Drosselspule mit spiralförmiger, in Isoliermaterial eingebetteter Wicklung

Abstract

 Es wird eine Drosselspule mit spiralförmiger, in Isoliermaterial eingebetteter Wicklung vorgeschlagen, wobei mindestens eine Stirnfläche (9,10) der Drosselspule (1) derart ausgebildet ist, daß hierüber die in der Wicklung (3,4,5) entstehende Stromwärme mittels thermischer Kontaktierung an mindestens einen Flüssigkeitskühlkörper (18,19) abgegeben werden kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosselspule mit spiralförmiger, in Isoliermaterial eingebetteter Wicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und kann beispielsweise bei Stromrichtern für Schienenfahrzeuge eingesetzt werden.

[0002] Eine solche Drosselspule mit spiralförmiger, in Isoliermaterial eingebetteter Wicklung ist aus der DE-OS 28 54 520 bekannt. Bei dieser Wicklung ist ein von einem Kühlmittel durchströmbares Rohr mitgewickelt, das mit der Wicklung engen Kontakt hat, so daß die in der Wicklung entstehende Stromwärme an das Kühlmittel abgeführt werden kann.

[0003] In Stromrichterschaltungen werden neben den Leistungshalbleitern Beschaltungselemente benötigt. Sie haben die Aufgabe, die Leistungshalbleiter vor Überspannungen und Überströmen zu schützen sowie kritische Spannungs- und Stromsteilheiten zu begrenzen. Diese Beschaltungselemente können Widerstände, Kondensatoren, Drosselspulen oder auch Halbleiterbauelemente sein.

[0004] Während Widerstände, Kondensatoren und Halbleiterbauelemente in Nebenstrompfaden eingesetzt sind, werden Drosselspulen insbesondere zur Strombegrenzung im Hauptstrompfad angeordnet und somit vom Laststrom durchflossen. Die hierbei entstehende Verlustleistung wird unter Berücksichtigung der Wärmestromdichte an der Oberfläche der Drosselspule oder je nach verwendetem Kühlkonzept entweder direkt oder über wärmespreizende Maßnahmen (beispielsweise unter Einsatz von Flüssigkeitskühlung) an die Umgebungsluft abgeführt.

[0005] Allgemein bekannte Anwendungen von Leistungs-Drosselspulen gehen davon aus, daß die Drosselspulen an räumlich getrennter Stelle von den schaltungsmäßig zugeordneten Leistungshalbleitern montiert werden. Dies hat teilweise aufwendige elektrische Verschienungen und Kühlmittelführungen zwischen Drosselspule und Leistungshalbleitern zur Folge.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drosselspule mit spiralförmiger, in Isoliermaterial eingebetteter Wicklung der eingangs genannten Art anzugeben, die in einem Spannverband mit mindestens einem Flüssigkeitskühlkörper und beispielsweise einem oder mehreren Leistungshalbleitern einbaubar ist.

[0007] Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0008] Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß infolge der Montage der Drosselspule innerhalb des Spannverbandes eigene Kühlmittelführungen für die Drosselspule entbehrlich sind. Die in der Wicklung der Drosselspule produzierte Stromwärme wird über eine Stirnfläche bzw. vorzugsweise über beide Stirnflächen an einen bzw. zwei Flüssigkeitskühlkörper des Spannverbandes abgegeben. Die elektrische Verschienung zwischen Leistungshalbleiter und Drosselspule ist in einfacher Weise innerhalb des Spannverbandes realisierbar. Durch die Aufteilung der metallischen elektrischen Leiter der Wicklung in mehrere parallele Einzelleiter wird eine Hochfrequenzlitze nachgebildet, ohne die Qualität der thermischen Eigenschaften der Drosselspule (Wärmeübertragung) nachteilig zu verändern.

[0009] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0010] Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Figur 1

eine Sicht auf die erste Stirnfläche der Drosselspule,

Figur 2

eine Sicht auf die zweite Stirnfläche der Drosselspule,

Figur 3

einen Schnitt durch eine Drosselspule,

Figur 4

eine Aufteilung der metallischen elektrischen Leiter der Wicklung in mehrere parallele Einzelleiter,

Figur 5

einen Spannverband mit Flüssigkeitskühlkörpern, mindestens einem Leistungshalbleiter und mindestens einer Drosselspule,

Figur 6

einen seitlichen Schnitt durch eine Drosselspule mit elektrischer Überstromsicherung,

Figur 7

eine Sicht auf die Oberseite einer Drosselspule mit Überstromsicherung,

Figur 8

eine Sicht auf die Unterseite einer Drosselspule mit Überstromsicherung.

[0011] In Figur 1 ist eine Sicht auf die erste Stirnfläche der Drosselspule dargestellt. Wie angedeutet ist, weist die Drosselspule 1 eine scheibenförmige Ausbildung und eine spiralförmige elektrische Wicklung aus einem metallischen, rechteckförmigen und hochkant gewickelten Flachleiter auf. Die Wicklung gliedert sich in einen Hinleiter 3 und einen Rückleiter 4 (siehe auch Figur 2) auf, wobei eine galvanische Verbindung 5 beider metallischer Leiter 3, 4 im Zentrum vorgesehen ist. Diese Konfiguration wird in einfacher Weise durch einen Flachleiter realisiert, der - ausgenommen im Zentrum - durchgehend geschlitzt ist, wodurch Hinleiter 3, Rückleiter 4 und Verbindung 5 gebildet werden. Die Enden des Hinleiters 3 bzw. Rückleiters 4 sind für den externen Anschluß mit einem Hinleiter-Anschluß 6 bzw. Rückleiter-Anschluß 7 verbunden, wobei beide Anschlüsse 6, 7 die seitliche Mantelfläche 2 der Drosselspule 1 durchstoßen. Als Material für Hinleiter 3 und Rückleiter 4 dienen ein elektrisch und thermisch sehr gut leitfähiges Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium. Die spiralförmige Wicklung 2 ist derart von Isolationsmaterial 8 - vorzugsweise Gießharz - umgeben, daß einerseits eine elektrische Isolation der Wicklung an der Mantelfläche und zwischen den metallischen Leitern der Wicklung gewährleistet ist, daß jedoch andererseits eine bzw. beide Stirnflächen 9, 10 (siehe auch Figur 2) der Drosselspule frei von Isolationsmaterial ist bzw. sind, so daß die spiralförmige Kontur der Wicklung sichtbar ist.

[0012] In Figur 2 ist eine Sicht auf die zweite Stirnfläche 10 der Drosselspule gezeigt. Es ist die Drosselspule 1 mit Rückleiter 4, Verbindung 5, Hinleiter-Anschluß 6, Rückleiter-Anschluß 7 und Isolationsmaterial 8 zu erkennen.

[0013] In Figur 3 ist ein Schnitt durch eine Drosselspule dargestellt. Es ist die Wicklung mit Hinleiter 3, Rückleiter 4 und Verbindung 5 im Zentrum zu erkennen. Zwischen den Leitern sowie zur seitlichen Mantelfläche der Drosselspule 1 hin befindet sich Isolationsmaterial 8. Wie zu erkennen ist, grenzt die Wicklung 3, 4, 5 an die Stirnflächen 9, 10.

[0014] In Figur 4 ist eine Aufteilung der metallischen elektrischen Leiter der Wicklung in mehrere parallele Einzelleiter gezeigt, und zwar am Beispiel des Hinleiters 3. Die Einzelleiter 11 verlaufen parallel und sind mittels eines Isolationsmaterials 12 - beispielsweise eines elektrisch isolierenden Lacks - elektrisch voneinander isoliert. Durch die Aufteilung der Leiter in mehrere parallele Einzelleiter 11 wird die Wärmeübertragung von der Wicklung zum Flüssigkeitskühlkörper nicht behindert. Gleichzeitig wird dem "Skineffekt" entgegengewirkt, d.h. eine gleichmäßige Erwärmung der Wicklung ohne störende "heiße Zonen" erzielt.

[0015] In Figur 5 ist ein Spannverband mit Flüssigkeitskühlkörpern, mindestens einem Leistungshalbleiter und mindestens einer Drosselspule schematisch dargestellt. Es sind drei Flüssigkeitskühlkörper 18, 19, 20 zu erkennen, wobei zwischen den Flüssigkeitskühlkörpern 18, 19 eine Drosselspule 1 und zwischen den Flüssigkeitskühlkörpern 19, 20 ein Leistungshalbleiter 17 angeordnet ist. Weitere Flüssigkeitskühlkörper und Bauelemente (insbesondere Leistungshalbleiter, Drosselspulen) des Spannverbandes 13 können vorhanden sein. Die hydraulischen Kühlmittelanschlüsse der Flüssigkeitskühlkörper sind mit Ziffern 21 bezeichnet. Der zur thermischen Kontaktierung innerhalb des Spannverbandes 13 notwendige mechanische Druck wird über eine Druckplatte 14, ein Federelement 16 und Spannstäbe 15 aufgebracht. Wie aus Figur 5 ersichtlich ist, erfolgt die elektrische Kontaktierung zwischen einem elektrischen Anschluß 22 des Leistungshalbleiters 17 und dem Rückleiter-Anschluß 7 der Drossel 1 in einfacher Weise über einen kurzen elektrischen Verbindungssteg 23.

[0016] Zur Herstellung der Drosselspule wird die Wicklung in einem ersten Schritt allseitig mit Gießharz vergossen. In einem zweiten Schritt erfolgt die mechanische Abtragung des Gießharzes an den Stirnflächen 9, 10, bis die metallischen Leiter zum Vorschein kommen. Eine derart ausgebildete Drosselspule 1 setzt Flüssigkeitskühlkörper mit elektrisch isolierenden thermischen Kontaktflächen voraus, beispielsweise mit keramischen Kontaktflächen. Werden jedoch Flüssigkeitskühlkörper mit elektrisch leitenden thermischen Kontaktflächen verwendet, verbleibt eine Schicht aus Isolationsmaterial 8 auch auf den Stirnflächen 9, 10, wobei die Schichtstärke entsprechend der Potentialdifferenz, der thermischen Beanspruchung und den elektrischen Eigenschaften des Isolationsmaterials 8 zu bemessen ist.

[0017] Bei Stromrichtern tritt das Problem auf, die Leistungshalbleiter vor im Fehlerfall auftretenden Überströmen zu schützen. Derartige Überströme treten beispielsweise im Kurzschlußfall auf. Eine preiswerte Möglichkeit eines Überstromschutzes besteht darin, die betroffenen Leistungshalbleiter über in Serie liegende Überstromsicherungen zu schützen. Allgemein bekannte Überstromsicherungen haben jedoch den Nachteil, daß ihr konstruktiver Aufbau eine induktionsarme Integration innerhalb eines Gerätes, insbesondere eines Stromrichtergerätes erschwert. Deshalb wird nachstehend eine Überstromsicherung vorgeschlagen, die in einfacher, raum- und gewichtsparender Art und Weise innerhalb der Drosselspule selbst integriert werden kann.

[0018] In Figur 6 ist ein seitlicher Schnitt durch eine Drosselspule mit elektrischer Überstromsicherung dargestellt. Es ist ein Isolierrohr 1' zu erkennen, das mittig einen nach außen gerichteten umlaufenden Steg 2' aufweist. Beide Enden des Isolierrohres 1' sind durch Metallkappen 3', 4' aus einem elektrisch sehr gut leitenden Material, vorzugsweise Kupfer, verschlossen. Im Innenraum des Isolierrohres verläuft ein mit beiden Metallkappen 3', 4' verbundenes Sicherungsmittel 5', vorzugsweise ein Sicherungsband. Das Sicherungsmittel 5' ist in ein Isoliermittel 6', vorzugsweise Quarzsand, eingebettet.

[0019] Zur elektrischen Kontaktierung der Metallkappe 3', 4' mit internen Anschlüssen 9', 10' der Drosselspule dienen Kontaktelemente 7', 8'. Die Wicklung der Drosselspule besteht aus Flachleitern, wobei der Hinleiter von einem ersten äußeren elektrischen Anschluß (siehe Ziffer 15' gemäß Figur 7) zum ersten zentralen internen Anschluß 9' mit Ziffer 11' und der Rückleiter vom zweiten zentralen internen Anschluß 10' zu einem zweiten äußeren Anschluß (siehe Ziffer 16' gemäß Figur 7) mit 12' bezeichnet ist. Die Flachleiter 11', 12' sind allseitig von einem Isoliermittel 13', vorzugswiese Gießharz, umgeben.

[0020] In Figur 7 ist eine Sicht auf die Oberseite einer Drosselspule mit Überstromsicherung dargestellt. Es sind die beiden äußeren elektrischen Anschlüsse 15' bzw. 16' der Drosselspule 14' für den Hinleiter 11' bzw. den Rückleiter 12' zu erkennen. Die Drosselspulenwicklung ist spiralförmig aus rechteckförmigem, hochkant angeordnetem Flachleiter gewickelt. Im Zentrum der Drosselspule 14' befindet sich die elektrische Überstromsicherung, wobei die Metallkappe 3' und das Kontaktelement 7' zur Kontaktierung dieser Metallkappe mit dem ersten zentralen internen elektrischen Anschluß 9' zu erkennen sind.

[0021] In Figur 8 ist eine Sicht auf die Unterseite einer Drosselspule mit Überstromsicherung dargestellt. Es sind die beiden äußeren elektrischen Anschlüsse 15' bzw. 16' der Drosselspule 14' für den Hinleiter bzw. den Rückleiter 12' sowie die Metallkappe 4' mit dem Kontaktelement 8' zur Kontaktierung dieser Metallkappe mit dem zweiten zentralen, internen elektrischen Anschluß 10' zu erkennen.

[0022] Die mit der Anordnung nach den Figuren 6 bis 8 erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die vorgeschlagene elektrische Überstromsicherung eine induktionsarme Integration innerhalb der Drosselspule sehr erleichtert. Es wird hierzu kein zusätzlicher Raum benötigt und ein aus mindestens einem Leistungshalbleiter und einer Drosselspule bestehender Zweig einer Stromrichterschaltung wird derart mittels einer Sicherung vor im Fehlerfall auftretenden Überströmen geschützt, ohne daß dabei zusätzliche Induktivitäten gebildet werden. Nach einem Ansprechen der Sicherung ist ein Austausch des Sicherungsmittels möglich.

Ansprüche

1. Drosselspule mit spiralförmiger, in Isoliermaterial eingebetteter Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Stirnfläche (9,10) der Drosselspule (1) derart ausgebildet ist, daß hierüber die in der Wicklung (3,4,5) entstehende Stromwärme mittels thermischer Kontaktierung an mindestens einen Flüssigkeitskühlkörper (18,19) abgegeben werden kann.

2. Drosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Stirnfläche (9,10) der Drosselspule (1) derart ausgebildet ist, daß der metallische elektrische Leiter (3,4) der Wicklung direkten thermischen Kontakt zu mindestens einem Flüssigkeitskühlkörper (18,19) hat.

3. Drosselspule nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachbildung einer Hochfrequenzlitze der metallische elektrische Leiter (3,4) der Wicklung in mehrere parallele Einzelleiter (11) aufgeteilt ist, die jeweils durch Isolationsmaterial (12) voneinander getrennt sind.

4. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse (6,7) der Wicklung die seitliche Mantelfläche (2) der Drosselspule (1) durchstoßen.

5. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung aus rechteckförmigem Flachleiter besteht, der - ausgenommen im Zentrum - durchgehend geschlitzt ist, wodurch Hinleiter (3), Rückleiter (4) und Verbindung (5) zwischen Hinleiter und Rückleiter im Zentrum gebildet werden.

6. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zur thermischen Kontaktierung erforderliche mechanische Kraft von den Federelementen (16) eines Spannverbandes (13) mit mindestens einem Flüssigkeitskühlkörper (18,19,20) und mindestens einer Drosselspule (1) aufgebracht wird.

7. Drosselspule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine elektrische Überstromsicherung mit folgenden Merkmalen:

a) es ist ein Isolierrohr (1') mit einem mittig angeformten umlaufenden Steg (2') vorgesehen,

b) über beide Enden des Isolierrohres greifen Metallkappen (3',4') aus einem elektrisch gut leitenden Material,

c) ein innerhalb des Isolierrohres (1') befindliches Sicherungsmittel (5') - vorzugsweise ein Sicherungsband - ist elektrisch leitend mit den Metallkappen (3',4') kontaktiert,

d) zur elektrischen Verbindung der internen elektrischen Anschlüsse (9',10') der Drosselspule mit den Metallkappen (3',4') sind Kontaktelemente (7',8') vorgesehen.

8. Drosselspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungsmittel (5') in einem Isoliermittel (6') - vorzugsweise Quarzsand - eingebettet ist.

Zeichnung