DE4225677A1 - Drosselspule für einen Stromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drosselspule für einen Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Drosselspule für einen Stromrichter ist aus der DE 40 08 424 A1 bekannt. Dort wird eine Drosselspule für einen Stromrichter mit einer auf einem zylinderförmigen Wicklungsträger aufgewickelten Drosselwicklung vorgeschla­ gen, bei der der Wicklungsträger aus mindestens zwei je­ weils stab- oder rohrförmigen Wicklungsträgerabschnitten besteht, die jeweils über Verbindungsteile miteinander ver­ bunden sind. Die jeweils die Teilwicklungen der Drossel­ wicklung tragenden Wicklungsträgerabschnitte sind so ange­ ordnet, daß sich die erzeugten Magnetfelder teilweise ge­ genseitig aufheben bzw. abschwächen. Diese Drosselspule eignet sich jedoch nicht zur Flüssigkeitskühlung.

Eine wassergekühlte, in Gießharz (Vergußmasse) eingebettete Drosselspule für Stromrichteranlagen ist aus der DE 37 43 222 C2 bekannt. Die Spule ist in einem Kreisring­ behälter aus magnetischem Material angeordnet und versie­ gelt, wobei an dem Behälterdeckel stoffschlüssig ange­ brachte Tüllen zur Durchführung der elektrischen Zuleitun­ gen vorhanden sind, und wobei der Raum zwischen Spule und Behälterwandung zur Stützung und als Wärmebrücke mit der Vergußmasse ausgefüllt ist. Die Spule ist mit ihrem Behäl­ ter in einem von dem Kühlwasser durchströmten Kessel ange­ ordnet, wobei in Zwischenräumen zwischen dem Kreisringbe­ hälter und Magnetteilen der Drosselspule oder zwischen die­ sem, dem Kessel und einem darin angeordneten Füllkörper Wasserführungen derart angeordnet sind, daß sie eine schraubenlinienartige Führung des Kühlwassers um den Kreis­ ringbehälter erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drosselspule für einen Stromrichter der eingangs genannten Art anzuge­ ben, die mit Brauchwasser gekühlt werden kann und die nur ein geringes externes Magnetfeld abgibt.

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

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß die Drosselspule effizient gekühlt wer­ den kann und dabei sehr einfach aufgebaut ist.

Ferner sind keine aufwendigen magnetischen Abschirmeinrich­ tungen notwendig, um störende, nach außen wirkende Magnet­ felder zu reduzieren. Die gemäß dem Toroid-Prinzip aufge­ baute Drosselspule ist rüttelsicher und robust und darüber­ hinaus sehr kompakt, wodurch Gewichts- und Raumvorteile er­ zielt werden, was insbesondere beim Einbau der Drosselspule in einem gekapselten, wassergekühlten Stromrichtermodul für ein Schienenfahrzeug von großer Wichtigkeit ist. Da die von der Drosselspule nach außen abgegebenen Magnetfelder sehr gering sind, werden nur relativ geringe Verluste in den me­ tallenen Gehäusewandungen des Stromrichtermoduls erzeugt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

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

Fig. 1 einen seitlichen Schnitt durch eine erste Va­ riante einer Drosselspule,

Fig. 2 einen Schnitt in der Nähe einer Anschlußseite der Drosselspule,

Fig. 3, 4 alternative Wicklungsträgergestaltungen,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Drosselspule mit zu­ sätzlicher Außenkühlung,

Fig. 6 einen Schnitt durch einen zwischen Wicklungs­ träger und Tauchrohr gebildeten Spalt,

Fig. 7 eine zweite Variante einer Drosselspule.

In Fig. 1 ist ein seitlicher Schnitt durch eine erste Va­ riante einer Drosselspule dargestellt. Es sind zwei paral­ lel und unmittelbar nebeneinander angeordnete, rohrförmige Wicklungsträger 1, 2 zu erkennen, die zum einen für das Aufbringen der Wicklung 3 und zum anderen als Kühlkörper für die Innenkühlung der Drossel dienen. Die Wicklungsträ­ ger 1, 2 bestehen beispielsweise aus einem dünnwandigen Kunststoffrohr mit einer hohen mechanischen Festigkeit, ei­ nem dauerhaft sehr guten Isoliervermögen und einer hinrei­ chend guten Wärmeleitfähigkeit. Beispielsweise eignet sich ein GFK-Rohr mit Gießharz oder ein Polyamidrohr. Varianten sind in den Fig. 3 und 4 dargestellt.

Jeder Wicklungsträger 1 bzw. 2 weist an seinem einen Ende eine Elektroanschlußseite 1a bzw. 2a und an seinem anderen Ende eine Kühlanschlußseite 1b bzw. 2b auf. Die aus zwei Teilwicklungen bestehende Wicklung 3 beginnt beispielsweise an der Elektroanschlußseite 1a, erstreckt sich schrauben­ förmig bis zur Kühlanschlußseite 1b, wechselt von dort zur Kühlanschlußseite 2b und verläuft weiter schraubenförmig bis zur Elektroanschlußseite 2a. Der sich um die einzelnen Wicklungsträger windende Wicklungsstrang kann aus einer Vielzahl elektrisch voneinander isolierter Einzeldrähte be­ stehen, was die elektrischen Verluste bei Betrieb der Dros­ selspule reduziert. Daneben ist es jedoch auch möglich, die Wicklung als Aluminium-Gußteil einstückig auszubilden.

Eine Bandage 4 um den Wicklungsstrang hat eine mehrfache Funktion und stellt zum ersten eine elastische Pufferung dar, die Spannungs- oder Schockrisse verhindert, dient zum zweiten zur Abkoppelung der Wicklungserwärmung auf den nachstehend näher beschriebenen äußeren Umguß 5 und erhöht zum dritten die mechanische Festigkeit.

Der vorzugsweise aus Gießharz gebildete Umguß 5 umhüllt die Wicklung 3 an ihren nach außen gerichteten Mantel- und Stirnflächen und stellt somit die elektrische Isolation der Wicklung 3 nach außen sicher. Damit die Temperaturen am nicht gekühlten Wicklungsanfang 3a und Wicklungsende 3b nicht auf zu hohe Werte ansteigen, sind dort starke Querschnittsvergrößerungen der Wicklung vorgesehen. Dies ist durch entsprechende Gestaltung der Endarmaturen 6 und 7 berücksichtigt und konstruktiv gelöst. Bei einer als Alumi­ nium-Gußteil ausgebildeten Wicklung können die im Quer­ schnitt vergrößerten Endarmaturen 6, 7 gleichzeitig mit dem Wicklungsstrang gegossen werden. Zur Gewährleistung der Kurzschlußfestigkeit sind die Endarmaturen 6, 7 über Ver­ schraubungen 8, 9 mit den Wicklungsträgern 1, 2 verbunden. Zusätzlich hält auch der Umguß 5 Wicklung 3 und Endarma­ turen 6, 7 fest zusammen. Die "Schrumpfkraft" des Umgusses 5 stellt auch den zur Anpressung der Wicklung auf die Wick­ lungsträger notwendigen Druck sicher, wodurch sich ein guter Wärmeübergang von der Wicklung zum Wicklungsträger ergibt.

In den sich zwischen beiden Wicklungsträgern 1,2 ausbil­ denden externen Zwischenräumen ist jeweils eine Magnetab­ schirmkappe 10a, 11a angeordnet. Diese Magnetabschirmkappen 10a, 11a reduzieren die von der Drosselspule nach außen ab­ gegebenen, randseitigen Magnetfelder, so daß nur relativ geringe elektrische Verluste in den die Drossel umgebenden metallenen Gehäusewandungen eines Stromrichtermoduls er­ zeugt werden. Die Magnetabschirmkappen 10a, 11a können bei­ spielsweise auf Stegen 12a, 13a montiert (verschraubt) sein, die Teil des Umgusses 5 sind und zusätzlich zur Kurz­ schlußfestigkeit der Drosselspule beitragen.

Wie vorstehend bereits erwähnt, weist die Drosselspule eine Innenkühlung unter Einsatz von Kühlflüssigkeit - vorzugs­ weise Brauchwasser - auf. Hierzu ist die Drosselspule gemäß erster Variante an der Kühlanschlußseite unter Zwischenlage von Dichtungen 14 auf einer Kühlschiene 15 montiert. Die Kühlschiene 15 weist einen Kühlflüssigkeitsvorlauf 16 und hiervon getrennte Kühlflüssigkeitsrückläufe 17a, 17b auf. Dabei gelangt die Kühlflüssigkeit über mit dem Kühlflüssig­ keitsvorlauf 16 verbundene, tief in den Innenraum des Wick­ lungsträgers 1 ragende Tauchrohre 18a, 18b (Wasserleitroh­ re) in die Drosselspule und strömt über Rücklauföffnungen 19a, 19b zum Kühlflüssigkeitsrücklauf 17a, 17b. Diese Tauchrohr/Rücklauföffnung-Anordnung ist bei beiden Wick­ lungsträger-Innenräumen vorgesehen. Die weiteren Enden der Wicklungsträger 1, 2 - die Elektroanschlußenden 1a, 2a - sind bei der ersten Variante durch Deckel 26 mit Deckel­ dichtring 27 hydraulisch verschlossen. Während des Rück­ strömens der Kühlflüssigkeit wird die von der Wicklung 3 während des Betriebes produzierte, über die Wicklungsträger 1, 2 geleitete Verlustwärme über die Innenmantelfläche des Trägers 1, 2 an die Flüssigkeit abgegeben. Dabei kann ein Temperatursprung von ca. 150°C an der Wicklung 3 auf ca. 70°C an der Innenmantelfläche des Trägers 1, 2 auftreten. Zur Erzielung hoher Kühlflüssigkeitsgeschwindigkeiten kön­ nen die sich zwischen Innenmantelfläche der Wicklungsträger 1, 2 und Außenmantelfläche der Tauchrohre 18a, 18b ergeben­ den Spalte 28a, 28b zur Führung der Kühlflüssigkeit eng ausgebildet sein.

Die Montage der Drosselspule innerhalb eines Stromrichter­ moduls gestaltet sich sehr einfach, da lediglich eine 2-Punkt-Lagerung an beiden Stirnflächen notwendig ist. Als erste Befestigungspunkte dienen die Endarmaturen 6, 7 an den Elektroanschlußseiten 1a, 2a, die hierzu mit Schrauban­ schlüssen versehen sind. Als zweite Befestigungspunkte die­ nen die Verschraubungen zwischen Kühlschienen 15 und den Kühlanschlußseiten 1b, 2b der Wicklungsträger (Schiebe- und Fixlagerbefestigungen).

In Fig. 2 ist ein Schnitt in der Nähe einer Anschlußseite der Drosselspule dargestellt. Es sind die Wicklungsträger 1, 2, die Wicklung 3, der Umguß 5 und die Magnetabschirm­ kappen 10a, 10b zu erkennen. Die Lage der Tauchrohre 18a, 18b innerhalb der Innenräume der Wicklungsträger 1, 2 und die Spalte 28a, 28b sind angedeutet.

In Fig. 3 ist eine alternative Wicklungsträgergestaltung dargestellt. Bei dieser Variante bestehen die Wicklungsträ­ ger aus Verbundrohren mit einem inneren Metallrohr 20 mit aufgebrachter elektrischer Isolation 21. Die elektrische Isolation 21 besteht beispielsweise aus Gießharz mit Alumi­ niumnitrid als Füllstoff. Durch den Zusatz dieses Füllstof­ fes wird die Wärmeabfuhr verbessert. Auf die elektrische Isolation 21 ist die Wicklung 3 aufgebracht. Diese Variante hat den Vorteil, daß die Kühlflüssigkeit nicht in direkten Kontakt mit der elektrischen Isolierung gelangt. Ferner ist das Verbundrohr mechanisch sehr stabil.

In Fig. 4 ist eine weitere alternative Wicklungsträgerge­ staltung dargestellt. Bei dieser Variante bestehen die Wicklungsträger aus Porzellan- oder Keramikrohren 22. Diese Variante hat ebenfalls den Vorteil, daß die Kühlflüssigkeit (Brauchwasser) nicht in Kontakt mit einem organischen Iso­ liermittel tritt. Aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit von Porzellan oder Keramik kann die Wandstärke der Rohre 22 re­ lativ dick sein, was zu einer mechanisch sehr stabilen Kon­ struktion führt. Bei dieser Variante sind Temperaturdiffe­ renzen bis zu 90°C möglich.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine Drosselspule mit zu­ sätzlicher Außenkühlung dargestellt. Es sind Wicklungs­ träger 1, 2 mit Wicklung 3 und Bandage 4 zu erkennen. Eine Isolierhülle 23 dient zur äußeren elektrischen Isolation der Wicklung. Mittels einer weiteren äußeren Hülle 24 wird ein Kühlmantel 25 für die Kühlflüssigkeitsströmung zwischen Isolierhülle 23 und Hülle 24 gebildet. Die Kühlflüssigkeit tritt beispielsweise über eine Vorlauföffnung aus dem Kühlflüssigkeitsvorlauf der Kühlschiene in die Hohlräume 33 der Wicklungsträger 1, 2 ein und fließt über die Spalte 28a, 28b und den Kühlmantel 25 zurück in den Kühlflüssig­ keitsrücklauf der Kühlschiene. Die Innenkühlung der Dros­ selspule mittels Tauchrohre 18a, 18b und Spalte 28a, 28b ist ebenfalls zu erkennen. Diese Variante einer Drossel­ spule ist bei sehr leistungsstarken Drosselspulen einsetz­ bar, bei denen eine Innenkühlung allein zur Verlustwärmeab­ fuhr nicht ausreicht.

In Fig. 6 ist ein Schnitt durch einen zwischen Wicklungs­ träger 1 und Tauchrohr 18a gebildeten Spalt dargestellt. Es ist zu erkennen, daß der Spalt mit Hilfe von drei Trennste­ gen 29 in drei Spaltsegmente 28a′, 28a′′, 28a′′′ parallel zur Hauptachse der Drosselspule unterteilt ist. Diese Maß­ nahme verhindert, daß sich ein ringförmiger elektrisch leitfähiger Wassermantel ausbilden kann und wird selbstver­ ständlich auch beim Spalt 28b sowie beim Kühlmantel 25 an­ gewendet.

In Fig. 7 ist eine zweite Variante einer Drosselspule dar­ gestellt. Es ist eine Drosselspule 30 mit Endarmaturen 6, 7 für den elektrischen Anschluß zu erkennen, bei dem die Elektroanschlußseite gleichzeitig auch eine Kühlanschluß­ seite ist, d. h. die Drosselspule 30 wird von zwei Kühlflüs­ sigkeitsleitungen 31, 32 durchdrungen, die an beiden Stirn­ flächen aus der Drosselspule austreten, wobei die Wicklung 3 der Drosselspule die beiden Kühlflüssigkeitsleitungen 31, 32 umschließt. Jede der beiden Kühlflüssigkeitsleitungen 31, 32 ist doppelwandig aufgebaut, so daß der äußere Mantel den Wicklungsträger 1 und der innere Mantel das Tauchrohr, z. B. 18a, bildet. Der zwischen beiden Mänteln befindliche Spalt, z. B. 28a, dient wiederum zur Drosselkühlung, während der Hohlraum 33 im Innenraum des inneren Mantels vorteil­ haft zum Kühlflüssigkeitstransport dient.

Claims (13)

1. Drosselspule für einen Stromrichter, mit zwei par­ allel und unmittelbar nebeneinander angeordneten, rohrför­ migen Wicklungsträgern, die eine aus zwei Teilwicklungen bestehende Wicklung tragen, wobei Wicklungsanfang und Wick­ lungsende an einer Stirnseite angeordnet sind, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wicklungsträger (1, 2) als Kühlkörper zur Innenkühlung der Drosselspule mit einer elektrisch leitfähigen Kühlflüssigkeit dienen und in den Innenraum ei­ nes jeden Wicklungsträgers (1, 2) ein Tauchrohr (18a, 18b) ragt, wodurch zur Kühlflüssigkeitskühlung geeignete Spalte (28a, 28b) zwischen Tauchrohren (18a, 18b) und Wicklungsträ­ gern (1, 2) gebildet werden.

2. Drosselspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Wicklung (3) am Wicklungsanfang (3a) und am Wicklungsende (3b) jeweils einen vergrößerten Querschnitt aufweist.

3. Drosselspule nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (3) mit einer Bandage (4) umwickelt ist.

4. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umguß (5) die Dros­ selspule umhüllt, wobei lediglich die Endarmaturen (6, 7) der elektrischen Anschlüsse und die Stirnseiten ausgespart sind.

5. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsträger (1, 2) aus einem Kunststoffrohr bestehen.

6. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsträger (1, 2) aus einem GFK-Rohr bestehen.

7. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsträger (1, 2) aus einem Verbundrohr mit innerem Metallrohr (20) und äußerer elektrischer Isolation (21) besteht.

8. Drosselspule nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die elektrische Isolation (21) aus einem Gießharz mit Aluminiumnitrid als Füllstoff besteht.

9. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsträger (1, 2) aus einem Porzellan- oder Keramikrohr (22) bestehen.

10. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroanschluß­ seiten (1a, 2a), an denen sich Wicklungsanfang und Wick­ lungsende befinden, hydraulisch abgedichtet sind und ledig­ lich die gegenüberliegenden Kühlanschlußseiten (1b, 2b) zum hydraulisch dichten Anschluß an eine Kühlschiene (15) ge­ eignet ausgebildet sind.

11. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungsträger (1, 2) beide Stirnseiten durchstoßen.

12. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Außenküh­ lung über einen Kühlmantel (25) zwischen einer die Wicklung (3) bedeckenden Isolierhülle (23) und einer äußeren Hülle (24), wobei der Kühlmantel (25) hydraulisch dicht mit Kühlflüssigkeitsvorlauf (16) und Kühlflüssigkeitsrücklauf (17) eines Kühlflüssigkeitssystems verbunden ist.

13. Drosselspule nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen Tauch­ rohren (18a, 18b) und Wicklungsträgern (1, 2) gebildeten Spalte (28a, 28b) und/oder der Kühlmantel (25) durch Trenn­ stege (29) in Segmente parallel zur Hauptachse der Drossel­ spule unterteilt ist.