DE19721610A1 - Drosselbaugruppe für ein Stromrichtergerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosselbaugruppe für ein Stromrichtergerät ge­ mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung kann beispielsweise zum Auf­ bau von Stromrichtern für Straßenbahnen verwendet werden.

Aus der DE 43 38 277 A1 ist ein flüssigkeitsgekühltes Stromrichtermodul mit minde­ stens einem abschaltbaren Leistungshalbleiter und einer aus mehreren Bauelemen­ ten, wie Kondensator, Drossel und Diode bestehenden Beschaltung für den ab­ schaltbaren Leistungshalbleiter (GTO) bekannt. Dabei sind alle wesentlichen Bau­ elemente der Beschaltung auf einem einzigen, als Guß- oder Druckgußteil aus ei­ nem hochwertigen Isoliermaterial, wie Epoxyharz oder Polyesterharz hergestellten Isolierbaugruppenträger angeordnet. Der Isolierbaugruppenträger ist mit einer inte­ grierten elektrischen Leistungsstrompfadverschienung zur elektrischen Verschaltung der Beschaltungsbauelemente und mit elektrischen Anschlüssen zur Kontaktierung der Beschaltungsbauelemente versehen. Zum Aufbau des Stromrichtergerätes ist der Isolierbaugruppenträger in einem Gehäuse einzubinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drosselbaugruppe für ein Stromrich­ tergerät der eingangs genannten Art anzugeben, welche in einfacher Weise mit der die Stromrichterventile und den Halbleiterkühler aufweisenden Ventilbaugruppe ver­ bunden werden kann und mit welcher insgesamt eine beträchtliche Einsparung an Raumbedarf, Gewicht und Kosten erzielt wird.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs­ gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe der vorgeschlagenen Drosselbaugruppe eine sehr hohe Baugruppen- und Ge­ räteverdichtung bei der Konzeption eines Stromrichtergerätes erzielt wird, was Ma­ terialeinsparungen sowie Gewichts-, Volumen- und Kostenreduktionen zur Folge hat. Die Drosselbaugruppe ist absolut feuchtigkeits- und schmutzunempfindlich so­ wie rüttelsicher konzipiert, so daß ein Einsatz unter härtesten Bedingungen möglich ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Seitenfläche einer Drosselbaugruppe,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine Hauptoberfläche einer Drosselbaugruppe,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Stromrichtergerätes mit der Drosselbau­ gruppe.

In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Seitenfläche einer Drosselbaugruppe 1 (Filterdrossel) für ein Stromrichtergerät dargestellt. Es sind ein Innenkern 2, ein Au­ ßenkern 3 und zwei Seitjoche 4, 5 einer Kern-Anordnung der Filterdrossel zu er­ kennen. Zwischen Seitjoch 4 und Innenkern/Außenkern 2/3 ist ein Luftspalt 7 sowie zwischen Seitjoch 5 und Innenkern/Außenkern 2/3 ein Luftspalt 6 ausgebildet. Eine Vielzahl einzelner, parallel nebeneinander angeordneter, jeweils spiralförmig gewic­ kelter Scheibenspulen 8 winden sich um den Innenkern 2. Der Außenkern 3 ist hin­ sichtlich des Querschnittes flacher und breiter als der Innenkern 2 ausgebildet (bei gleicher Querschnittsfläche), da er zusätzlich die Scheibenspulen 8 und somit eine größere Fläche überdeckt. Für die Baukomponenten des Kerns werden vorzugswei­ se Materialien für hohe Induktion und Feldstärken herangezogen, es können auch gemischte Materialpaarungen verwendet werden. Die Scheibenspulen 8 selbst sind vorzugsweise als Aluminium-Flachwickel (Folien- oder Litzenleiter) realisiert. Diese Ausführungsart ist optimal hinsichtlich des reduzierten Raumbedarfs.

Die mechanische Festigkeit - insbesondere Rüttelfestigkeit - der Drosselbaugruppe 1 wird durch einen Isolierverguß 9 (vorzugsweise Gießharz) gewährleistet, welcher Innenkern 2, Außenkern 3, Seitjoche, 4, 5 und Scheibenspulen 8 umschließt und zudem die Luftspalte 6, 7 als Feststoff-Luftspalte realisiert.

Um eine gute Wärmeabfuhr der innerhalb der Drosselbaugruppe 1 - insbesondere in den Scheibenspulen - produzierten Wärmeenergie sicherzustellen, sind die Obersei­ ten der Scheibenspulen 8 frei von Isolierverguß 9. Die elektrische Isolation und die Wärmeübertragung nach außen erfolgen über eine massive Wärmeableitplatte 10 - bestehend aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und guter elektrischer Isolationsfähigkeit, wie vorzugsweise Keramik (beispielsweise Aluminiumoxyd oder Aluminiumnitrit) -, welche direkt auf Massivprofilen 24 der Scheibenspulen 8 aufliegt und den Wärmetransport an einen externen Kühler, beispielsweise die Unterseite des Halbleiterkühlers der in Fig. 3 dargestellten Ventilbaugruppe 18 bewirkt.

Um die Wärmeabfuhr aus den einzelnen Scheibenspulen 8 zu optimieren, sind die elektrischen Verbindungen zwischen den Scheibenspulen (d. h. die jeweiligen En­ den der einzelnen Spulen) teilweise in Form von Massivprofilen 24 mit rechteckför­ migem oder quadratischem Profil realisiert, die verbreitert sind, einen großen Quer­ schnitt aufweisen und in intensivem Kontakt zur Wärmeableitplatte 10 stehen, so daß - unter Beachtung der zur elektrischen Isolation erforderlichen Abstände - fast die gesamte Fläche der Wärmeableitplatte für die thermische Druckkontaktierung ausgenutzt wird. Die elektrischen Leiter der Scheibenspulen 8 dienen gleichzeitig der Wärmeleitung, wobei Anfang und Ende jeder Scheibenspule die entstehende Verlustwärme über die Massivprofile 24 und die Wärmeableitplatte 10 an den Kühler ableitet. Die Scheibenspulverbinder zur elektrischen Verbindung der Wicklungen benachbarter Scheibenspulen sind mit Ziffer 25 gekennzeichnet.

Die Drosselbaugruppe 1 weist neben ihrer eigentlichen Funktion als induktive elek­ trische Baukomponente weitere Funktionen auf und trägt weitere Baukomponenten, die für den Betrieb des Stromrichtergerätes von Wichtigkeit sind, wie insbesondere einen Eingangskreis mit Sicherung und Schaltelement. Sie erspart hierdurch ein separates Klemmbrett für die Eingangsanschlüsse des Stromrichtergerätes.

In der Schnitt-Darstellung gemäß Fig. 1 ist beispielhaft ein in einer Ausnehmung des Isoliervergusses 9 befindliches Schaltelement 15 des Eingangskreises gezeigt das über eine im Isolierverguß 9 eingebettete elektrische Verbindung 12 (eingegossene Stromschiene) mit den Scheibenspulen 8 verbunden ist. Ein elektrischer Anschluß 11 dient zur Verbindung der Drosselbaugruppe mit einer weiteren Baugruppe des Stromrichtergerätes, vorzugsweise mit einer in Fig. 3 gezeigten Kondensatorbau­ gruppe 19.

Zum mechanischen Schutz vor äußeren Einwirkungen ist die Drosselbaugruppe 1 von einem vorzugsweise metallischen Gehäuse 17 umgeben, das mit entsprechen­ den Durchbrüchen für die Wärmeableitplatte 10, die Bauelemente des Eingangs­ kreises und die elektrischen Anschlüsse versehen ist.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Hauptoberfläche der Drosselbaugruppe gezeigt. Es ist zu erkennen, wie die einzelnen Massivprofile 24 der Scheibenspulen 8 aus dem Isolierverguß 9 heraustreten. In der bereits vorstehend erwähnten Ausnehmung des Isoliervergusses 9 ist der komplette Eingangskreis des Stromrichtergerätes mit mehreren nebeneinander aneinandergereihten Baugruppen 13 bis 16 angeordnet, nämlich einem elektrischen Anschluß mit Sicherungshalter 13 inklusive Sicherung und Sicherungsanzeige, einem Verbindungsteil 14, dem Schaltelement 15 inklusive Schaltkammer und magnetischem Treiber und einem Antrieb 16 für das Schaltele­ ment 15. Wie bereits vorstehend erwähnt, entfallen durch die Integration des Ein­ gangskreises des Stromrichtergerätes 20 in die Drosselbaugruppe 1 vorteilhaft das sonst übliche separate Stromrichter-Klemmbrett, die Sicherungs- und Schaltkam­ merhalterung sowie insbesondere die gewichtsintensive Verkabelung für diese Bau­ gruppen.

Über innerhalb des Isoliervergusses 9 integrierte Stromschienen (siehe beispiels­ weise elektrische Verbindung 12) ergeben sich elektrisch leitende Verbindungspfade vom elektrischen Anschluß 13 mit Sicherung, weiter zum Schaltelement 15 und über die elektrische Verbindung 12 zu den Scheibenspulen 8 und von dort zum extern zugänglichen elektrischen Anschluß 11.

Zur mechanischen Befestigung der Drosselbaugruppe 1 am Stromrichtergerät 20 und insbesondere zur thermischen Druckkontaktierung ist das Gehäuse 17 mit meh­ reren Gewindebohrungen 21 versehen.

In Fig. 3 ist der prinzipielle Aufbau eines Stromrichtergerätes dargestellt. Das Stromrichtergerät 20 ist aus drei Hauptgruppen zusammengesetzt, nämlich einer zentralen Ventilbaugruppe 18 mit den Halbleiterbauelementen und dem Kühler, der vorstehend im einzelnen beschriebenen Drosselbaugruppe 1 und der Kondensator­ baugruppe 19. Sowohl die Drosselbaugruppe 1 als auch die Kondensatorbaugruppe 19 verwenden zur Ableitung der in ihren Bauelementen produzierten Wärmeenergie vorteilhaft den Kühler der Ventilbaugruppe 18.

Die mechanische Verbindung zwischen Ventilbaugruppe 18 und Drosselbaugruppe 1 erfolgt mittels Schraubbolzen 22, welche in die vorstehend erwähnten Gewinde­ bohrungen 21 eingreifen. Tellerfedern 23 zwischen dem Befestigungsflansch der Ventilbaugruppe 18 und den Schraubbolzen 22 stellen die für die optimale Wärme­ übertragung erforderliche Kontaktkraft zwischen der planeben geschliffenen Wär­ meableitplatte 10 und dem Kühler der Ventilbaugruppe ein.

Claims (4)

1. Drosselbaugruppe für ein Stromrichtergerät, gekennzeichnet durch eine in einem Isolierverguß (9) eingebettete Kern-Anordnung (2 bis 5) mit mehreren anein­ ander gereihten, jeweils spiralförmig gewickelten Scheibenspulen (8), deren elektri­ sche Verbindungen untereinander zumindest teilweise als Massivprofile (24) aus­ gebildet sind, welche in intensivem Kontakt mit einer den Isolierverguß (9) durch­ brechenden, zur thermischen Druckkontaktierung mit einem externen Kühler geeig­ neten Wärmeableitplatte (10) stehen.

2. Filterdrosselanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangskreis (13 bis 16) des Stromrichtergerätes (20) integriert ist - bestehend aus einem elektrischen Anschluß (13) mit Sicherung, einem Schaltelement (15) und einem Antrieb (16) für das Schaltelement -, wobei die elektrische Verbindung (12) zwischen Eingangskreis und Scheibenspulen (8) im Isolierverguß (9) eingebettet ist.

3. Drosselbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Isolierverguß (9) Festisolierstoff-Luftspalte (6, 7) der Kern-Anordnung (2 bis 5) gebildet werden.

4. Drosselbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein äußeres Gehäuse (17) vorgesehen ist, welches Gewindebohrun­ gen (21) aufweist, die eine thermische Druckkontaktierung der Drosselbaugruppe (1) mit einem externen Kühler ermöglichen.