專利名稱：用于消弧電路中的線圈構(gòu)件和功率電子電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種用于保護(hù)電路中的電學(xué)線圈構(gòu)件以及具有這種構(gòu)件的保護(hù)電路?，F(xiàn)有技術(shù)在功率電子學(xué)中，經(jīng)常應(yīng)用變流器(Umrichter)，以提供直流電壓或交流電壓。此類變流器電路具有電容器，該電容器可根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計暫時存儲電荷，該電荷相應(yīng)于高達(dá) 100焦耳或更大的能量。在故障情況發(fā)生時，必須將電容器中存儲的能量消除。所謂的消弧電路用作電學(xué)系統(tǒng)的保護(hù)電路，該消弧電路在故障情況下將供給電壓短路并因而保護(hù)待保護(hù)的電子電路。通過將供給電壓短路，通常會觸發(fā)保險裝置 (Sicherimg)，該保險裝置會將供給電壓持續(xù)中斷。此外，還應(yīng)用消弧電路以能夠在故障情況下將電容器短路，以便將其中存儲的能量消散(abbauen)。消弧電路經(jīng)常利用晶閘管運(yùn)行為功率開關(guān)。晶閘管對于高電流梯度敏感。為了其運(yùn)行，人們因而需要限制電流梯度。此類電流梯度限制通過晶閘管借助于扼流圈實現(xiàn)，也即借助于通過晶閘管限制電流上升的電感實現(xiàn)。如果此類扼流圈與上述變流器的電容器串聯(lián)，那么在閉合晶閘管(觸發(fā)的消弧電路)的情況下形成振蕩回路，該振蕩回路導(dǎo)致總體系統(tǒng)的振蕩。為了使該振蕩能夠快速消退，必須額外設(shè)有衰減，該衰減可以電阻形式實現(xiàn)。電阻隨后在消退期間將電容器中存儲的能量轉(zhuǎn)變成熱能。此外，扼流圈必須構(gòu)造成具有足夠的機(jī)械穩(wěn)定性，因為由于流經(jīng)其繞組的數(shù)十kA 的高電流，在相鄰的繞組之間出現(xiàn)相當(dāng)大的力，該力導(dǎo)致線圈繞組的變形。通過將繞組固定在合適載體上可以實現(xiàn)機(jī)械穩(wěn)定性。然而，這種變型也意味著其制備花費(fèi)的提高。與此相反，所期望的是具有繞組的扼流圈的實施方案，其具有足夠的固有穩(wěn)定性，使得可能通過流經(jīng)其繞組的電流引起的力既不會損壞又不會破壞扼流圈。然而，為此以下是必需的用來構(gòu)建扼流圈的導(dǎo)體的材料及導(dǎo)體厚度選擇成使得材料的合成機(jī)械硬度在流有觸發(fā)電流時很大程度地避免機(jī)械變形。常規(guī)導(dǎo)體通常由銅或類似的導(dǎo)電性良好的材料制成。機(jī)械硬度通過銅導(dǎo)體足夠的導(dǎo)體厚度實現(xiàn)。由此，在觸發(fā)消弧電路時出現(xiàn)的振蕩的衰減所必需的電阻然而不能通過用于扼流圈的導(dǎo)體來提供，因為其必須設(shè)置有足夠的強(qiáng)度。這使額外電阻的設(shè)置成為必需。為了實現(xiàn)具有由銅導(dǎo)體制成的此類扼流圈的消弧電路，由于可能在電容器中存儲的高能量，可應(yīng)用適于接收電容器的能量的炭質(zhì)電阻或等效物。然而，炭質(zhì)電阻很貴。此外， 除了扼流圈之外還必須設(shè)置炭質(zhì)電阻，由此又提高了為了實現(xiàn)這種消弧裝置的花費(fèi)。

實用新型內(nèi)容因而，本實用新型的目的在于，提供一種用于引開(Abfuehren)在電容器中存儲的能量的消弧電路，該消弧電路以簡單的方式構(gòu)造并且利用單個構(gòu)件來提供衰減及減小電流梯度。[0011]根據(jù)第一方面，提供用于消弧電路中的線圈構(gòu)件，其中所述線圈構(gòu)件具有導(dǎo)體，該導(dǎo)體構(gòu)成具有多個繞組的線圈繞組，以提供電感，其中所述導(dǎo)體由順磁材料構(gòu)成。根據(jù)另一方面，提供功率電子(或電氣)電路，尤其是具有變流器的功率電子電路。該電路包括-電容器；以及-消弧電路，-其中所述消弧電路包括-與電容器串聯(lián)的上述線圈構(gòu)件；以及-開關(guān)裝置，其構(gòu)造成用于將電容器及線圈構(gòu)件連接成具有諧振頻率的振蕩回路；其中所述導(dǎo)體的材料具有相對滲透性μ ρ其中導(dǎo)體基于通過諧振頻率引起的趨膚效應(yīng)而相對于導(dǎo)體的純歐姆電阻具有提高的電阻。本實用新型的原理在于，提供一種作為消弧電路的扼流圈的線圈構(gòu)件，用于引開在電容器中存儲的能量。因而，線圈構(gòu)件應(yīng)該既具有用于限制電流梯度的電感，用于衰減觸發(fā)的振蕩的電阻，也具有足夠的用于抵抗通過高電流引起的力的機(jī)械穩(wěn)定性。線圈構(gòu)件以線圈繞組形式實現(xiàn)，其導(dǎo)體橫截面可為任意大小，但必須足夠大，以盡可能沒有變形的情況下抵抗各個繞組之間的力。此外，線圈構(gòu)件具有電阻，該電阻導(dǎo)致對在由電容器及電感構(gòu)成的振蕩回路中引起的振蕩的衰減。在此，該電阻相對于純歐姆電阻(其通過選擇用來構(gòu)造線圈繞組的導(dǎo)體(具體電阻)的導(dǎo)體材料，以及其橫截面和長度是確定的)進(jìn)一步基于在振蕩回路的諧振頻率下出現(xiàn)的趨膚效應(yīng)而減小。趨膚效應(yīng)引起如下情況對于導(dǎo)線(stromleitimg)，在特定頻率在計算歐姆電阻時必須考慮的僅僅是有效的特定外部區(qū)域。皮膚深度，也即導(dǎo)體的在特定頻率時有效地確定電阻的外部區(qū)域的厚度，很大程度上依賴于用于線圈構(gòu)件的導(dǎo)體的材料的相對滲透性。 因而規(guī)定，線圈構(gòu)件利用包括如下材料的導(dǎo)體來構(gòu)造，該材料具有在通過線圈構(gòu)件的電感及電容器引發(fā)的振蕩范圍中的頻率下導(dǎo)致趨膚效應(yīng)的相對滲透性，該趨膚效應(yīng)提高線圈構(gòu)件的電阻，使得振蕩消退得更快。換言之，線圈構(gòu)件的電感及電容器用作具有如下諧振頻率的振蕩回路，在觸發(fā)消弧電路時整體裝置上的電壓和/或電流以該諧振頻率振蕩。其中在適當(dāng)選擇具有足夠高的相對滲透性的線圈構(gòu)件的材料時出現(xiàn)趨膚效應(yīng)，由此線圈構(gòu)件的電阻提高到縮短振蕩的消退時間的電阻。此外，順磁材料可以包含鐵或鋼作為主要成分。尤其是，順磁材料可以選擇成使得它具有的相對滲透性μ r > 50，優(yōu)選地，μ r > 150。根據(jù)一種實施方式，導(dǎo)體具有的橫截面積可大于5mm2，優(yōu)選地大于10mm2，尤其在 5-20mm2范圍內(nèi)。進(jìn)一步地，導(dǎo)體可設(shè)有絕緣部，使得繞組相互絕緣。(優(yōu)選地在繞組范圍內(nèi))絕緣部完全包圍導(dǎo)體。根據(jù)一種實施方式，導(dǎo)體的端部可以距離線圈繞組不大于線圈繞組的直徑的一半。線圈構(gòu)件的導(dǎo)體的端部可分別設(shè)有用于連接并用于保持線圈構(gòu)件的接觸元件。對此，接觸元件可設(shè)有接觸環(huán)、壓合接頭(Klemmverbindung)或類似物。[0026]根據(jù)電路的一種實施方式，線圈構(gòu)件具有電感，該電感得到振蕩回路的在IkHz至 IOkHz之間的諧振頻率。此外，線圈構(gòu)件可具有通過在諧振頻率下的趨膚效應(yīng)引起的電阻，該電阻在時間間隔0. Ims至IOms期間導(dǎo)致對將線圈構(gòu)件與電容器連接之后出現(xiàn)的振蕩的消退。根據(jù)另一方面，提供上述線圈構(gòu)件在上述電路中的用法。在此，電容器通過線圈構(gòu)件放電，使得所引發(fā)的振蕩回路的振蕩利用衰減來消退，其中電容器的電荷能量在線圈構(gòu)件的電阻上消散(abgebaut)。

下面，借助于附圖詳細(xì)說明本實用新型的優(yōu)選實施方式。其中圖1示出了用于連接到功率電路(Leistungsschaltung)中電容器的消弧電路；圖2示出了圖1的消弧電路中應(yīng)用的線圈構(gòu)件的透視圖；圖3示出了信號-時間圖表，該圖表用于說明通過圖1的消弧電路的晶閘管的電流的分布曲線；以及圖4示出了圖1的消弧電路的線圈構(gòu)件上的電流和電壓的分布曲線。
具體實施方式
圖1中示出了總體系統(tǒng)。該總體系統(tǒng)包括變流器1，例如逆變器，整流器等。變流器1與(采用電容器2形式的)用于電容式能量存儲的元件連接，或者備選地包括該電容器。變流器1與(例如采用電機(jī)形式的)用電器(Verbraucher) 5連接，從而以合適的方式驅(qū)動該用電器5。在總體系統(tǒng)運(yùn)行期間，對電容器2充電并且在運(yùn)行期間存儲電荷，該電荷可相應(yīng)于100焦耳或更多的能量。在切斷變流器1時，例如由于故障情況，在電容器2中存儲的電荷必須盡快消散， 使得在用電器5上不再存在電壓。所謂的消弧電路3通過使得電容器2通過短路放電的方式來接收從電容器2引開的能量。消弧電路3包括功率開關(guān)4，該功率開關(guān)4在所示實施例中構(gòu)造成晶閘管。并聯(lián)于功率開關(guān)4可提供空載二極管(未示出)。在觸發(fā)消弧電路3時，功率開關(guān)4是閉合的，從而可以根據(jù)電容器電壓的極性通過功率開關(guān)4在電容器2的接頭之間構(gòu)成導(dǎo)電連接。消弧電路3包括線圈構(gòu)件6，該線圈構(gòu)件6與功率開關(guān)4串聯(lián)，從而使得在閉合功率開關(guān)4時，電容器2的兩個接頭經(jīng)過線圈構(gòu)件6和功率開關(guān)4相互連接。線圈構(gòu)件6在單個構(gòu)件中同時提供電感及電阻。由此，與電容器2 —同構(gòu)成振蕩回路，在觸發(fā)消弧電路3 時，所述振蕩回路3以由電容器2的電容及線圈構(gòu)件6的電感確定的諧振頻率f = ^LC振蕩(假設(shè)電阻的影響可以忽略不計)。通過線圈構(gòu)件6的電阻，振蕩回路的振蕩根據(jù)衰減而消退并因而將能量由電容器2在一定的時間間隔內(nèi)引出。在振蕩消退后，能量從電容器2引開。消弧電路3構(gòu)造成用于功率電子系統(tǒng)中并且可將1000V或更高的電容器電壓消散。流經(jīng)線圈構(gòu)件6的電流在此可達(dá)數(shù)十kA，例如20kA或更高。[0041]線圈構(gòu)件6優(yōu)選地由長形導(dǎo)體構(gòu)成，該長形導(dǎo)體以多個繞組中的線圈繞組的形式形成。在觸發(fā)消弧電路時可流經(jīng)線圈構(gòu)件6的高電流在線圈構(gòu)件6的線圈繞組的繞組之間引起高引力(依賴于結(jié)構(gòu)且尤其依賴于繞組之間的距離)。該引力可在線圈構(gòu)件6的穩(wěn)定性不足時導(dǎo)致變形。因而線圈構(gòu)件6必須設(shè)有足夠的穩(wěn)定性。這通過以下方法實現(xiàn)，即線圈構(gòu)件6的長形導(dǎo)體設(shè)有足夠的橫截面，以保證線圈構(gòu)件的固有穩(wěn)定性，該固有穩(wěn)定性足夠抵抗通過電流流動引起的力。由此，可在沒有用于固定并用于承載導(dǎo)體的額外支持性裝置情況下構(gòu)成線圈構(gòu)件6。線圈構(gòu)件6的線圈繞組的繞組數(shù)量取決于期望電感，該電感確定由電容器2及線圈構(gòu)件6構(gòu)成的振蕩回路的諧振頻率。由于在高電流流動時引起的力，導(dǎo)體的總長度限于線圈繞組所需的長度，因為否則需要額外的措施來固定及保護(hù)未構(gòu)成線圈繞組的繞組的導(dǎo)體截面。由此，待應(yīng)用導(dǎo)體的總長度限于線圈繞組的繞組所需的導(dǎo)體長度。由線圈構(gòu)件6的導(dǎo)體的長度及橫截面獲得如下歐姆電阻，該歐姆電阻在應(yīng)用常規(guī)材料(例如銅)是足夠小，以便能夠?qū)е略谟|發(fā)消弧電路3時振蕩回路的振蕩快速消退?，F(xiàn)在不是額外電學(xué)構(gòu)件作為與線圈構(gòu)件6串聯(lián)的歐姆電阻，而是規(guī)定，線圈構(gòu)件6的導(dǎo)體的材料選擇成使得歐姆電阻得到提高。然而，由于上述固有穩(wěn)定性的原因，必須應(yīng)用金屬作為導(dǎo)體材料。金屬的歐姆電阻并不足以使振蕩能夠在足夠短的時間內(nèi)消退。因而規(guī)定，線圈構(gòu)件6的導(dǎo)體的材料為順磁金屬。由此，在通過電容器2及線圈構(gòu)件6引起的諧振頻率下，有效電學(xué)電阻可由于趨膚效應(yīng)而得到提高，使得消退可在足夠短的時間內(nèi)實現(xiàn)。根據(jù)一種實施方式，因而規(guī)定，代替至今應(yīng)用的銅作為較好導(dǎo)電性導(dǎo)體材料的是具有順磁特性的導(dǎo)電材料，特別是金屬，使得在振蕩回路的諧振頻率下趨膚效應(yīng)起作用并且線圈構(gòu)件6的有效電阻得到相應(yīng)提高。優(yōu)選地，用作導(dǎo)體的材料的是結(jié)構(gòu)鋼，其具有足夠高的機(jī)械穩(wěn)定性并且進(jìn)一步地根據(jù)實用新型人的測量，其具有相對滲透性l·^ 175。在金屬范圍中(也即位于具體電阻在0.015至0.3 Qmm2Ai范圍中)并且為順磁(其尤其具有相對滲透性μ r > 50，優(yōu)選地μ r > 100或μ r > 150)的具有良好導(dǎo)電性的其它材料也適于用作線圈構(gòu)件6的導(dǎo)體材料。進(jìn)一步地，趨膚效應(yīng)使得，對于增大的頻率相對滲透性下降，從而使有效電感隨著頻率上升而減小。圖2中示出了這種線圈構(gòu)件6的具體實施方案。示出了具有12個繞組的線圈繞組，其中所述12個繞組具有由結(jié)構(gòu)鋼制成的具有6mm直徑的導(dǎo)體7。繞組的直徑約為10cm。 繞組繞過直接進(jìn)入導(dǎo)體端部。導(dǎo)體端部具有(例如以接觸環(huán)形式的)接頭9，并且在線圈構(gòu)件6軸向或徑向方向上，距離這些繞組最大不大于繞組直徑的一半。導(dǎo)體7設(shè)有絕緣部8， 從而使得相互疊加的繞組彼此電絕緣。對于所述線圈構(gòu)件6的測量得出，電感及歐姆電阻對于頻率的依賴關(guān)系
f(kHz)L(uH)R(mQ)0，116，816，80，1216，817, 2111，2537, 1107, 78109207,31561006，6360 由趨膚效應(yīng)產(chǎn)生的電阻也可以由下列公式近似地表示[0049]R = ρ · 1/A,其中在圓形導(dǎo)體的情況下A = Aeff = π D2- π (D- δ )2其中
權(quán)利要求1.一種用于消弧電路(3)中的線圈構(gòu)件(6)，其中所述線圈構(gòu)件(6)具有導(dǎo)體(7)，所述導(dǎo)體(7)構(gòu)成具有多個繞組的線圈繞組，以提供電感，其特征在于，所述導(dǎo)體(7)由順磁材料構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線圈構(gòu)件(6)，其特征在于，所述順磁材料選擇成使得其具有的相對滲透性μ r > 50。
3.根據(jù)上述權(quán)利要求1至2中任一項所述的線圈構(gòu)件(6)，其特征在于，所述導(dǎo)體(7) 具有的橫截面積大于5mm2，大于IOmm2或大于15mm2。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求1至2中任一項所述的線圈構(gòu)件(6)，其特征在于，所述導(dǎo)體(7) 設(shè)有絕緣部(8)，使得所述繞組是相互絕緣的。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求1至2中任一項所述的線圈構(gòu)件(6)，其特征在于，所述導(dǎo)體(7) 的端部距離所述線圈繞組不大于所述線圈繞組的直徑的一半。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求1至2中任一項所述的線圈構(gòu)件(6)，其特征在于，所述線圈繞組的所述導(dǎo)體(7)的端部分別設(shè)有接觸元件(9)，所述接觸元件(9)用于連接所述線圈構(gòu)件 (6)。
7.—種功率電子電路，尤其是具有變流器(1)的功率電子電路，包括-電容器O)；以及-消弧電路(3)，其中所述消弧電路⑶包括-與所述電容器O)串聯(lián)的根據(jù)上述權(quán)利要求1至7中任一項所述的線圈構(gòu)件(6)；-開關(guān)裝置G)，所述開關(guān)裝置(4)構(gòu)造成用于將所述電容器(2)及所述線圈構(gòu)件(6) 連接成具有諧振頻率的振蕩回路；其特征在于，所述導(dǎo)體(7)的材料具有相對滲透性l·^，其中所述導(dǎo)體(7)基于通過所述諧振頻率引起的趨膚效應(yīng)而相對于所述導(dǎo)體(7)的純歐姆電阻具有提高的電阻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的電路，其特征在于，所述線圈構(gòu)件(6)具有得到振蕩回路的IkHz 至IOkHz之間的諧振頻率的電感。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的電路，其特征在于，所述線圈構(gòu)件(6)具有通過在所述諧振頻率的情況下的趨膚效應(yīng)引起的電阻，所述電阻導(dǎo)致在時間間隔0. Ims至IOms期間消退所述通過所述線圈構(gòu)件(6)與所述電容器O)的連接而出現(xiàn)的振蕩。
專利摘要本實用新型的名稱為用于消弧電路中的線圈構(gòu)件和功率電子電路，涉及一種線圈構(gòu)件(6)以及一種功率電子電路，其中所述功率電子電路包括電容器(2)及消弧電路(3)。所述消弧電路(3)包括與所述電容器(2)串聯(lián)的線圈構(gòu)件(6)，該線圈構(gòu)件(6)具有導(dǎo)體，該導(dǎo)體構(gòu)成具有多個繞組的線圈繞組，以提供電感，其中所述導(dǎo)體由順磁材料構(gòu)成；開關(guān)裝置(4)，該開關(guān)裝置(4)構(gòu)造成用于將所述電容器(2)及所述線圈構(gòu)件(6)連接成具有諧振頻率的振蕩回路；其中所述導(dǎo)體的材料具有相對滲透性μr，其中所述導(dǎo)體由于出現(xiàn)的趨膚效應(yīng)而相對于導(dǎo)體的純歐姆電阻具有提高的電阻。
文檔編號H01F5/00GK202309065SQ20112024988
公開日2012年7月4日 申請日期2011年7月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月4日
發(fā)明者A·朱克伯格, F·博爾賈尼, J·?？死?申請人:Abb瑞士有限公司