DE4136176A1 - Toroiddrossel - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einer Toroiddrossel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Mit dem Oberbegriff nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der Schweizer Firmenzeitschrift: Brown Boveri Mitt. 12 (1978), S. 777-785, bekannt ist. Dort ist eine toroidförmige Luft-Drosselspule abgebildet, die eine mittlere Induktivität aufweist und mit einem stark oberschwingungsbehafteten Strom belastbar ist. Derartige Drosseln werden als Umschwing- und Löschdrosseln in Leistungsstromrichtern von Nahverkehrsfahrzeugen eingesetzt.

Für Kurzschlußströme in der Größenordnung von 100 kA- 140 kA, wie sie in Hochleistungsstromrichtern infolge von Durchzündungen auftreten können, ist eine derartige Drossel nicht geeignet. Derartige Kurzschlußströme können z. B. auftreten, wenn in einer Brückenschaltung 2 zur gleichen Phase gehörende Halbleiter ungewollt bzw. fehlerhaft gleichzeitig zünden und damit den Zwischenkreiskondensator eines Umrichters mit Gleichspannungszwischenkreis kurzschließen.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, eine Toroiddrossel der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß sie für Ströme von 100 kA einsetzbar ist und dabei ein minimales Volumen und kleine Verluste aufweist.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Segmentdrossel aus einer Vielzahl von Segmenten eines Toroids bzw. Ringwulstes nach dem Zusammenbau der Windungen in Serie oder parallel geschaltet werden kann. Es lassen sich relativ formstabile Segmente hoher Stromtragfähigkeit verwenden, die nicht wickelbar sein müssen. Damit läßt sich eine hohe mechanische Festigkeit der Toroiddrossel erreichen. Die Toroiddrossel läßt sich einfach zusammenbauen, bei Gewährleistung einer hohen Kurzschlußfestigkeit.

Ein vorgegebenes Einbauvolumen läßt sich besser ausnutzen, wobei die Geometrie der Toroiddrossel sehr genau reproduzierbar ist. Die Anzahl der Windungen und damit die Induktivität der Toroiddrossel lassen sich leicht verändern bzw. einstellen.

Bei Verwendung einer Druckbandage bzw. eines Stahlringes um die Toroiddrossel läßt sich das für die Segmente verwendete Kupfer bis zum Mehrfachen seiner Fließgrenze beanspruchen.

Für die segmentierte Toroiddrossel läßt sich ein hoher Füllfaktor mit großer Durchtrittsfläche für das Magnetfeld bei minimalem Streufluß erreichen.

Ein modularer Drosselaufbau ist durch die Wahl von mehr oder weniger Windungen bzw. radial versetzt angeordneten Windungen möglich.

Die Drosseln können außen rechteckig ausgebildet sein. Natürliche oder eine Ölkühlung mit Zwangsumlauf sind möglich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt einer perspektivisch dargestellten Toroiddrossel aus vorgefertigten Teilwicklungen,

Fig. 2 einen modularen Drosselaufbau im Ausschnitt mit radial versetzt angeordneten Teilwicklungen,

Fig. 3 eine am Außenumfang rechteckig begrenzte Toroiddrossel im Ausschnitt,

Fig. 4 eine Teilwicklung einer Toroiddrossel mit gewinkelten Verbindungselementen,

Fig. 5 ein Wicklungselement mit Mehrfachwindung,

Fig. 6 eine Winkelprofilwindung,

Fig. 7a und 7b ein Wicklungselement aus Litze,

Fig. 8 eine Segmentdrossel in Draufsicht,

Fig. 9 einen senkrechten Schnitt durch die Segmentdrossel gemäß Fig. 8 mit Druckbandage und Spannplatten,

Fig. 10 ein Segment der Segmentdrossel gemäß Fig. 8 in perspektivischer Darstellung,

Fig. 11 eine Isolierfolie der Segmentdrossel gemäß Fig. 8 und

Fig. 12 einen Ausschnitt einer Teilwicklung in flächenhafter Ausbildung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist mit (1) eine ausschnittsweise dargestellte Toroiddrossel bezeichnet, die aus mehreren U-förmigen Wicklungselementen bzw. segmentierten Teilwicklungen (2) aufgebaut ist. Die Teilwicklungen (2) sind ringförmig um eine zentrale, zylinderförmige Aussparung (6) angeordnet und weisen je einen unteren Schenkel (2a) und einen oberen Schenkel (2b) auf. Am Innenrand (4) weisen die Teilwicklungen (2) eine Breite a auf, die kleiner als eine Breite b an ihrem Außenrand (5) ist. Die beiden Schenkel (2a, 2b) besitzen nahe dem Innenrand (4) eine Höhe c, die größer als ihre Höhe d am Außenrand (5) ist. Die Breiten a und b sind so bemessen, daß das verfügbare Volumen für die Toroiddrossel (1) gut ausgenutzt wird. Die zugehörigen Höhen c und d sind so bemessen, daß eine Stromquerschnittsfläche durch jede Teilwicklung (2) gleich ist bzw. nicht mehr als 30%, vorzugsweise nicht mehr als 10% von einer mittleren bzw. Soll-Stromquerschnittsfläche abweicht. Am Außenrand (5) ist der obere Schenkel (2a) einer Teilwicklung (2) jeweils mit dem Außenrand (5) des unteren Schenkels (2a) einer benachbarten Teilwicklung (2) mittels eines elektrischen Verbindungselementes (3) aus Kupfer z. B. durch Löten elektrisch verbunden. Durch derartige elektrische Verbindungselemente (3) werden die einzelnen Teilwicklungen (2) zu einer einzigen toroidalen Windung verbunden bzw. in Reihe geschaltet. Die Toroiddrossel (1) weist 360/β Teilwicklungen auf, wobei β einen in Grad gemessenen Segmentteilungswinkel bezeichnet.

Fig. 2 zeigt ausschnittsweise um eine zentrale Aussparung (6) mehrere kreisförmig angeordnete, separate segmentierte Teilwicklungen, wobei zueinander benachbarte Teilwicklungen (7-9) in radialer Richtung eine unterschiedliche Länge (1) aufweisen. Durch eine derartige Staffelung läßt sich eine hohe Elementdichte bzw. Windungszahl der Toroiddrossel (1) erreichen. Auf diese Weise kann man bei einem großen Leiterquerschnitt einen hohen Füllfaktor erhalten.

Fig. 3 zeigt ausschnittsweise eine Toroiddrossel (1) mit mehreren Teilwicklungen (10), die in radialer Richtung unterschiedliche Länge und am Außenrand rechteckige Begrenzungen längs zueinander senkrechter Flächen (11, 12) aufweisen. Auf diese Weise läßt sich die Toroiddrossel (1) an ein vorgegebenes Volumen anpassen. Es versteht sich, daß die Außenbegrenzung auch z. B. 5eckig, 6eckig usw. gewählt werden könnte.

Fig. 4 zeigt eine U-förmige Teilwicklung (13) mit 2 symmetrischen, gewinkelten Verbindungselementen (13a, 13b), die einen Innenwinkel (α) im Bereich von 90°-150°, vorzugsweise im Bereich von 100°-130° zwischen sich einschließen. Derartige Teilwicklungen (13) können z. B. aus Aluminium oder Kupfer bestehen, als plane Blechschnitte hergestellt und erforderlichenfalls doppellagig eingesetzt werden.

Fig. 5 zeigt eine Teilwicklung bzw. ein Wicklungselement (14) mit mehreren serpentinartig übereinander angeordneten Windungen, die mittels elektrisch isolierender Distanzstücke bzw. Isolatoren (15) gegenseitig isoliert sind. Die Bezugsziffer (16) bezeichnet einen Anschlußbereich und die Bezugsziffer (17) ein nach außen umgelegtes und isoliertes Anschlußende.

Fig. 6 zeigt eine Teilwicklung (18) in einem Winkelprofil mit abgeschrägten inneren Ecken (18a) und vergrößerten Außenflächen, die durch Abbiegen aus einem Blechschnitt gewonnen sind. Mit (19) sind Verbindungsbereiche für eine nicht dargestellte Schraubverbindung bezeichnet. Mit ähnlicher Geometrie können auch massive Teilwicklungen (18) z. B. gegossen, gepreßt oder tiefgezogen hergestellt sein.

Fig. 7a zeigt eine Teilwicklung (20) aus Litze, die mit einem Wärmeleitharz zu einem kompakten, formbeständigen Element vergossen ist. Mit (21) ist ein Verbindungsprofil bezeichnet. Fig. 7b zeigt eine Schnittansicht längs einer Linie A-A in Fig. 7a. Statt aus Litze kann eine derartige Teilwicklung (20) auch aus einzelnen Blechstreifen durch Verklebung hergestellt sein, wobei die Blechstreifen verröbelt, d. h. verdrillt sind, so daß äußere Blechstreifen zyklisch nach innen und innere nach außen kommen. Damit wird eine kleine Stromverdrängung erreicht.

Fig. 8 zeigt eine Toroiddrossel (1) mit mehreren jeweils durch Isolierfolien bzw. Isolierschichten (23) getrennten Wicklungssegmenten bzw. Teilwicklungen (22), die kreisförmig um die zentrale Aussparung (6) angeordnet und in ihrer Geometrie besser in Fig. 10 zu erkennen sind. Mit β ist wieder der Segmentteilungswinkel bezeichnet. Am Anfang und Ende der aus 360°/β° Teilwicklungen zusammengesetzten Gesamtwicklung sind 2 separat ausgeführte Stromanschlußelemente (30) bzw. (31) angebracht, die besser in Fig. 9 zu erkennen sind.

Das schraffiert dargestellte und nach oben herausgeführte Stromanschlußelement (30) bildet zusammen mit dem gepunktet dargestellten und waagerecht herausgeführten Stromanschlußelement (31) ein Segment, das jedoch, abweichend von den übrigen Segmenten (22), keinen Außensteg (40) aufweist. Auf Grund der Verschränkung des Segmentes (22) sind die beiden Stromanschlußelemente (30, 31) übereinander angeordnet und, wie auch die anderen Segmente (22), durch eine besser aus Fig. 11 ersichtliche Isolierfolie (23) elektrisch gegenseitig isoliert. Die Isolierfolie (23) ist im in radialer Richtung gesehen äußeren Bereich geschlitzt, so daß sie dort einen oberen und unteren Isolierfolienabschnitt (23a, 23b) aufweist, welche Abschnitte in Fig. 8 aus Gründen besserer Übersichtlichkeit nur im Bereich der Stromanschlußelemente (30, 31) ausgezogen bzw. gepunktet dargestellt sind. Das Stromanschlußelement (30) bildet z. B. den Anfang der Gesamtwicklung und das Stromanschlußelement (31), das z. B. auch waagerecht herausgeführt sein könnte, dessen Ende.

Fig. 9 zeigt die Toroiddrossel (1) gemäß Fig. 8 in einem senkrechten Querschnitt durch deren Zentrum und zusätzlich einen zentralen Spannbolzen (28) in der Aussparung (6), obere und untere Isolierplatten (25), eine obere scheibenförmige Spannplatte (26), eine untere scheibenförmige Spannplatte (27) und eine elektrisch isoliert angebrachte Druckbandage (29) um den mittleren Teil des Torus, d. h. um einen Außenrand (41) der Teilwicklungen (22). Die aus Stahl oder aus einem Glasfasermaterial bestehende hochfeste Spannkonstruktion ist so ausgelegt, daß sie den Großteil der bei einer Stoßstrombelastung auftretenden Expansionskräfte der Wicklung aufnehmen kann. (Bei Teilwicklungen aus einfachem Blechschnitt wären die Isolierplatten (25) mit radialen Nuten versehen.)

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der zentrale Spannbolzen (28) mit scheibenförmigen Spannplatten (26, 27) aus Stahl durch Gewinde verbunden. Der Spannbolzen (28) weist in seinem Inneren einen zentralen Hohlraum bzw. Kühlmittelkanal (28a) auf. Gegenüber den Teilwicklungen (22) ist er durch Isolierringe (24) elektrisch isoliert.

Zur Kühlung durch ein Kühlmittel, vorzugsweise Öl, können in einer Teilwicklung (2) ein Kühlmittel-Einströmkanal (34) und ein Kühlmittel-Ausströmkanal (35) vorgesehen sein. Die eingetragenen Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Kühlmittels an. Alternativ dazu kann ein Kühlmittel durch strichpunktiert dargestellte schlitzförmige Öffnungen bzw. Kühlmittel-Einströmkanäle (32) in den Innenraum der Toroiddrossel (1) und von da durch Kühlmittel- Ausströmkanäle (33) und den Kühlmittelkanal (28) im Inneren des Spannbolzens (28) nach außen gelangen. Es versteht sich, daß die abzuführende Stromwärme alternativ oder zusätzlich auch mittels nicht dargestellter Kühlrippen an die Umgebung abgeführt werden kann. Mit (39) sind Übergangsstellen zu einer benachbarten, dahinterliegenden Teilwicklung (22) gekennzeichnet.

Fig. 10 zeigt ein Segment bzw. eine Teilwicklung (22) der Toroiddrossel (1) gemäß Fig. 8 aus einer massiven Windung in einer perspektivischen Ansicht im Detail. Die Teilwicklung (22) weist ein 1. bzw. Anfangsverbindungsstück (36) und ein 2. bzw. Endverbindungsstück (37) mit einer seitlichen, senkrechten Druckanlagefläche (37′) und einer waagerechten Anlagefläche (37′′) auf, die durch eine Aussparung (38) voneinander beabstandet sind. In diese Aussparung (38) wird beim Zusammenbau der Toroiddrossel (1) der obere Isolierfolienabschnitt (23a) eingeschoben. Der übrige Teil der Isolierfolie (23) dient zur elektrischen Isolierung einer Teilwicklung (22) von der benachbarten, vgl. Fig. 8 und 11. Beim Zusammenbau der Toroiddrossel (1) kommt die Druckanlagefläche des Anfangsverbindungsstückes (36) einer Teilwicklung (22) zur Anlage an die Druckanlagefläche (37′) der benachbarten Teilwicklung. Durch den Anpreßdruck wird eine elektrische Verbindung gewährleistet. Vorzugsweise wird jedoch von der Stirnseite her durch eine hochenergetische Schweißung z. B. mittels eines Elektronen- oder Laserstrahls eine nicht dargestellte Schweißnaht erzeugt, welche eine noch bessere elektrische Verbindung gewährleistet.

Wichtig ist, daß Anfangs- und Endverbindungsstücke (36, 37) zueinander passen bzw. komplementär zueinander ausgebildet sind, so daß bei der Anlage benachbarter Teilwicklungen (22) ein flächenhafter Kontakt gewährleistet ist. Relativ dicke Teilwicklungen (22) können in der gewünschten, gespreizten Form durch Gießen hergestellt werden. Flache Teilwicklungen (22) lassen sich aus einer ringförmigen Scheibe durch Auftrennen längs einer von innen nach außen führenden Schnittlinie z. B. mittels eines Laserstrahls und durch nachfolgendes Aufbiegen oder Spreizen herstellen. Benachbarte Teilwicklungen (22) werden dann längs dieser Schnittlinien verlötet oder vorzugsweise verschweißt, um eine Gesamtwicklung zu erhalten.

Fig. 12 zeigt in einem Ausschnitt eine Teilwicklung (39) mit flächiger Ausbildung und vergrößerten Außenflächen zur Verringerung von Hochfrequenzverlusten. Ein Pfeil (B) zeigt in Richtung der nicht dargestellten Verbindungsstelle.

Bei Blechschnitten können die Verbindungselemente weichgelötet, hartgelötet oder geschweißt werden. Für massiv ausgeführte Teilwicklungen eignen sich Preß- und Schraubverbindungen. Dabei werden die Teilwicklungen (2) der Reihe nach radial in einen nicht dargestellten Wicklungskörper eingeschoben und die Kontaktstellen z. B. mittels Schrauben fixiert.

Claims (11)

1. Toroiddrossel (1)

• a) mit mindestens 2 Stromanschlußelementen (30, 31) und
• b) mehreren Windungen,
• c) die nebeneinander zu einem Torus angeordnet sind,

dadurch gekennzeichnet,

• d) daß die Toroiddrossel (1) aus mehreren Teilwicklungssegmenten bzw. segmentierten Teilwicklungen (2, 7-10, 13, 18, 22, 39) besteht,
• e) daß jede Teilwicklung mindestens eine Windung aufweist und
• f) daß jede Teilwicklung mit mindestens einem Verbindungselement (3; 36, 37) zur Reihen- und/oder Parallelschaltung der Teilwicklungen in elektrisch leitender Verbindung steht.

2. Toroiddrossel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Breite (a) von Schenkeln (2a, 2b) der Teilwicklungen (2) im zentralen, inneren Bereich (4) des Torus kleiner als die Breite (b) am peripheren Außenrand (5) ist,
• b) insbesondere, daß die Höhe (c) von Schenkeln (2a, 2b) im zentralen, inneren Bereich (4) größer als die Höhe (d) am peripheren Außenrand (5) des Torus ist (Fig. 1).

3. Toroiddrossel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Schenkel von Teilwicklungen (7-10) unterschiedliche Länge aufweisen, gemessen vom zentralen, inneren Bereich (4) zum peripheren Außenrand (5; 11, 12) des Torus (Fig. 2).

4. Toroiddrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß der Torus peripher eckig,
• b) insbesondere rechteckig (11, 12) begrenzt ist (Fig. 3).

5. Toroiddrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Teilwicklung (18) ein Kastenprofil mit abgerundeten oder abgeschrägten inneren Ecken (18a) aufweist,
• b) insbesondere, daß Außenflächen der Teilwicklungen (18) gegenüber deren Innenflächen vergrößert sind (Fig. 6).

6. Toroiddrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Teilwicklungen (13) 2 Verbindungselemente (13a, 13b) aufweisen, die gegenseitig einen inneren Winkel (α) im Bereich von 90°-150°,
• b) insbesondere im Bereich von 100°-130° einschließen (Fig. 4).

7. Toroiddrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Teilwicklungen (20) aus Litze gebildet sind,
• b) insbesondere, daß die Teilwicklungen aus verröbelten bzw. verdrillten Blechabschnitten hergestellt sind (Fig. 7).

8. Toroiddrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die Teilwicklungen (22) innere und/oder äußere Kühlelemente bzw. Kühlvorrichtungen (32-35) aufweisen,
• b) insbesondere, daß im Zentrum der Toroiddrossel (1) ein Spannbolzen (28) mit einem inneren Kühlmittelkanal (28a) vorgesehen ist (Fig. 9).

9. Toroiddrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwicklungen (14) mehrere übereinanderliegende Windungen aufweisen (Fig. 5).

10. Toroiddrossel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß mindestens eine Teilwicklung (22) ein Wicklungssegment mit einer Windung
• b) und ein 1. bzw. Anfangsverbindungsstück (36) mit mindestens einer 1. Anlagestelle sowie ein davon beabstandetes 2. bzw. Endverbindungsstück (37) mit mindestens einer 2. Anlagestelle (37′, 37′′) aufweist,
• c) welche Verbindungsstücke gegenseitig verschränkt sind,
• d) insbesondere, daß das Anfangsverbindungsstück (36) eine Passung in Gestalt einer Aussparung oder eines Vorsprunges aufweist, welche zu einer Passung (37′) des Endverbindungsstückes (37) komplementär ist, und
• e) daß Anfangs- und Endverbindungsstücke (36, 37) benachbarter Teilwicklungen (22) mittels einer Schweißnaht verbunden sind.