DE112017007456T5

DE112017007456T5 - Resonanzdämpfungselement und leistungsumsetzer mit diesem

Info

Publication number: DE112017007456T5
Application number: DE112017007456.8T
Authority: DE
Inventors: Marko Koskela; Jukka Linna; Vesa Väisänen
Original assignee: Vacon Oy
Current assignee: DANFOSS DRIVES OY, FI
Priority date: 2017-04-21
Filing date: 2017-04-21
Publication date: 2020-01-02
Also published as: US11462349B2; CN110383658B; US20200126708A1; CN110383658A; WO2018192670A1

Abstract

Ein Resonanzdämpfungselement (10) für einen Leistungsumsetzer, der eine positive Stromschiene (1) und eine negative Stromschiene (2) aufweist, wobei das Resonanzdämpfungselement (10) einen Magnetkern umfasst, der mit zwei Öffnungen (11, 12) gebildet ist, durch die die positive Stromschiene (1) bzw. die negative Stromschiene (2) des Leistungsumsetzers geführt werden sollen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Resonanzdämpfungselement für einen Leistungsumsetzer und einen Leistungsumsetzer mit diesem.
Beschreibung des Stands der Technik
Das Problem, auf das sich diese Erfindung bezieht, sind Resonanzströme zwischen Umsetzer-DC-Verbindungen, wenn ein Umrichter (entweder passiv oder aktiv) mit einer Motorumrichtereinheit gekoppelt ist. Kondensatoren, beispielsweise Folienkondensatoren oder elektrolytische Kondensatoren, werden im Allgemeinen als ein DC-Verbindungsenergiespeicher in der Leistungsumsetzer-DC-Verbindung verwendet. Obwohl die ESR-Werte (Werte des äquivalenten Reihenwiderstands) in den Folienkondensatoren typischerweise viel niedriger sind als in elektrolytischen Kondensatoren, wenn diese Kondensatoren als der DC-Verbindungsenergiespeicher in der Leistungsumsetzer-DC-Verbindung verwendet werden, wird eine wenig gedämpfte LC-Schaltung zwischen den beiden Umsetzern gebildet. Diese wenig gedämpfte LC-Schaltung wird an einer speziellen Frequenz, die nahe der Leistungsumsetzerschaltfrequenz sein kann, in Resonanz sein. Als ein Ergebnis können große AC-Ströme zwischen den DC-Verbindungskondensatoren oszillieren, was Verluste und Wärme erzeugt. Der Resonanzstrom kann unerwünschte Überstromauslöser verursachen oder Schutzsicherungen durchbrennen. Im Stand der Technik sind sie, um zu verhindern, dass Schutzsicherungen durch Überstrom durchbrennen, im Allgemeinen überdimensioniert, um die AC-Stromwelligkeit zusätzlich zu dem DC-Nennstrom zu handhaben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ein Resonanzdämpfungselement bereitgestellt, das den AC-Widerstand erhöhen und den Welligkeitsstrom als eine Funktion hoher Frequenz reduzieren kann.
Gemäß einer weiteren Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ein Leistungsumsetzer, der mit einem Resonanzdämpfungselement und einer Flüssigkeitskühlanordnung integriert ist, bereitgestellt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Resonanzdämpfungselement für einen Leistungsumsetzer, der eine positive Stromschiene und eine negative Stromschiene aufweist, bereitgestellt. Das Resonanzdämpfungselement umfasst einen Magnetkern, der mit zwei Öffnungen, durch die die positive Stromschiene bzw. die negative Stromschiene des Leistungsumsetzers geführt werden sollen, gebildet ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Magnetkern aus laminiertem Lagen aus magnetischem Material mit isolierten Laminaten gebildet, wobei das isolierte Laminat eine Isolationsschicht getrennt von der Lage aus magnetischem Material oder eine Beschichtungsschicht auf der Lage aus magnetischem Material ist.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind die laminierten Lagen aus magnetischem Material durch einen Schweißstrahl, der durch den Magnetkern in der Längsrichtung der Stromschienen verläuft, zusammengeschweißt.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfassen die laminierten Lagen aus magnetischem Material laminierte Lagen aus magnetischem Siliziumstahl.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Magnetkern einen aus magnetischem Material hergestellten massiven Block.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das magnetische Material Eisen, Formstahl oder eine andere eisenbasierte Legierung.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist der Magnetkern innere Oberflächen, die zu den Stromschienen weisen, und äußere Oberflächen, die den Stromschienen entgegengesetzt sind, auf, und mehrere Grate und Rillen sind so gebildet sind, dass sie sich entlang wenigstens einer aus den inneren Oberflächen und den äußeren Oberflächen des Magnetkerns erstrecken, und die Grate und Rillen sind in der Längsrichtung der Stromschienen abwechselnd angeordnet.
In einer beispielhaften Ausführungsform weist jeder Grat in der Längsrichtung der Stromschienen eine Abmessung auf, die größer ist als eine Skin-Tiefe des Magnetkerns.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Magnetkern Folgendes: drei Schenkel, die sich jeweils in eine erste Richtung erstrecken; und zwei Balken, die sich jeweils in eine zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung erstrecken. Jeder Schenkel weist ein Ende, das mit einem Balken verbunden ist, und ein weiteres Ende, das mit dem anderen Balken verbunden ist, auf.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Magnetkern so konfiguriert, dass er einen Luftspalt in wenigstens einem der Schenkel oder der Balken aufweist.
In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Öffnungen rechteckig, rund oder oval.
Es wird außerdem ein Leistungsumsetzer offenbart, der ein Metallgehäuse und das vorstehend beschriebene Resonanzdämpfungselement und eine positive Stromschiene und eine negative Stromschiene, die sich jeweils durch die zwei Öffnungen des Magnetkerns erstrecken, umfasst.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Leistungsumsetzer ferner ein Kühlmittel, das ausgelegt ist, das Resonanzdämpfungselement zu kühlen.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Resonanzdämpfungselement mit dem Metallgehäuse thermisch verbunden, und das Kühlmittel kühlt das Resonanzdämpfungselement durch Kühlen des Metallgehäuses.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Kühlmittel einen Flüssigkeitskühlkanal integral mit dem Metallgehäuse, durch den Kühlflüssigkeit fließt.
In einer beispielhaften Ausführungsform stößt der Magnetkern an eine Außenfläche des Metallgehäuses an, und die positive Stromschiene bzw. die negative Stromschiene weisen einen positiven Ausgangsanschluss und einen negativen Ausgangsanschluss auf, die auf einer Seite des Magnetkerns, die dem Metallgehäuse entgegengesetzt ist, vorgesehen sind.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst der Leistungsumsetzer ferner eine isolierende Abdeckung, die auf das Metallgehäuse montiert ist, um den Magnetkern zu bedecken und die positive und die negative Stromschiene von den Öffnungen des Metallgehäuses, durch die sich die Stromschienen nach außen erstrecken, zu isolieren.
In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das Kühlmittel entweder einen Ventilator oder einen Kühlkörper.
Figurenliste
Die vorstehenden und andere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlicher durch die genaue Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen; es zeigen:

1 eine erläuternde perspektivische Ansicht eines Leistungsumsetzers, der mit einem Resonanzdämpfungselement integriert ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Resonanzdämpfungselement, das auf das Metallgehäuse des Leistungsumsetzers montiert ist;
3 eine isolierende Abdeckung, die auf das Metallgehäuse des Leistungsumsetzers montiert ist, um das Resonanzdämpfungselement zu bedecken und die Stromschienen von den Öffnungen des Metallgehäuses zu isolieren;
4 eine erläuternde perspektivische Ansicht des Resonanzdämpfungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 eine erläuternde Querschnittsansicht eines Schenkels eines Magnetkerns des in 4 gezeigten Resonanzdämpfungselements;
6 ein Beispiel der FFT gemessener DC-Verbindungswelligkeitsstromkomponenten mit unterschiedlichen Dämpfungskonfigurationen;
7 eine erläuternde perspektivische Ansicht der isolierenden Abdeckung von 3, gesehen von der Vorderseite;
8 eine erläuternde perspektivische Ansicht der isolierenden Abdeckung von 3, gesehen von der Rückseite;
9 eine Ersatzschaltung des Resonanzdämpfungselements, das in einer DC-Verbindungsresonanzschaltung beteiligt ist;
10A Widerstand-Frequenz-Kurven in unterschiedlichen Situationen, wenn kein Dämpfer, ein Dämpfer ohne Grate bzw. ein Dämpfer mit Graten verwendet ist;
10B eine Induktivität-Frequenz-Kurve für ein Resonanzdämpfungselement, das einen massiven Kern ohne Grate und Rillen aufweist;
11 die FFT gemessener DC-Verbindungswelligkeitsstromkomponenten mit unterschiedlichen Dämpfungskonfigurationen;
12 eine erläuternde perspektivische Ansicht eines Resonanzdämpfungselements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
13 eine erläuternde perspektivische Ansicht eines Resonanzdämpfungselements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genau beschrieben, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf die gleichen Elemente beziehen. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so gedeutet werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsform beschränkt ist; vielmehr sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, so dass die vorliegende Offenbarung umfassend und vollständig wird und sie das Konzept der Offenbarung für Fachleute vollständig vermitteln werden.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung sind zahlreiche spezifische Einzelheiten zum Zweck der Erläuterung dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen. Es wird jedoch offensichtlich sein, dass eine oder mehrere Ausführungsformen ohne diese spezifischen Einzelheiten praktiziert werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen schematisch gezeigt, um die Zeichnung zu vereinfachen.
Gemäß einem allgemeinen Konzept der vorliegenden Erfindung wird ein Resonanzdämpfungselement für einen Leistungsumsetzer, der eine positive Stromschiene und eine negative Stromschiene aufweist, bereitgestellt. Ein Leistungsumsetzer könnte ein AD-DC-Umsetzer, ein DC-AC-Umsetzer oder ein DC-DC-Umsetzer sein. Das Resonanzdämpfungselement umfasst einen Magnetkern, der mit zwei Öffnungen gebildet ist, durch die die positive Stromschiene bzw. die negative Stromschiene des Leistungsumsetzers geführt werden sollen.
Der vorgeschlagene Leistungsumsetzer, der mit dem Resonanzdämpfungselement ausgestattet ist, ist in 1 dargestellt. Die Konstruktionsstrategie ist nicht, einen eigentlichen Induktor zu konstruieren, sondern besteht vielmehr darin, ein resistives Dämpfungselement für Hochfrequenzresonanzen zu konstruieren.
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst der Leistungsumsetzer hauptsächlich ein Metallgehäuse 20; ein Resonanzdämpfungselement 10 (wird später genau beschrieben), das auf dem Metallgehäuse 20 montiert ist; eine positive Stromschiene 1 und eine negative Stromschiene 2, die sich aus dem Metallgehäuse 20 erstrecken und durch zwei Öffnungen 11 bzw. 12 des Resonanzdämpfungselements 10 geführt werden.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Resonanzdämpfungselement thermisch auf die Außenwand des Metallgehäuses 20 montiert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, beispielsweise kann in einer weiteren Ausführungsform das Resonanzdämpfungselement auf die Innenwand des Metallgehäuses 20 montiert sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Resonanzdämpfungselement innerhalb oder außerhalb des Metallgehäuses 20 installiert sein, und ein Kühlmittel, beispielsweise ein Ventilator oder ein Kühlkörper, kann vorgesehen sein, um das Resonanzdämpfungselement zu kühlen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Resonanzdämpfungselement an einen separaten Wärmeleiter, der mit einem Flüssigkeitskühlkanal verbunden ist, montiert sein.
2 zeigt ein Resonanzdämpfungselement, das auf das Metallgehäuse 20 des Leistungsumsetzers montiert ist; 4 zeigt eine erläuternde perspektivische Ansicht des Resonanzdämpfungselements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in den 1-2 und 4 gezeigt ist, umfasst in einer Ausführungsform das Resonanzdämpfungselement hauptsächlich einen Magnetkern 10. Der Magnetkern 10 ist mit zwei Öffnungen 11, 12 gebildet, durch die die positive Stromschiene 1 bzw. die negative Stromschiene 2 des Leistungsumsetzers geführt werden sollen.
Wie in 4 gezeigt ist, ist der Magnetkern 10 so konfiguriert, dass er einzelner massiver Block ist, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, beispielsweise kann in einer weiteren Ausführungsform der Magnetkern 10 aus zwei massiven Hälften, von denen jede eine Öffnung enthält, hergestellt sein.
In einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform umfasst das magnetische Material Eisen, Formstahl oder eine andere eisenbasierte Legierung. Auf diese Weise werden durch Verwendung eines massiven Eisen/Stahl-Kerns anstelle von laminiertem weichmagnetischem Stahl schnell abnehmende Induktivität und hohe Wirbelstrom-/Hysterese-Verluste erreicht. Ein massiver Kern, der beispielsweise als Hauptanteil Baustahl verwendet, ist auch preiswert und leicht herzustellen. 4 zeigt einen massiven Kern 10 mit Rillen 10g, 13 zeigt einen massiven Kern 10' ohne Rillen. Außer den Rillen ist der massive Kern 10' von 13 im Wesentlichen gleich dem massiven Kern 10 von 4.
Wie in 4 gezeigt ist, besteht das Resonanzdämpfungselement (oder auch als ein Dämpfer bezeichnet) aus einem Magnetkern 10, der drei Schenkel 11a, 11b, 11c aufweist, wie in 4 dargestellt ist. Die positive und die negative Stromschiene 1 und 2 des Leistungsumsetzers sind durch ihre eigenen Kernöffnungen 11 und 12 geführt.
Wie in 4 gezeigt ist, umfasst der Magnetkern 10 drei Schenkel 11a, 11b, 11c, von denen sich jeder in einer ersten Richtung X senkrecht zu der Längsrichtung Z der Stromschienen 1, 2 erstreckt, und zwei Balken 12a, 12b, die sich in einer zweiten Richtung Y senkrecht zu der ersten Richtung X erstrecken. Ein Ende jedes Schenkels 11a, 11b, 11c ist mit einem der beiden Balken 12a, 12b verbunden, das andere Ende jedes Schenkels 11a, 11b, 11c ist mit dem anderen Ende der beiden Balken 12a, 12b verbunden.
Wie in 4 gezeigt ist, umfassen die drei Schenkel 11a, 11b, 11c einen ersten Schenkel 11a, einen zweiten Schenkel 11b und einen dritten Schenkel 11c. Die zwei Öffnungen 11, 12 umfassen eine erste Öffnung 11, die zwischen dem ersten Schenkel 11a und dem zweiten Schenkel 11b definiert ist, und eine zweite Öffnung 12, die zwischen dem zweiten Schenkel 11b und dem dritten Schenkel 11c definiert ist.
Wie in 4 gezeigt ist, weisen die Öffnungen 11, 12 eine rechteckige Form auf. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt; die Öffnungen 11, 12 können irgendeine andere geeignete Form aufweisen, beispielsweise eine runde Form oder eine ovale Form, und eine Form der Schenkel/Balken kann dementsprechend variieren.
5 zeigt eine erläuterte Querschnittsansicht des zweiten Schenkels 11b des Magnetkerns 10 des in 4 gezeigten Resonanzdämpfungselements.
Wie in den 4-5 gezeigt ist, weist der Magnetkern 10 Innenflächen, die zu den Stromschienen 1, 2 weisen, und Außenflächen, die den Stromschienen 1, 2 entgegengesetzt sind, auf, und mehrere Grate 10r und Rillen 10g sind so gebildet, dass sie sich entlang wenigstens einer aus den Innenflächen und den Außenflächen des Magnetkerns 10 erstrecken. Mit anderen Worten erstrecken sich die Grate 10r und die Rillen 10g in einer Ebene senkrecht zu der Längsrichtung Z der Stromschienen 1, 2, und die Grate 10r und Rillen 10g sind in der Längsrichtung Z der Stromschienen 1, 2 abwechselnd angeordnet.
Der Leiter weist eine Beschaffenheit eines „Skin-Effekts“ auf, das heißt, Strom ist normalerweise in der Oberflächenschicht des Leiters konzentriert, und es befindet sich beinahe kein Strom in dem inneren Teil des Leiters. Allgemein wird die Dicke der Oberflächenschicht des Leiters, in der der Strom konzentriert ist, als eine „Skin-Tiefe“ bezeichnet. Die Skin-Tiefe kann gemäß der folgenden Formel berechnet werden: $Δ = \sqrt{\frac{2}{ωμν}}$
wobei
Δ die Skin-Tiefe angibt;
ω=2πf, wobei f die Frequenz des Stroms angibt;
µ die magnetische Permeabilität des Leiters angibt;
v die Leitfähigkeit des Leiters angibt.
In der vorstehenden Ausführungsform, die in den 4-5 gezeigt ist, nimmt durch Bilden der Grate 10r und Rillen 10g in den Oberflächen des Magnetkerns 10 die gesamte Oberfläche des Magnetkerns 10 zu, und die effektive Länge, die die Wirbelströme durchlaufen müssen, nimmt zu. Als ein Ergebnis können die Rillen 10g und Grate 10r, die zu den Oberflächen des Magnetkerns 10 hinzugefügt sind, den Dämpfer-AC-Widerstand an einer hohen Frequenz weiter steigern.
6 zeigt ein Beispiel der Dämpferleistung. In diesem Beispiel sind INU fsw = 3 kHz, AFE fsw = 8 kHz, wobei fsw die Schaltfrequenz angibt. Die Resonanzfrequenz mit den installierten Stromschienen ist etwa 6 kHz. Der DC-Nennstrom, dem der Welligkeitsstrom überlagert ist, war 420 A.
Kein Dämpfer: DC-Verbindungswelligkeitsstrom RMS 1080 A
Stahl S235-Kern ohne Rillen und Grate (1 mm Spalt): 584 A; Welligkeitsreduktion: 46 %
Stahl S235-Kern mit Rillen und Graten (1 mm Spalt): 445 A; Welligkeitsreduktion 59 %.
Wie in 11 gezeigt ist, steigern die Rillen 10g und die Grate 10r, die den Oberflächen des Magnetkerns 10 hinzugefügt sind, den Dämpfer-AC-Widerstand und reduzieren ferner den Welligkeitsstrom.
In einer Ausführungsform ist, wie in den 4-5 gezeigt ist, eine Abmessung jedes Grats 10r in der Längsrichtung Z der Stromschienen 1, 2 ausreichend größer als die Skin-Tiefe des Magnetkerns 10, so dass der Fluss nicht direkt hindurchtreten kann, sondern entlang der Rillenoberfläche verlaufen muss. Auf diese Weise ist die Länge gesteigert, über die Wirbelströme laufen müssen, und deshalb werden die Verluste durch Herstellen von Rillen in die Schenkel und Balken vergrößert. 9 zeigt eine Ersatzschaltung des Resonanzdämpfungselements 10, das in einer DC-Verbindungs-Resonanzschaltung beteiligt ist.
Wie in 9 gezeigt ist, die eine Ersatzschaltung eines Frequenzumsetzers (oder Motorantriebs) zeigt. Der Frequenzumsetzer weist zwei unterschiedliche Leistungsumsetzer auf, ein aktives Frontend (AFE), das AC in DC umsetzt, und eine Invertereinheit (INU), die DC in AC umsetzt. AFE und INU enthalten die DC-Verbindungskondensatoren C1 bzw. C2. L_bus ist die Induktivität der Stromschienen 1, 2, die AFE und INU verbinden. Jedes aus dem AFE und der INU weist einen Dämpfer (Resonanzdämpfungselement 10) auf, der aus einem frequenzabhängigen Widerstand R_damp und einer Induktivität L_damp besteht.
Der Zweck der Dämpferschaltung ist es, einen zusätzlichen Widerstand in die Schaltung einzuführen, ohne zu viel Induktivität hinzuzufügen. Der Dämpfer sollte einen geringen Widerstand für niedrige Frequenzen, jedoch einen Widerstand so hoch wie möglich für Schaltfrequenzen (> 1 kHz) bereitstellen. Der geringe Widerstand ist erwünscht, da es nicht vorteilhaft ist, die Schaltungsresonanzfrequenz auf nahe den Schaltfrequenzen und ihrer Vielfachen zu verringern.
10A zeigt Widerstand-Frequenz-Kurven in unterschiedlichen Situationen, wenn kein Dämpfer, ein Dämpfer ohne Grate bzw. ein Dämpfer mit Graten verwendet ist.
In 10A sind Messungen von einem nicht laminierten Dämpferkern. Die kleine Signalmessung unterschätzt in einem gewissen Grad die Effekte abhängig von dem DC-Arbeitspunkt und der Flussschwankung. Wie in 10A gezeigt ist, stellt dann, wenn die Schaltungsresonanzfrequenz kleiner als die Schaltfrequenz (> 1 kHz), der Dämpfer einen geringen Widerstand bereit; wenn die Schaltungsresonanzfrequenz höher wird als die Schaltfrequenz (> 1 kHz), kann der Dämpfer einen hohen Widerstand bereitstellen.
Außerdem weist, wie in 10A gezeigt ist, die DC-Verbindungsresonanzschaltung mit dem Dämpfer, der die Rillen und Grate aufweist, die in den 4-5 gezeigt sind, aufweist, den größten Widerstand an einer hohen Frequenz auf.
10B zeigt eine Induktivität-Frequenz-Kurve für ein Resonanzdämpfungselement, das einen massiven Kern 10' (siehe 13) ohne Grate und Rillen aufweist.
Wie in 10B gezeigt ist, nimmt die Induktivität des Resonanzdämpfungselements mit dem Anstieg der Frequenz schnell ab. Dadurch wird die Induktivität des Resonanzdämpfungselements an einer hohen Frequenz sehr klein. Das heißt, die Induktivität des Resonanzdämpfungselements ist an einer hohen Frequenz minimiert.
In einer Ausführungsform kann der Magnetkern 10 (einen) Luftspalt(e) in entweder den Schenkeln 11a, 11b, 11c oder den Balken 12a, 12b aufweisen oder nicht. In der in 4 gezeigten dargestellten Ausführungsform sind die Schenkel 11a, 11c mit einem Luftspalt 10a gebildet, und der Schenkel 11b und die Balken 12a, 12b sind nicht mit Luftspalten gebildet. In dieser Ausführungsform sind die Luftspalte 10a verwendet, um den BH-Kurvenarbeitspunkt in der Mitte des linearen Bereichs zu positionieren, wenn unter einer DC-Vorspannung gearbeitet wird.
Das Arbeitsprinzip des Dämpfers ist so, dass der DC-Strom, der in der DC-Verbindung fließt, einen konstanten DC-Fluss zu dem magnetischen Material erzeugt. Die Größe dieses Flusses kann mit Luftspalten gesteuert werden. Irgendeine hohe Frequenzschwankung (Stromspitze) aus diesem DC-Strom erzeugt eine leichte Hystereseschleife und Wirbelströme, und deshalb auch Hysterese- bzw. Wirbelstromverluste. Je höher die AC-Anregung ist, desto größer sind die Verluste. Die durch den Dämpfer erzeugten Verluste werden effektiv in eine Kühlflüssigkeit, die durch die Leistungsumsetzerkühlkreislauf (wird später beschrieben) fließt, durch das wärmeleitfähige Gehäuse 20 übertragen.
11 zeigt ein Beispiel der Dämpferleistung. In diesem Beispiel ist ein Messergebnis mit einem AFE-INU-Paar präsentiert. Es gab eine starke DC-Verbindungsresonanz an der AFE-Schaltfrequenz von 8 kHz, und die Dämpferschaltung stellte bis zu 51 % Reduktion für diesen Resonanzstrom bereit. Der Dämpfer mit Luftspalten leistet mehr aufgrund des mehr linearen Betriebs (nicht gesättigt aufgrund des DC-Stroms) und zusätzliche durch Streufluss induzierte Wirbelstromverluste in der Umgebung der Luftspalte. Der Dämpfer wurde aus einem massiven S235-Stahlstab mit einer Dicke von 20 mm hergestellt.
In dem Beispiel von 11 ist FFT gemessener DC-Verbindungswelligkeitsstromkomponenten mit unterschiedlichen Dämpfungskonfigurationen gezeigt. INU fsw = 3 kHz, AFE fsw = 8 kHz, wobei fsw die Schaltfrequenz angibt. Die Resonanzfrequenz mit den installierten Stromschienen ist etwa 8 kHz. Der DC-Nennstrom, dem der Welligkeitsstrom überlagert ist, war 420 A.
Kein Dämpfer: DC-Verbindungswelligkeitsstrom RMS 553 A
Stahl S235-Kern ohne Spalt: 351 A; Welligkeitsreduktion: 36,5 %
Stahl S235-Kern mit 1 mm Luftspalt: 269 A; Welligkeitsreduktion 51%
Der geringere AC-Strominhalt kombiniert mit dem DC-Nennstrom ermöglicht einen geringeren DC-Sicherungswert und verbessert die Lebensdauer des DC-Verbindungskondensators über reduzierte Temperaturen.
In der in 11 gezeigten Ausführungsform ist der Magnetkern 10 so konfiguriert, dass er massiver Block ist, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist. Das Material des massiven Blocks könnte Eisen, Formstahl oder eine andere eisenbasierte Legierung sein. Es ist das Ziel, eine hohe Permeabilität (µ_r = Tausende) und einen ziemlich geringen Widerstand (vorzugsweise ρ < 5*10^-7 Ohm/m) zu erhalten.
Wie in 1 gezeigt ist, enthält der Leistungsumsetzer ferner ein Kühlmittel, das ausgelegt ist, das Metallgehäuse 20 zu kühlen. In einer Ausführungsform umfasst das Kühlmittel, wie in den 1-3 gezeigt ist, einen Flüssigkeitskühlkanal 21 integriert in das Metallgehäuse 20, durch den Kühlflüssigkeit fließt. In einer Ausführungsform kann ein Stöpsel am Ende des Kanals vorhanden sein, der zur Verdeutlichung entfernt ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Kühlmittel, das ausgelegt ist, das Resonanzdämpfungselement zu kühlen, nicht auf die in 1 gezeigte Ausführungsform beschränkt ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Kühlmittel entweder einen Ventilator oder einen Kühlkörper umfassen.
In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das Resonanzdämpfungselement mit dem Metallgehäuse 20 thermisch verbunden, und das Kühlmittel kühlt das Resonanzdämpfungselement durch Kühlen des Metallgehäuses 20. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, beispielsweise kann das Resonanzdämpfungselement an einen separaten Wärmeleiter, der mit einem Flüssigkeitskühlkanal integriert ist, installiert sein.
Auf diese Weise kann, wie in den 1-3 gezeigt ist, die Wärme, die durch das Resonanzdämpfungselement erzeugt wird, schnell in die Kühlflüssigkeit, die durch den Flüssigkeitskühlkanal 21 fließt, übertragen werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Erfindung das Kühlmittel nicht auf die in den 1-3 gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist. Beispielsweise kann das Kühlmittel eine Wärmestrahlungssenke, die direkt auf das Metallgehäuse 20 des Leistungsumsetzers montiert ist, oder ein Wärmetauscher mit einem Kühldurchlass, der in Kommunikation mit dem Flüssigkeitskühlkanal 21 des Metallgehäuses 20 ist, sein.
Wie in 2 gezeigt ist, kann der Magnetkern 10 an das Metallgehäuse 20 geschraubt sein und in physikalischem Kontakt mit dem Metallgehäuse 20 sein. Auf diese Weise kann der Magnetkern 10 direkt an eine Außenfläche des Metallgehäuses 20 anstoßen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, beispielsweise kann der Dämpfer von dem Metallgehäuse 20 elektrisch isoliert sein oder nicht, während der geringe Wärmewiderstand erhalten bleibt.
Wie in 1 gezeigt ist, weisen die positive Stromschiene 1 bzw. die negative Stromschiene 2 einen positiven Ausgangsanschluss 1a und einen negativen Ausgangsanschluss 2a auf, der auf einer Seite des Magnetkerns, die dem Metallgehäuse entgegengesetzt ist, vorgesehen ist.
Wie in den 1-3 gezeigt ist, kann in einer beispielhaften Ausführungsform der Leistungsumsetzer ferner eine isolierende Abdeckung 30, beispielsweise eine Kunststoffabdeckung, umfassen, die auf dem Metallgehäuse 20 montiert ist, um den Magnetkern 10 zu bedecken und die positive und negative Stromschiene 1, 2 von den Gehäuseöffnungen, durch die sich die Stromschienen aus dem Gehäuse 20 heraus erstrecken, durch Positionieren von Zylindern 31, 32 (siehe 8) der Kunststoffabdeckung zu isolieren.
7 ist eine erläuternde perspektivische Ansicht der isolierenden Abdeckung 30, gesehen von der Vorderseite; 8 ist eine erläuternde perspektivische Ansicht der isolierenden Abdeckung 30, gesehen von der Rückseite.
Wie in den 7-8 gezeigt ist, umfasst die isolierende Abdeckung 30 eine Abdeckplatte und ein Paar von Positionierungszylindern 31, 32, die auf der Abdeckplatte gebildet sind und von beiden Seiten der Abdeckplatte hervorstehen. Wie in 1 gezeigt ist, werden, nachdem die isolierende Abdeckung 30 auf dem Metallgehäuse 20 des Leistungsumsetzers montiert ist, die positive und die negative Stromschiene 1, 2 durch das Paar von Positionierungszylindern 31 bzw. 32 hindurch geführt und darin positioniert.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Resonanzdämpfungselement nicht auf die in 4 gezeigte Ausführungsform beschränkt ist. Das in 4 gezeigte Resonanzdämpfungselement kann modifiziert oder verändert werden. Beispielsweise ist 12 eine erläuternde perspektivische Ansicht eines Resonanzdämpfungselements gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Wie in 12 gezeigt ist, ist der Magnetkern 100 des Resonanzdämpfungselements aus laminierten Lagen101 aus magnetischem Material mit isolierten Laminaten 102 gebildet. In einer bevorzugten beispielhaften Ausführungsform können die laminierten Lagen 101 aus magnetischem Material laminierte Lagen aus magnetischem Siliziumstahl umfassen.
Wie in 12 gezeigt ist, kann in einer Ausführungsform das isolierte Laminat 102 eine Isolationsschicht separat von der Lage 101 aus magnetischem Material oder eine Beschichtungsschicht auf der Lage 101 aus magnetischem Material sein.
Wie in 12 gezeigt ist, sind in einer Ausführungsform alle laminierten Lagen 101 aus magnetischem Material des Magnetkerns 100 durch einen Schweißstrahl 103, der durch den Magnetkern in der Längsrichtung der Stromschienen verläuft, zusammengeschweißt.
Wie in 12 gezeigt ist, sind die Lagen 101 aus magnetischem Material und die isolierten Laminate 102 abwechselnd in der Längsrichtung Z der Stromschienen 1, 2 gestapelt.
In der in 12 gezeigten Ausführungsform ist der Magnetkern mit zwei Öffnungen 110, 120 gebildet, durch die die positive Stromschiene 1 bzw. die negative Stromschiene 2 des Leistungsumsetzers geführt werden sollen.
Obwohl es nicht gezeigt ist, kann in einer Ausführungsform der Magnetkern 100 so konfiguriert sein, dass er Luftspalte in den Seitenwänden der zwei Öffnungen 110, 120 aufweist.
In der in 12 gezeigten Ausführungsform kann der laminierte Magnetkern 100 den Hystereseverlust des Dämpfers erhöhen.
Es ist durch Fachleute dieses Gebiets zu erkennen, dass die vorstehenden Ausführungsformen als erläuternd und nicht als einschränkend vorgesehen sind. Beispielsweise können viele Modifikationen an den vorstehenden Ausführungsformen durch Fachleute dieses Gebiets vorgenommen werden, und verschiedene in unterschiedlichen Ausführungsformen beschriebene Merkmale können frei miteinander kombiniert werden, ohne mit der Konfiguration oder dem Prinzip zu kollidieren.
Obwohl mehrere beispielhafte Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, ist für Fachleute zu erkennen, dass verschiedene Veränderungen oder Modifikationen in diesen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Offenbarung, deren Schutzbereich in den Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist, abzuweichen.
Wie es hier verwendet ist, sollte ein Element, das in dem Singular bezeichnet ist und dem das Wort „ein“ oder „eine“ vorausgeht, so verstanden werden, dass es nicht den Plural dieser Elemente oder Schritte ausschließt, sofern ein solches Ausschließen nicht ausdrücklich festgestellt ist. Darüber hinaus sollen Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“ der vorliegenden Erfindung nicht so interpretiert werden, dass sie die Existenz zusätzlicher Ausführungsformen, die die genannten Merkmale ebenfalls enthalten, ausschließen. Außerdem können, sofern nicht ausdrücklich das Gegenteil festgestellt ist, Ausführungsformen, die ein Element oder mehrere Elemente, die eine spezielle Eigenschaft aufweisen, „umfassen“ oder „enthalten“, zusätzliche derartige Elemente enthalten, die diese Eigenschaft nicht aufweisen.

Claims

Resonanzdämpfungselement für einen Leistungsumsetzer, der eine positive Stromschiene und eine negative Stromschiene aufweist, wobei das Resonanzdämpfungselement Folgendes umfasst: einen Magnetkern, der mit zwei Öffnungen ausgebildet ist, durch die die positive Stromschiene bzw. die negative Stromschiene des Leistungsumsetzers geführt werden sollen.
Resonanzdämpfungselement nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern aus laminierten Lagen aus magnetischem Material mit isolierten Laminaten gebildet ist; wobei das isolierte Laminat eine Isolationsschicht separat von der Lage aus magnetischem Material oder eine Beschichtungsschicht auf der Lage aus magnetischem Material ist.
Resonanzdämpfungselement nach Anspruch 2, wobei die laminierten Lagen aus magnetischem Material durch einen Schweißstrahl, der durch den Magnetkern in der Längsrichtung der Stromschienen verläuft, zusammengeschweißt sind.
Resonanzdämpfungselement nach Anspruch 2 oder 3, wobei die laminierten Lagen aus magnetischem Material laminierte Lagen aus magnetischem Siliziumstahl umfassen.
Resonanzdämpfungselement nach Anspruch 1, wobei der Magnetkern einen massiven Block, der aus einem magnetischen Material hergestellt ist, umfasst.
Resonanzdämpfungselement nach Anspruch 5, wobei das magnetische Material Eisen, Formstahl oder eine andere eisenbasierte Legierung umfasst.
Resonanzdämpfungselement nach einem der Ansprüche 1-6, wobei der Magnetkern innere Oberflächen, die zu den Stromschienen weisen, und äußere Oberflächen, die den Stromschienen entgegengesetzt sind, aufweist, und mehrere Grate und Rillen so gebildet sind, dass sie sich entlang wenigstens einer aus den inneren Oberflächen und den äußeren Oberflächen des Magnetkerns erstrecken, und die Grate und Rillen in der Längsrichtung der Stromschienen abwechselnd angeordnet sind.
Resonanzdämpfungselement nach Anspruch 7, wobei jeder Grat in der Längsrichtung der Stromschienen eine Abmessung aufweist, die größer ist als eine Skin-Tiefe des Magnetkerns.
Resonanzdämpfungselement nach einem der Ansprüche 1-8, wobei der Magnetkern Folgendes umfasst: drei Schenkel, die sich jeweils in eine erste Richtung erstrecken; und zwei Balken, die sich jeweils in eine zweite Richtung senkrecht zu der ersten Richtung erstrecken, wobei jeder Schenkel ein Ende, das mit einem Balken verbunden ist, und ein weiteres Ende, das mit dem anderen Balken verbunden ist, aufweist.
Resonanzdämpfungselement nach Anspruch 9, wobei der Magnetkern so konfiguriert ist, dass er einen Luftspalt in wenigstens einem der Schenkel oder der Balken aufweist.
Resonanzdämpfungselement nach einem der Ansprüche 1-10, wobei die Öffnungen rechteckig, rund oder oval sind.
Leistungsumsetzer, der Folgendes umfasst: ein Metallgehäuse; das Resonanzdämpfungselement nach einem der Ansprüche 1-11; eine positive Stromschiene und eine negative Stromschiene, die sich jeweils durch die zwei Öffnungen des Magnetkerns erstrecken.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 12, der ferner ein Kühlmittel umfasst, das ausgelegt ist, das Resonanzdämpfungselement zu kühlen.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 13, wobei das Resonanzdämpfungselement mit dem Metallgehäuse thermisch verbunden ist und das Kühlmittel das Resonanzdämpfungselement durch Kühlen des Metallgehäuses kühlt.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Kühlmittel einen Flüssigkeitskühlkanal integral mit dem Metallgehäuse, durch den Kühlflüssigkeit fließt, umfasst.
Leistungsumsetzer nach einem der Ansprüche 12-15, wobei der Magnetkern an eine Außenfläche des Metallgehäuses anstößt und die positive Stromschiene bzw. die negative Stromschiene einen positiven Ausgangsanschluss und einen negativen Ausgangsanschluss aufweisen, die auf einer Seite des Magnetkerns, die dem Metallgehäuse entgegengesetzt ist, vorgesehen sind.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 16, wobei der Leistungsumsetzer ferner eine isolierende Abdeckung umfasst, die auf das Metallgehäuse montiert ist, um den Magnetkern zu bedecken und die positive und die negative Stromschiene von den Öffnungen des Metallgehäuses, durch die sich die Stromschienen nach außen erstrecken, zu isolieren.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 13, wobei das Kühlmittel entweder einen Ventilator oder einen Kühlkörper umfasst.