschnitten zurückgesetzt ist, so dass diese beidseitig über die Wicklung überstehen.
  • Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Träger aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Material, wie z.B. Mikanit oder dergleichen hergestellt.
  • Besonders bevorzugt wird es, wenn der Drahtwiderstand als Flachdraht ausgebildet ist. Der Abstand der Drahtwindungen soll bei einem Ausführungsbeispiel mehr als 1,5 mm betragen. Selbstverständlich kann auch Runddraht verwendet werden, in diesem Fall ist der Abstand geringer, beispielsweise 0,25 mm.
  • Die Abstände richten sich nach den erforderlich Gesamtwiderstand des Systems. Ein Runddraht wird vorzugsweise in Stärken zwischen 0,1 mm bis 0,45 mm verwendet. Mit derartigen Durchmessern lassen sich relativ große Widerstandswerte realisieren. Falls ein kleinerer Widerstand erforderlich ist, wird Flachdraht bevorzugt.
  • Die Montage des Bremswiderstandes ist besonders einfach, weil der Träger am anschlussseitigen Endabschnitt Ausnehmungen hat, in denen die Endabschnitte der Wicklung vorfixiert werden können.
  • Der Bremswiderstand wird vorzugsweise mit einem Kühlkörper ausgebildet, der einen das Drahtwickelelement aufnehmenden Aufnahmeraum hat, wobei sich die Anschlussleitungen durch einen stirnseitigen Verschluss des Kühlkörpers hindurch erstrecken.
  • Die elektrische Isolierung gegenüber dem Kühlkörper ist besonders wirksam, wenn das Drahtwiderstandselement in eine Füllung eingebettet ist und zwischen Füllung und Kühlkörper weitere Isolationselemente angeordnet werden.
  • Dementsprechend wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zunächst der Drahtwiderstand von der Anschlussseite her zwischen den beiden Teilen des Trägers hindurchgeführt und an dem gegenüberliegenden Endabschnitt des Trägers umgelenkt. In der Folge wird dann der Träger mit dem Widerstandsdraht umwickelt, wobei sich die Wickelrichtung hin zum anschlussseitigen Endabschnitt des Trägers erstreckt.
  • Bei einer Variante der Erfindung kann das Drahtwickelelement auch mit dem Kühlkörper verpresst werden, wobei zwischen dem Drahtwickelelement und dem Kühlkörper elektrisch isolierende Platten als Isolationskörper vorgesehen werden. Bei einer derartigen Variante kann auf die beschriebene Füllung verzichtet werden.
  • Alternativ kann das Drahtwickelelement auch mit einem elektrisch isolierenden Material umgossen werden, das ein Wärmespeicher- und Wärmeübertragungselement ausbildet. Der ausgehärtete Block kann dann in den Aufnahmeraum des Kühlkörpers eingesetzt werden. Prinzipiell ist es auch möglich, das Drahtwickelelement direkt im Kühlkörper zu vergießen.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Bremswiderstandes;
    • Figur 2 den Bremswiderstand aus Figur 1 bei abgenommener Deckfläche;
    • Figur 3 eine Ansicht eines Drahtwickelelementes des Bremswiderstandes gemäß den Figuren 1 und 2;
    • Figur 4 eine zeichnerisch aufgebrochene Darstellung des Drahtwickelelementes gemäß Figur 3;
    • Figur 5 eine Einzeldarstellung der Drahtwicklung des Drahtwickelelementes gemäß den Figuren 3 und 4 und
    • Figur 6 eine Schnittdarstellung einer Variante eines Bremswiderstands.
  • Figur 1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung eines erfindungsgemäßen Bremswiderstandes 1.
  • Die Erfindung wird anhand eines Widerstands (Brems-, Entlade- oder Hochlastwiderstand) erläutert. Prinzipiell lässt sich das erfindungsgemäße Konzept jedoch auch als Heizwiderstand bei einem Heizer verwenden.
  • Demgemäß hat dieser einen als Aluminium-Stranggussprofil ausgebildeten Kühlkörper 2, in dessen im Folgenden noch näher erläuterten Aufnahmeraum (siehe Figur 2) ein Drahtwickelelement aufgenommen ist. Die Kontaktierung dieses Drahtwickelelementes erfolgt über zwei Anschlussleitungen 4, 6, die einen anschlussseitigen Verschluss 8 durchsetzen. Der Kühlkörper 2 dient als Wärmespeicher, der die am Drahtwickelelement entstehende Wärme aufnimmt. Der erwärmte Kühlkörper steht dann im Wärmeaustausch mit der Umgebung.
  • Der Kühlkörper ist mit die Wärmeaustauschfläche vergrößernden Kühlrippen 10 ausgeführt und hat in den Eckbereichen Ausnehmungen 12, die eine Befestigung des Kühlkörpers 2 an einem Gehäuse oder dergleichen ermöglichen. An dem von den Anschlussleitungen 4, 6 entfernten Endabschnitt des Kühlkörpers 2 ist, wie im Folgenden noch näher erläutert, ein bodenseitiger Verschluss ausgebildet. Bei dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Kühlrippen 10 lediglich in einer oberen Deckwandung, im Folgenden Deckfläche 14 genannt, ausgebildet, selbstverständlich können diese auch in der unten liegenden Deckfläche 16 ausgebildet werden. Diese Deckflächen überstehen den Grundkörper des Kühlkörpers 2 seitlich, so dass Seitenwandungen 18, 20 etwa als U-Profil ausgebildet sind. In dieses U-Profil können Zusatzelemente, wie z.B. Temperaturfühler oder -begrenzer montiert werden. Auch andere Geometrien sind möglich.
  • Figur 2 zeigt den Bremswiderstand gemäß Figur 1 mit abgenommener Deckfläche 14, so dass das angesprochene Drahtwickelelement 22 sichtbar ist. Der dargestellte Schichtaufbau dieses Bremswiderstandes 1 ist im Prinzip aus dem eingangs genannten Stand der Technik gemäß der DE 10 2011 001 362 A1 bekannt, so dass hier nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente beschrieben werden. Das Drahtwickelelement 22 ist in einen Aufnahmeraum 24 des Kühlkörpers 2 eingesetzt. Dieser Aufnahmeraum 24 ist durch die beiden U-förmigen Seitenwandungen 18, 20, die beiden Deckwandungen oder Deckflächen 14, 16 (Deckfläche 14 in der Darstellung gemäß Figur 2 entfernt), den anschlussseitigen Verschluss 8 und den erwähnten weiteren bodenseitigen Verschluss 26 begrenzt. Die beiden plattenförmigen Verschlüsse 8, 26 können beispielsweise aus Metall, Keramik oder Glas bestehen und sind vorzugsweise mit dem Kühlkörper 2 verstemmt.
  • Im Abstand zum Verschluss 26 ist ein Mikanit-Plättchen 28 angeordnet, das mittels einer nicht dargestellten Vergussmasse oder dergleichen lagefixiert ist. Auch ein Einpressen des Mikanit-Plättchens 28 ist möglich. Dieses Plättchen 28 grenzt an zwei längsseitige Mikanit-Isolierplatten 30, 32 an, die sich hin zu zwei anschlussseitigen Plättchen 34, 36 erstrecken. Diese sind wiederum im Abstand zum Verschluss 8 angeordnet und mittels einer Dichtmasse gehalten. Wie in der DE 10 2011 001 362 A1 erläutert, haben diese beiden Plättchen 34, 36 wechselseitig ausgebildete Ausnehmungen, die sich im zusammengefügten Zustand zu Durchführungen für die beiden Anschlussleitungen 4, 6 ergänzen, wobei diese Durchführungen den Umfang der Leitungen umgreifen. Entsprechende Durchführungen 37a, 37b sind auch im Verschluss 8 ausgebildet.
  • Im Bereich zwischen dem Drahtwickelelement 22 und der unteren Deckfläche 16 sowie der in Figur 2 abgenommenen oberen Deckfläche 14 des Kühlkörpers 2 sind noch je Seite zumindest eine Mikanit-Bodenplatten vorgesehen, zwischen denen dann das Drahtwickelelement 22 angeordnet ist. Dementsprechend bilden diese beiden Mikanit-Bodenplatten, die längsseitig angeordneten Isolierplatten 30, 32 und die stirnseitig angeordneten Plättchen 28, 34, 36 einen geschlossenen Isolierkörper, der das Drahtwickelelement 22 kastenförmig umgreift. Der Aufnahmeraum 24 wird mit einer Sandfüllung gefüllt, die durch Rütteln teilverfestigt wird, so dass das Drahtwickelelement 22 zuverlässig im Aufnahmeraum 24 lagepositioniert und auch effektiv thermisch an den Kühlkörper angekoppelt ist. Dabei wird auch der Draht lagepositioniert.
  • Der Aufbau des Drahtwickelelementes 22 erschließt sich aus den Figuren 3 bis 5. Die Figuren 3 und 4 zeigen eine Einzeldarstellung des Drahtwickelelementes 22 gemäß Figur 2. Das Drahtwickelelement 22 hat einen aus Mikanit hergestellten Träger 38, der gemäß der aufgebrochenen Darstellung in Figur 4 im Prinzip aus zwei Mikanit-Trägerelementen 40, 42 besteht, von denen in der Darstellung gemäß Figur 3 nur das Trägerelement 42 sichtbar ist. Dieses überdeckt das in Figur 4 oben liegende Trägerelement 40.
  • Die beiden im Wesentlichen deckungsgleichen Trägerelemente 40, 42 haben einen anschlussseitigen Endabschnitt 44 und einen davon entfernten Endabschnitt 46, die beidseitig gegenüber einem dazwischen angeordneten Wickelabschnitt 48 verbreitert sind. Am anschlussseitigen Endabschnitt 44 sind zwei Anschlussbereiche 50, 52 vorgesehen, die jeweils durch eine Schweißbrücke gebildet sind, an die die beiden Anschlussleitungen 4, 6 angepunktet oder auf sonstige Weise angebunden sind. Der Träger 38 trägt die eigentliche Drahtwicklung. Der hier verwendete Widerstandsdraht 54 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Flachdraht mit rechteckförmigem Querschnitt ausgebildet und ist aus einer Heizdrahtlegierung hergestellt. Der Wicklungsabstand W beträgt vorzugsweise mehr als 0,5 mm. Wie eingangs erläutert, kann anstelle eines Flachdrahtes auch ein Runddraht verwendet werden. In diesem Fall liegen die Drahtdurchmesser üblicherweise im Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,45 mm.
  • Beim Wickeln kann in einem ersten Arbeitsgang zunächst das in Figur 3 unten liegende und in Figur 4 oben liegende Ende 56 des Drahts 54 mit dem Anschlussbereich 52 der Anschlussleitung 4 kontaktiert werden. In einem folgenden Arbeitsgang wird dann der Draht 54 zwischen den beiden Trägerelementen 42, 44 hindurch hin zu einer am anderen Endabschnitt 46 des Trägers 38 ausgebildeten Ausnehmung 58 geführt und dort umgelenkt. Dieser Umlenkungsbereich des Drahts ist in Figur 4 mit dem Bezugszeichen 60 versehen. Von diesem Umlenkungsbereich 60 wird der Draht 54 dann zum benachbarten Bereich des Wickelabschnittes 48 geführt und anschließend der Träger 38 umwickelt, bis der Draht 54 wieder den anschlussseitigen Endabschnitt 44 erreicht. Das entsprechende Ende 62 des Drahts wird dann mit dem Anschlussbereich 50 und damit mit der Anschlussleitung 6 kontaktiert. Eine Vorfixierung der Drahtwicklung ist dadurch möglich, dass die jeweiligen Enden 56, 62 in zwei Ausnehmungen 64, 66 eingeklemmt werden, so dass dann nach der Montage die Kontaktierung mit den Anschlussleitungen 4, 6 erfolgen kann.
  • Der zwischen den beiden Trägerelementen 40, 42 durchgeleitete Drahtabschnitt 68 ist gegenüber der außen liegenden Wicklung durch die beiden plattenförmigen Mikanit-Trägerelemente 40, 42 thermisch isoliert. Im Fehlerfall wird sich der zwischen den Trägerelementen 40, 42 liegende Drahtabschnitt 68 deutlich mehr erhitzen als die außen liegende, vom Kühlkörper 2 gekühlte Wicklung, so dass entsprechend auch das Durchbrennen im Bereich dieser Durchleitung erfolgt. Das Durchbrennen erfolgt hierbei derart, dass sich sofort eine Unterbrechungsstelle bildet, welche so weit ist, dass ein sich bildender Lichtbogen schnell unterbrochen wird. So wird das Element eigensicher, insbesondere ist ein Körperschluss (elektrische Verbindung zum Gehäuse) unmöglich.
  • Eine Beschädigung weiterer Bauelemente durch eine thermische Überhitzung ist somit zuverlässig ausgeschlossen.
  • Figur 5 zeigt eine Einzeldarstellung des gewickelten Drahts 54. Man erkennt den zwischen den beiden Trägerelementen 40 und 42 verlaufenden Drahtabschnitt 68, der sich durch das Innere der Wicklung erstreckt und mit seinem Ende 56 mit dem Anschluss 52 kontaktiert wird. Dieser etwas schräg zur Wickelachse verlaufende Drahtabschnitt 68 ist im Bereich der Umlenkung 60 umgelenkt; die eigentliche Wicklung erstreckt sich dann wieder zurück, nach rechts in Figur 5 und endet in dem etwas schräg angestellten Ende 62, das mit dem weiteren Anschluss 50 kontaktiert werden kann.
  • Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das Drahtwickelelement 22 mit den einen Isolierkörper bildenden Mikanitplatten in den Aufnahmeraum 24 des Isolierkörpers 2 eingesetzt, wobei der verbleibende Hohlraum mit einem Füllstoff, beispielsweise MgO verfüllt ist, um das Drahtwickelelement 22 im Aufnahmeraum 24 zu positionieren. Diese Verfüllung ist vergleichsweise aufwendig. Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das erfindungsgemäße Drahtwickelelement 22 mit interner Rückführung und die dieses umgebenden Mikanit-Isolierplatten, von denen hier die längsseitig angeordneten Isolierplatten 30, 32 und die beiden Bodenplatten 70, 72 sichtbar sind, in den Aufnahmeraum 24 eingesetzt und dann wie in der EP 1 852 878 B1 beschrieben miteinander verpresst werden. Bei diesem Verpressen werden die dargestellten Seitenwandungen 74, 76 in der dargestellten Weise nach innen eingezogen, so dass das Drahtwickelelement 22 mit dem zugehörigen Isolierkörper zuverlässig lagepositioniert ist. Bei dieser Verpressung werden die Wicklungen des Drahts in den Träger 38 und/oder die Bodenplatten 70, 72 eingedrückt, so dass eine sehr gute Wärmeübertragung gewährleistet ist. Des Weiteren wird durch die innige Kontaktierung des Drahtes mit dem Träger 38 und den elektrisch isolierenden Platten des Isolierkörpers eine gute Wärmespeicherfähigkeit bewirkt.
  • Eine weitere Möglichkeit auf eine fertigungstechnisch aufwendige Füllung zu verzichten, besteht darin, das mit einer internen Rückleitung ausgeführte erfindungsgemäße Drahtwickelelement 22 mit einem Wärmespeicher- und Übertragungselement zu vergießen. Das heißt, dass Drahtwickelelement 22 wird mit einem aushärtendem Material vergossen, welches beispielsweise aus einer Mischung aus MgO und Wasserglas bestehen kann und unter Schutzgasatmosphäre und Temperatur aushärtet. Dieses elektrisch isolierende Vergussmaterial umschließt das Drahtwickelelement 22, so dass dieses als "Block" in den Aufnahmeraum 24 des Kühlkörpers 2 eingeschoben werden kann. Die Befestigung kann dabei beispielsweise durch Einpressen oder Verpressen erfolgen. Prinzipiell ist es auch möglich das Drahtwickelelement direkt im Aufnahmeraum 24 zu vergießen, so dass dieser praktisch als Gießform wirkt. In diesem Fall könnte sogar auf die isolierenden Mikanitplättchen verzichtet werden.
  • Offenbart ist ein Widerstand, vorzugsweise ein Brems-, Entlade- oder Hochlastwiderstand und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Widerstandes, bei denen ein Drahtabschnitt einer Drahtwicklung thermisch gegenüber der sonstigen Drahtwicklung isoliert ist, so dass im Fehlerfall der Drahtabschnitt versagt.
    • Bezugszeichenliste:
    • 1
    Bremswiderstand
    2
    Kühlkörper
    4
    Anschlussleitung
    6
    Anschlussleitung
    8
    Anschlussseitiger Verschluss
    10
    Kühlrippen
    12
    Ausnehmung
    14
    Deckfläche
    16
    Deckfläche
    18
    Seitenwandung
    20
    Seitenwandung
    22
    Drahtwickelelement
    24
    Aufnahmeraum
    26
    Verschluss
    28
    Plättchen
    30
    Isolierplatte
    32
    Isolierplatte
    34
    Plättchen
    36
    Plättchen
    37a
    Durchführung
    37b
    Durchführung
    38
    Träger
    40
    Trägerelement
    42
    Trägerelement
    44
    Endabschnitt
    46
    Endabschnitt
    48
    Wickelabschnitt
    50
    Anschlussbereich
    52
    Anschlussbereich
    54
    Widerstandsdraht
    56
    Ende
    58
    Ausnehmung
    60
    Umlenkungsbereich
    62
    Ende
    64
    Ausnehmung
    66
    Ausnehmung
    68
    Drahtabschnitt
    70
    Bodenplatte
    72
    Bodenplatte
    74
    Seitenwandung
    76
    Seitenwandung

Claims (14)

  1. Widerstand, vorzugsweise Brems-, Entlade- oder Hochlastwiderstand mit einem Drahtwickelelement (22), das eine um einen Träger (38) gewickelte Drahtwiderstandswicklung hat, deren Enden (56, 62) mit Anschlussbereichen (50, 52) verbindbar sind, wobei ein Drahtabschnitt (68) im Vergleich zur sonstigen Drahtwicklung gegenüber der Umgebung verbessert thermisch isoliert ist, so dass im Fehlerfall das Drahtwickelelement (22) in diesem Drahtabschnitt (68) versagt, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (38) an einem anschlussseitigen Endabschnitt (44) Ausnehmungen (64, 66) zum Vorfixieren der Enden (56, 62) hat.
  2. Widerstand nach Patentanspruch 1, wobei der Drahtabschnitt (68) zumindest abschnittsweise vom Träger (38) umgeben ist.
  3. Widerstand nach Patentanspruch 1 oder 2, wobei der Träger (38) zwei Trägerelemente (40, 42) hat, zwischen denen der Drahtabschnitt (68) verläuft, während die verbleibende Drahtwicklung im Wesentlichen um die Trägerelemente (40, 42) verläuft.
  4. Widerstand nach Patentspruch 3, wobei die Drahtwicklung sich von einem anschlussseitigen Endabschnitt (44) des Trägers (38) weg hin zu einem anderen Endabschnitt (46) erstreckt und zwischen den Trägerelementen (40, 42) zum anschlussseitigen Endabschnitt (44) durchgeleitet ist.
  5. Widerstand nach Patentanspruch 3 oder 4, wobei die Trägerelemente (40, 42) plattenförmig ausgebildet sind.
  6. Widerstand nach Patentanspruch 4 oder 5, wobei die Durchleitung im Abstand zum anderen Endabschnitt (46) des Trägers (38) in Richtung zum anschlussseitigen Endabschnitt (44) oder zur Wicklung umgelenkt ist.
  7. Widerstand nach Patentanspruch 6, wobei die Umlenkung (60) entlang einer im anderen Endabschnitt (46) ausgebildeten Ausnehmung (58) erfolgt.
  8. Widerstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei ein Wickelabschnitt (48) des Trägers (38) gegenüber den Endabschnitten (44, 46) zurückgesetzt ist.
  9. Widerstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Träger (38) aus Mikanit besteht.
  10. Widerstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Draht als Flachdraht ausgebildet ist.
  11. Widerstand nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, wobei der Draht als Runddraht ausgeführt ist.
  12. Widerstand nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einem Kühlkörper (2), der einen das Drahtwickelelement (22) aufnehmenden Aufnahmeraum (24) hat, wobei sich die Anschlussleitungen (4, 6) durch einen Verschluss (8) hindurch erstrecken,
  13. Widerstand nach Patentanspruch 12, wobei das Drahtwickelelement (22) in eine isolierende Füllung eingebettet ist oder mit dem Kühlkörper verpresst ist oder in ein Wärmeübertragungs- und Speicherelement eingegossen ist.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandes nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit den Schritten:
    - Bereitstellen eines zumindest zweiteiligen Trägers (38);
    - Durchleiten eines Endes (56) eines Drahtes zwischen Trägerelementen (40, 42) des Trägers (38) von einem anschlussseitigen Endabschnitt (44) hin zu einem anderen Endabschnitt (46);
    - Umlenken des Drahts im Bereich des anderen Endabschnittes (46) und Umwickeln des Trägers (38) hin zum anschlussseitigen Endabschnitt (44);
    - Vorfixieren der Enden (56, 62) in am anschlussseitigen Endabschnitt (44) angeordneten Ausnehmungen (64, 66) des Trägers (38).
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