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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft einen Kondensator, insbesondere einen Zwischenkreiskondensator für ein Mehrphasensystem, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
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In der Leistungselektronik werden mehrere elektrische Netze über elektrische Kondensatoren in einem Zwischenkreis von Umrichtern energetisch auf einer gemeinsamen Gleichspannungsebene verkoppelt. Durch das wiederholte Auftreten von Schaltvorgängen treten frequenzabhängige hohe Verlustleistungen durch die wechselnden Ströme der Phasen auf.
Zwischenkreiskondensatoren umfassen eine Mehrzahl an Kondensatorelementen, die parallelgeschaltet werden und zusammen den Zwischenkreiskondensator ergeben. In Zwischenkreiskondensatoren für Antriebs-Inverter kommen heute Folienkondensatoren in Form von sogenannten Flachwickeln zum Einsatz, da die Zwischenkreiskondensatoren auf Basis der Flachwickel deutlich einfacher und kostengünstiger herzustellen sind als beispielsweise mit Sticktechnologie, bei der quaderförmige Kondensatorelemente zum Einsatz kommen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Kondensator, insbesondere ein Zwischenkreiskondensator für ein Mehrphasensystem, vorgeschlagen. Der Kondensator umfasst eine Mehrzahl an baugleichen Kondensatorelementen. Die baugleichen Kondensatorelemente sind parallel und/ oder seriell zueinander geschaltet und bilden zusammen den Kondensator. Dabei ist zwischen den Kondensatorelementen weinigsten ein Zwischenraum ausgebildet. Erfindungsgemäß ist in dem Zwischenraum wenigstens ein Zwischenkondensatorelement angeordnet, das mit den Kondensatorelementen parallelgeschaltet ist und so zusammen mit den Kondensatorelementen den Kondensator bildet.
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Vorteile der Erfindung
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Bei der Verwendung von Flachwickeln als Kondensatorelemente für Zwischenkreiskondensatoren ergibt sich der Nachteil, dass der zur Verfügung stehende Bauraum für den Zwischenkreiskondensator nicht optimal ausgenutzt wird, da geometriebedingt zwischen den einzelnen Flachwickeln in dem Zwischenkreiskondensator leere Zwischenräume vorhanden sind. Gegenüber dem Stand der Technik weist der Kondensator mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs den Vorteil auf, dass der für den Kondensator zu Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt werden kann und bei minimalem Bauraum eine maximale Kapazitätsdichte des Kondensators erreicht werden kann. Somit wird weiterhin ermöglicht, dass in dem gegebenen Bauraum der Verlustwiderstand und die somit erzeugten Verluste minimiert werden. So wird weiterhin die maximale Wickeltemperatur abgesenkt und es wird somit ermöglicht bei gleicher Wickeltemperatur mehr Stromfähigkeit darzustellen. Weiterhin wird durch die vorliegende Erfindung das EMV-Verhalten des Antriebs verbessert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das wenigstens eine Zwischenkondensatorelement ein geringeres Volumen als jedes der Kondensatorelemente aufweist. Ein so ausgebildetes Zwischenkondensatorelement kann vorteilhaft in die sich zwischen den Kondensatorelementen ergebenden Zwischenräume zu einem Teil ausfüllen und somit vorteilhaft die Gesamtkapazität des Kondensators erhöhen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass sich die Kondensatorelemente berühren. Die Kondensatorelemente sind dabei beispielsweise kompakt gepackt und berühren sich an verschiedenen Stellen. Beispielsweise können die Kondensatorelemente gestapelt sein und/oder nebeneinander angeordnet sein.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kondensatorelemente als Folienkondensatoren, insbesondere als Flachwickel, ausgebildet sind. Folienkondensatoren umfassen dünne Metallfolien, die durch Isolierfolien als Dielektrikum getrennt sind. Die Folien werden aufgewickelt, wodurch große Kapazitätswerte bei geringem Bauvolumen erreicht werden. Durch das Aufwickeln der Folien erhält der Folienkondensator die Form eines Wickels. Dabei sind die Folien zylinderförmig um eine Wickelachse gewickelt, so dass ein zylinderförmiger Rundwickel entsteht. Wird der Rundwickel in radialer Richtung etwas flachgedrückt, so entsteht ein sogenannter Flachwickel. Ein als Rundwinkel bezeichnetes Kondensatorelement weist einen senkrecht zur Wickelachse, um die die Folien aufgewickelt sind, kreisförmigen Querschnitt auf. Ein als Flachwickel bezeichnetes Kondensatorelement weist einen senkrecht zur Wickelachse, um die die Folien aufgewickelt sind, ovalförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Zwischenkondensatorelement als Folienkondensator, insbesondere als Rundwickel, ausgebildet ist. Sind die Kondensatorelemente als Flachwickel ausgebildet und sind diese alle baugleich ausgebildet und dabei dicht gepackt, kann ein als Rundwickel ausgebildetes Zwischenkondensatorelement vorteilhaft einfach einen Zwischenraum zwischen aneinander anliegende Kondensatorelemente eingepasst werden, beispielsweise in einen Zwischenraum zwischen vier Kondensatorelementen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass zwischen der Mehrzahl an Kondensatorelementen eine Mehrzahl an Zwischenräumen ausgebildet ist, wobei in jedem der Zwischenräume ein Zwischenkondensatorelement angeordnet ist. So werden alle Zwischenräume zwischen den Kondensatorelementen ausgenutzt um bei gleichbleibenden Gesamtbauraum des Kondensators die Kapazität des Kondensators zu erhöhen.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass zwischen jeweils vier Kondensatorelementen ein Zwischenraum angeordnet ist, wobei in dem Zwischenraum zwischen den vier Kondensatorelementen ein Zwischenkondensatorelement angeordnet ist. Sind die Kondensatorelemente, insbesondere baugleiche Kondensatorelemente, beispielsweise als Flachwickel dicht gepackt, so dass mehrere Reihen aus jeweils mehreren Kondensatorelementen übereinander angeordnet sind, so dass sich eine kompakte Packung der Kondensatorelemente ergibt, ist durch die nicht quaderförmige Form der als Folienkondensatoren ausgebildeten Kondensatorelemente zwischen jeweils vier Kondensatorelementen jeweils ein Zwischenraum ausgebildet. Sind die Kondensatorelemente so angeordnet und die Zwischenräume mit Zwischenkondensatorelementen gefüllt, so ergibt sich insgesamt eine besonders dichte Packung der Kondensatorelemente und Zwischenkondensatorelemente im Kondensator.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Zwischenkondensatorelement jedes der vier Kondensatorelemente in dem Zwischenraum berührt. So ist einerseits gewährleistet, dass der Zwischenraum möglichst gut ausgefüllt ist, andererseits wird durch den Kontakt gleichzeitig die Wärme gut und gleichmäßig über den Kondensator verteilt.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Kondensatorelemente bezüglich Ihrer Längsachsen parallel zueinander angeordnet sind. Die Längsachsen bezeichnen dabei die Achsen, entlang der sich die Kondensatorelemente mit gleichbleibendem Querschnitt erstrecken. Im Fall von Folienkondensatoren in Form von Flachwickeln oder Rundwickeln sind die Längsachsen die Wickelachsen, um die die Folien des Folienkondensators gewickelt sind. So ergibt sich eine besonders dichte Packung der Kondensatorelemente und somit eine besonders hohe Gesamtkapazität des Kondensators.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Zwischenkondensatorelement bezüglich seiner Längsachse parallel zu den Längsachsen der Kondensatorelemente angeordnet ist. So ergibt sich einen besonders dichte Packung der Kondensatorelemente und der Zwischenkondensatorelemente und somit eine besonders hohe Gesamtkapazität des Kondensators.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 zeigt eine schematische Darstellung von parallel geschalteten Kondensatorelementen in einem Kondensator,
- 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kondensators.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kondensators, der aus Kondensatorelementen zusammengesetzt ist. Der Kondensator ist ein Zwischenkreiskondensator für ein Mehrphasensystem. Der Zwischenkreiskondensator kann für Antriebsinverter eingesetzt werden.
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Unter einem Kondensatorelement 10 wird im Kontext der vorliegenden Anmeldung eine Struktur verstanden, die für sich alleine einen Kondensator bilden kann. Als Kondensatorelemente 10 können dabei verschiedene Kondensator-Technologien wie beispielsweise Stack-, Rundwickel- oder Flachwickel-Kondensatoren eingesetzt werden.
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Die Kondensatorelemente 10 sind in den Ausführungsbeispielen als Folienkondensatoren ausgebildet. Folienkondensatoren umfassen dünne Metallfolien, die durch Isolierfolien als Dielektrikum getrennt sind. Die Folien werden aufgewickelt, wodurch große Kapazitätswerte bei geringem Bauvolumen erreicht werden. Durch das Aufwickeln der Folien erhält der Folienkondensator die Form eines Wickels. Dabei sind die Folien zylinderförmig um eine Wickelachse gewickelt, so dass ein zylinderförmiger Rundwickel entsteht. Wird der Rundwickel in radialer Richtung etwas flachgedrückt, so entsteht ein sogenannter Flachwickel. Ein als Rundwinkel bezeichnetes Kondensatorelement weist einen senkrecht zur Wickelachse, um die die Folien aufgewickelt sind, kreisförmigen Querschnitt auf. Ein als Flachwickel bezeichnetes Kondensatorelement weist einen senkrecht zur Wickelachse, um die die Folien aufgewickelt sind, ovalförmigen Querschnitt oder einen Querschnitt in Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf. Die in den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 gezeigten Kondensatorelemente 10 sind alle baugleich als Flachwickel ausgebildet.
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Wie in 1 in einem Querschnitt durch einen Zwischenkreiskondensator dargestellt bilden sich bei der Verwendung von Flachwickeln als Kondensatorelemente 10 Zwischenräume 20 in dem Kondensator 1 aus. Die Zwischenräume 20 sind nicht mit Kondensatormaterial gefüllt und normalerweise mit Vergussmasse vergossen. Die Zwischenräume 20 zwischen den Kondensatorelement 10 ergeben sich, wie in 1 deutlich wird, durch die abgerundeten Ecken der als Flachwickel ausgebildeten Kondensatorelemente 10, wenn diese Kondensatorelemente 10 zu einem Kondensators 1 gepackt werden und dazu Reihen aus Kondensatorelementen 10 gestapelt werden.
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Die Kondensatorelemente 10 sind dabei derart angeordnet, dass ihre Längsachsen L parallel zueinander verlaufen. In 1 und 2 stehen die Längsachsen L der Kondensatorelemente 10 senkrecht zur Zeichnungsfläche. Die Längsachsen bezeichnen dabei die Achsen, entlang der sich die Kondensatorelemente mit gleichbleibendem Querschnitt erstrecken. Im Fall von Folienkondensatoren in Form von Flachwickeln oder Rundwickeln sind die Längsachsen L, Z die Wickelachsen, um die die Folien des Folienkondensators gewickelt sind. Die Kondensatorelemente 10 berühren sich an Berührungspunkten 15. Jeder Zwischenraum 15 ist dabei zwischen jeweils 4 Kondensatorelementen 10 zu vier Seiten hin umgeben. In den Ausführungsbeispielen in 1 und 2 sind beispielsweise fünf Reihen aus jeweils drei Kondensatorelementen 10 übereinander angeordnet.
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Die Kondensatorelemente 10, die zusammen den Kondensator 1 bilden, sind alle zueinander parallelgeschaltet, sodass sich die Kapazitäten der einzelnen Kondensatorelemente 10 aufsummieren. Zur elektrischen Kontaktierung der Kondensatorelemente 10 sind die Kondensatorelemente 10 in diesem Ausführungsbeispiel an einer Stirnseite mit einer ersten Spannungslage 2 elektrisch leitend kontaktiert und an den ersten Stirnseiten der Kondensatorelemente 10 gegenüberliegenden zweiten Stirnseiten der Kondensatorelemente 10 mit einer zweiten Spannungslage kontaktiert. Somit sind die Kondensatorelemente 10 beispielsweise zwischen der ersten Spannungslage 2 und der zweiten Spannungslage angeordnet. Der Kondensator 1 kann über elektrische Anschlüsse an der ersten Spannungslage 2 und über elektrische Anschlüsse der zweiten Spannungslage elektrisch kontaktiert werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kondensators 1. In dem Kondensator 1 sind in den Zwischenräumen 20 zwischen den Kondensatorelement 10 Zwischenkondensatorelemente 30 angeordnet. Die Zwischenkondensatorelemente 30 sind mit den Kondensatorelementen 10 parallelgeschaltet und bilden so zusammen mit den Kondensatorelementen 10 den Kondensator 1. Die Kondensatorelemente können aber auch, zumindest teilweise zueinander seriell, also in Reihe, geschaltet sein. Somit summieren sich die Kapazitäten der Zwischenkondensatorelemente 30 und die Kapazitäten der Kondensatorelemente 10 auf. Die Zwischenkondensatorelemente 30 sind dabei beispielsweise über die erste Spannungslage 2 und die zweite Spannungslage elektrisch kontaktiert und so mit den Kondensatorelementen 10 parallelgeschaltet.
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Die Zwischenkondensatorelemente 30 sind beispielsweise baugleich und ein Zwischenkondensatorelement 30 weist ein geringeres Volumen als ein Kondensatorelement 10 auf. So weist ein Zwischenkondensatorelement 30 auch eine geringere Kapazität als ein Kondensatorelement 10 auf.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind die Zwischenkondensatorelemente 30 als Folienkondensatoren ausgebildet. Die Zwischenkondensatorelemente sind dabei bevorzugt als Rundwickel ausgebildet, da sich diese besonders gut in die Zwischenräume 20 zwischen den Kondensatorelement 10 einfügen.
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Ist die in diesem Ausführungsbeispiel der Kondensator 1 aus Kondensatorelementen 10 in Form von Flachwickeln zusammengesetzt, so ergeben sich Zwischenräume 20, in die sich Zwischenkondensatorelemente 30 mit rundem Querschnitt besonders gut einsetzen lassen und den Zwischenraum 20 besonders gut auffüllen. Somit kann eine besonders hohe Gesamtkapazität des Kondensators 1 bei gleichbleibenden Bauraum erreicht werden.
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Wie in 2 dargestellt ist ein Zwischenkondensatorelement 30 zwischen jeweils vier Kondensatorelementen 10 angeordnet. Dabei berührt das Zwischenkondensatorelement 30 jedes der vier Kondensatorelemente 10 in dem Zwischenraum 20 zwischen den vier Kondensatorelementen 10. Das Zwischenkondensatorelement 30 kann die Kondensatorelemente 10 durch einen direkten Kontakt, bei dem das Zwischenkondensatorelement 30 an dem Kondensatorelement 10 anliegt, hergestellt sein. Es kann aber zwischen dem Kondensatorelementen 10 und dem Zwischenkondensatorelement 30 auch ein schmaler Spat ausgebildet und beispielsweise mit Vergussmasse gefüllt sein und so Kontakt zwischen den Kondensatorelementen 10 und dem Zwischenkondensatorelement 30 hergestellt sein.
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Die Zwischenkondensatorelemente 30 sind vorzugsweise als Folienkondensatoren, insbesondere als Rundwickel ausgebildet. Die Zwischenkondensatorelemente 30 weisen dabei eine zylinderförmige Form mit einem runden Querschnitt auf.
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Die Zwischenkondensatorelemente 30 sind dabei derart angeordnet, dass ihre Längsachsen Z parallel zu den Längsachsen L der Kondensatorelemente 10 verlaufen. In 1 und 2 stehen die Längsachsen Z der Zwischenkondensatorelemente 30 senkrecht zur Zeichnungsfläche. Die Längsachsen Z bezeichnen dabei die Achsen, entlang der sich die Kondensatorelemente mit gleichbleibendem Querschnitt erstrecken. Im Fall von Folienkondensatoren in Form von Flachwickeln oder Rundwickeln sind die Längsachsen L, Z die Wickelachsen, um die die Folien des Folienkondensators gewickelt sind.
Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.