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Dokumentenidentifikation DE60314945T2 06.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001381130
Titel Gesicherte Vorrichtung zur Erregung eines elektrischen Leistungsgenerators und zugehöriges Verfahren
Anmelder Siemens Power Generation, Inc., Orlando, Fla., US
Erfinder Leonov, Vladimir, 32765 Oviedo, FL, US
Vertreter Berg, P., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 80339 München
DE-Aktenzeichen 60314945
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.05.2003
EP-Aktenzeichen 030766786
EP-Offenlegungsdatum 14.01.2004
EP date of grant 18.07.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.12.2007
IPC-Hauptklasse H02H 7/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H02K 11/04(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Stromerzeugung und spezieller einen Erreger für einen elektrischen Generator und zugehörige Verfahren.

Hintergrund der Erfindung

Ein Stromgenerator (Leistungsgenerator) weist normalerweise einen Ständer (Stator), einen Rotor (Läufer), der innerhalb des Ständers rotiert, um elektrische Energie zu erzeugen, und eine mechanisch angetriebene Welle, um den Rotor innerhalb des Ständers in Rotation zu versetzen, auf. Der Rotor weist eine Feldwicklung auf, welcher bei der Erzeugung von elektrischer Energie ein Erregerstrom zugeführt wird. Der Erregerstrom wird normalerweise mit einem Erreger zugeführt.

Der Erreger selbst kann ein Wechselstromgenerator sein, der von derselben Quelle (z.B. einer dampfgetriebenen Turbine) angetrieben wird wie der Rotor und den Gleichstrom über Bürsten und Schleifringe der Feldwicklung des Rotors zuführt. In zunehmendem Maße werden in Stromgeneratoren jedoch "bürstenlose" Erreger verwendet. Bei einem bürstenlosen Erreger wird der Gleichstrom von einem Wechselstrom abgeleitet. Der Wechselstrom wird in der Wicklung oder dem Anker erzeugt, die bzw. der auf einer mit dem Rotor verbundenen Welle angebracht ist, und eine Gleichrichterschaltung wandelt den resultierenden Wechselstrom in den Gleichstrom um, welcher der Feldwicklung des Rotors zugeführt wird.

Ein Erreger umfasst eine Welle, einen mit der Welle verbundenen Anker, ein den Anker umgebendes Feld zum Erzeugen eines Wechselstroms und ein mit der Welle verbundenes Gleichrichterrad. Das Gleichrichterrad umfasst normalerweise außerdem eine Vielzahl von Halbleiterschaltgeräten, die so angeordnet sind, dass die den Wechselstrom, der von dem innerhalb des Feldes rotierenden Anker erzeugt wird, gleichrichten. Die Halbleiterschaltgeräte können zum Beispiel eine Diode sein, welche Strom leitet, wenn die in Durchlassrichtung vorgespannt ist.

Ein häufig auftretendes Problem im Zusammenhang mit herkömmlichen Gleichrichterschaltungen sind Kommutierungsspannungsspitzen. Diese Spannungsspitzen werden durch Ausschalttransienten verursacht, die mit der Verwendung von Halbleiterschaltgeräten wie etwa Dioden verbunden sind. Wenn eine Gleichrichterdiode von einem leitenden Zustand in einen nichtleitenden Zustand übergeht, wird ein Sperrverzögerungsstrom erzeugt. Der Sperrverzögerungsstrom kann das Halbleiterschaltgerät beschädigen. Außerdem könnte, wenn eine solche Beschädigung einen Diodenausfall verursachen würde, ein zweiphasiger Kurzschluss zerstörend wirkende hohe Ströme in den Ankerwicklungen zur Folge haben. Diese Gefahr ist bei großen elektrischen Generatoren, in welchen normalerweise bürstenlose Erreger mit hoher Leistungsdichte verwendet werden, besonders akut.

Eine herkömmliche Vorgehensweise, um den Pegel der Spannungsspitzen während des Übergangs der Gleichrichterdioden zu verringern, besteht darin, eine Snubberschaltung (Schutzschaltung) mit den Gleichrichterdioden zu koppeln. Eine solche Schaltung enthält normalerweise einen Kondensator, einen Widerstand und eine Schmelzsicherung, wobei der Kondensator verwendet wird, um die gespeicherte Ladung während der Sperrverzögerungszeit aufzunehmen. Die Herstellung solcher Schaltungen kann kostenaufwendig sein, und sie benötigen Platz in einem elektrischen Generator, wobei sie gleichzeitig das Gewicht des Erregers vergrößern.

Ein anderer Ansatz ist in der US-Patentschrift Nr. 5,093,597 von Hughes zu finden, welche eine Sättigungsdrossel-Diodenschutzanordnung beschreibt, welche eine Dünnschichtmembran aufweist, die aus einem sättigbaren magnetischen Material besteht. Wenn eine Gleichrichterdiode Strom leitet, befindet sich die Sättigungsdrossel-Diodenschutzanordnung im Zustand der Sättigung, wodurch sie dem Strom eine niedrige Impedanz entgegensetzt. Beim Übergang in einen nichtleitenden Zustand verliert jedoch die magnetische Schicht der Sättigungsdrossel ihre Sättigung und weist lineare Eigenschaften auf, wenn der Strom sich null nähert. Daher weist, wenn die Diode in einen nichtleitenden Zustand übergeht und die Bedingung der "Reverse Current Recovery" (Sperrstrom-Erholung) eintritt, die Sättigungsdrossel-Diodenschutzanordnung eine hohe Impedanz auf und verringert dadurch den Sperrverzögerungs-Spitzenstrom und die von der Diode gespeicherte Energie.

Ein Problem bei einer solchen Vorrichtung ist, dass die Sättigungsdrossel extrem heiß wird, sofern sie nicht gekühlt wird, wie zum Beispiel durch Zwangsbelüftung. Wenn eine natürliche Konvektionskühlung angewendet wird, ist der Temperaturanstieg, der mit der Sättigungsdrossel-Diodenschutzanordnung verbunden ist, zu hoch für den Betrieb (z.B. bis zu 120°C). In der US-Patentschrift Nr. 5,731,966 von Liu wird versucht, das Problem zu lösen, indem eine Rücksetzschaltung hinzugefügt wird, welche einen zusätzlichen leitenden Pfad zur Verfügung stellt, der mit einer Sättigungsdrossel gekoppelt ist. Die zusätzliche Schaltung erhöht jedoch die Komplexität der Snubberschaltung und erhöht somit das Risiko eines potentiellen Ausfalls der Anlage.

Ein weiterer Ansatz ist der gemäß der US-Patentschrift Nr. 5,532,574 von Wolfe et al., der auf einer Schutzschaltung beruht, welche die Ausgangsspannung eines Dioden-Brückengleichrichters überwacht und seinen Betrieb unterbricht, wenn die Spannung nicht innerhalb eines zulässigen Bereiches liegt. Bei einer solchen zusätzlichen Schaltungsanordnung treten jedoch viele von den Problemen auf, die auch mit anderen herkömmlichen Vorrichtungen verbunden sind. Zum Beispiel vergrößert die zusätzliche Schaltungsanordnung das Gewicht des Erregers und benötigt zusätzlichen Platz in dem beengten Raum des elektrischen Generators, während sie gleichzeitig die Anzahl teurer Komponenten des Erregers vergrößert, wodurch sich dessen Komplexität und dementsprechend dessen Anfälligkeit für eine Funktionsstörung erhöht.

Weitere Beschreibungen sind in der französischen Patentschrift Nr. 1,272,039 und in der US-Patentschrift Nr. 3,721,843 zu finden. Die französische Patentschrift beschreibt ein Gleichrichter-Schutzsystem, bei dem eine Anordnung von Dioden durch eine in Reihe geschaltete Batterie von Dioden geschützt ist; von diesen haben mehrere ein und dieselbe Polarität, und eine ist mit der entgegengesetzten Polarität geschaltet. Die US-Patentschrift beschreibt die Verwendung einer Schmelzsicherungsanordnung zum Schutz von Gleichrichterdioden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

In Anbetracht des oben beschriebenen Hintergrundes ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Erreger bereitzustellen, welcher effizienter vor dem Risiko einer Beschädigung infolge von Kommutierungsspannungsspitzen geschützt ist.

Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile gemäß der vorliegenden Erfindung werden sichergestellt durch einen Erreger; ein Gleichrichterrad für einen Erreger; und/oder ein Verfahren zum Schutz von Halbleiterschaltgeräten eines Gleichrichterrades für einen Erreger, wie in den Patentansprüchen dargelegt. Insbesondere kann der Erreger umfassen: eine Welle, einen mit der Welle verbundenen Anker, ein den Anker umgebendes Feld, so dass bewirkt wird, dass der Anker einen Wechselstrom erzeugt, und ein mit der Welle verbundenes Gleichrichterrad, um den Wechselstrom gleichzurichten. Das Gleichrichterrad kann insbesondere eine Vielzahl von Halbleiterschaltgeräten, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind, und eine jeweilige nichtlineare Schutzeinrichtung, die zu jedem Halbleiterschaltgerät parallelgeschaltet ist, umfassen.

Jede nichtlineare Schutzeinrichtung kann neben einem jeweiligen Halbleiterschaltgerät positioniert sein. Jede nichtlineare Schutzeinrichtung kann außerdem eine nichtlineare Materialschicht umfassen. Die nichtlineare Materialschicht kann insbesondere ein elastomeres Material umfassen. Eine solche elastomere Materialschicht kann zum Beispiel ein Silikonelastomer mit darin enthaltenem Siliziumkarbid umfassen. Die nichtlineare Materialschicht kann bei manchen Ausführungsformen eine ringförmige Gestalt aufweisen, die ein jeweiliges Halbleiterschaltgerät umgibt. Stattdessen kann die nichtlineare Materialschicht auch ein Epoxidmaterial umfassen, das nichtlineare Eigenschaften aufweist, wobei das Epoxidmaterial mit dem Schaltgerät Kontakt hat und eine Einkapselung desselben realisiert.

Das Gleichrichterrad kann ferner eine Vielzahl von Paaren von Wärmesenken umfassen, wobei jedes von den mehreren Halbleiterschaltgeräten zwischen einem jeweiligen Paar von Wärmesenken angebracht ist. Jede nichtlineare Schutzeinrichtung kann ferner ein Paar von Elektroden umfassen, die in einem Abstand voneinander von dem Paar von Wärmesenken getragen werden. Jede nichtlineare Schutzeinrichtung kann außerdem einen isolierten Stehbolzen umfassen, an welchem das jeweilige Paar von Elektroden und die nichtlineare Materialschicht angebracht sind.

Bei anderen Ausführungsformen kann jedes Halbleiterschaltgerät des Erregers ein Paar von in einem Abstand voneinander angeordneten Elektroden und eine integrierte Schaltung zwischen dem Paar von in einem Abstand voneinander angeordneten Elektroden umfassen. Dementsprechend kann jede nichtlineare Schutzeinrichtung eine nichtlineare Materialschicht umfassen, die sich zwischen den Elektroden erstreckt.

Jedes Halbleiterschaltgerät kann ferner ein Gehäuse umfassen, das die integrierte Schaltung umgibt. Außerdem kann sich die nichtlineare Materialschicht einer jeweiligen nichtlinearen Schutzeinrichtung innerhalb des Gehäuses befinden. Zusätzlich kann jede nichtlineare Schutzeinrichtung ferner ein Federelement umfassen, das mit der nichtlinearen Materialschicht in Reihe geschaltet ist. Jedes Halbleiterschaltgerät kann zum Beispiel entweder eine Diode oder einen Thyristor umfassen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz von Halbleiterschaltgeräten eines Gleichrichterrades eines Erregers. Das Verfahren kann das Parallelschalten einer jeweiligen nichtlinearen Schutzeinrichtung zu jedem Halbleiterschaltgerät umfassen. Die nichtlineare Schutzeinrichtung kann außerdem eine nichtlineare Materialschicht umfassen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

ist eine Prinzipskizze eines elektrischen Leistungsgenerators, der einen Erreger gemäß der Erfindung aufweist.

ist ein Prinzipschaltplan einer Brückenanordnung einer Vielzahl von Schaltgeräten des in dargestellten Erregers.

ist eine perspektivische Ansicht eines Schaltgerätes und einer nichtlinearen Schutzeinrichtung des Gleichrichterrades des in dargestellten Erregers.

ist eine Schnittdarstellung eines Abschnitts eines Halbleiterschaltgerätes und einer nichtlinearen Schutzeinrichtung entlang der Linie 4-4 von .

ist eine Schnittdarstellung eines Abschnitts einer anderen Ausführungsform eines Halbleiterschaltgerätes und einer nichtlinearen Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

ist eine Schnittdarstellung eines Abschnitts einer weiteren Ausführungsform eines Halbleiterschaltgerätes und einer nichtlinearen Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

ist eine Schnittdarstellung eines Abschnitts noch einer weiteren Ausführungsform eines Halbleiterschaltgerätes und einer nichtlinearen Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

ist eine Schnittdarstellung eines Abschnitts noch einer weiteren Ausführungsform eines Halbleiterschaltgerätes und einer nichtlinearen Schutzeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, welche bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung darstellen. Diese Erfindung kann jedoch in vielen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und darf nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt angesehen werden. Vielmehr sind diese Ausführungsformen dazu vorgesehen, eine gründliche und vollständige Beschreibung zu geben, und sie werden den Fachleuten den Rahmen der Erfindung vollständig vermitteln. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen durchgehend gleiche Elemente.

Es wird zunächst auf und Bezug genommen; ein Erreger 20 gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Zusammenhang mit einem elektrischen Generator 30 beschrieben, in welchem der Erreger verwendet werden kann. Der Erreger 20 weist beispielsweise eine Welle 22, einen mit der Welle verbundenen Anker 24, ein den Anker umgebendes Feld 26 und ein mit der Welle verbundenes Gleichrichterrad 28 auf. Der elektrische Generator 30 umfasst ein Generatorgehäuse 32, einen Rotor 34 innerhalb des Gehäuses, der mit der Welle 22 verbunden ist, und einen Ständer 36, innerhalb dessen der Rotor durch die Welle in Rotation versetzt wird, um elektrische Energie zu erzeugen, wie für Fachleute klar ist.

Dadurch, dass er zusammen mit dem Rotor 34 mit der Welle 22 verbunden ist, kann der Anker 24 durch dieselbe Quelle angetriebenen werden wie der Rotor. Beispielsweise ist die Quelle eine Turbine 38, welche zum Beispiel eine dampfgetriebene Turbine sein kann, wie für Fachleute klar ist. Stattdessen kann die Quelle auch eine wassergetriebene Turbine sein, wie für Fachleute ebenfalls klar ist. Natürlich sind für einen Fachmann auch andere Energiequellen vorstellbar.

Wenn die Turbine 38 die Welle 22 in Rotation versetzt, dreht sich der Anker 24 des Erregers 20, um einen Wechselstrom zu erzeugen. Wie für Fachleute klar ist, kann der Wechselstrom zum Beispiel erzeugt werden, indem der Anker 24 innerhalb eines Magnetfeldes in Rotation versetzt wird, das den Anker umgibt und durch das Feld 26 erzeugt wird, um dadurch zu bewirken, dass der Anker einen Wechselstrom erzeugt. Der Erreger 20 weist beispielsweise ein Gehäuse 40 auf, welches den Anker 24 umschließt.

Der resultierende Wechselstrom, der durch die Rotation des Ankers 24 erzeugt wird, wird in Gleichstrom umgewandelt und dem Rotor 34 zugeführt. Um den Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, weist das Gleichrichterrad 28 des Erregers 20 eine Vielzahl von Halbleiterschaltgeräten 42 auf. Wie vielleicht die schematische Darstellung von am besten zeigt, ist die Vielzahl von Schaltgeräten in einer Brückenkonfiguration angeordnet, wobei die Vielzahl von Halbleiterschaltgeräten 42 beispielsweise Dioden umfasst, welche über eine dreiphasige Sternschaltung 44 elektrisch mit dem Anker 24 des Erregers 20 verbunden sind. Wie für Fachleute klar ist, kann die elektrische Verbindung stattdessen auch eine Dreieckschaltung sein, und in der Tat kann die Brückenkonfiguration für eine Verwendung mit anderen Typen von Energie erzeugenden Vorrichtungen geeignet sein.

Die Vielzahl von Schaltgeräten 42 kann in einer radialen Ausrichtung als separate Speichen entlang eines Innenoberflächenabschnitts des Gleichrichterrades 26 angeordnet sein. Wie für Fachleute klar ist, sind jedoch auch andere Anordnungen möglich. Zum Beispiel können die Schaltgeräte 42 stattdessen auch axial entlang eines langgestreckten Rades angeordnet sein, welches sich parallel zur Welle 22 erstreckt und von dieser angetrieben wird. Ein Schaltgerät 42 kann eine integrierte Schaltung umfassen, die mit Elektroden verbunden ist. Es kann stattdessen auch eine Diode, einen Thyristor oder ein anderes, den Fachleuten bekanntes Schaltgerät umfassen.

Es wird nun zusätzlich auf und Bezug genommen; der Erreger 20 umfasst ferner wenigstens eine jeweilige nichtlineare Schutzeinrichtung 46 für jedes Schaltgerät 42, um ein entsprechendes Schaltgerät vor Kommutierungsspannungsspitzen zu schützen, welche auftreten können, wenn die Schaltgeräte von einem leitenden Zustand in einen nichtleitenden Zustand übergehen. Ein solcher Übergang kann Sperrverzögerungs-Stromflüsse zur Folge haben, welche andernfalls die Halbleiterschaltgeräte 42 beschädigen könnten. Eine solche Beschädigung könnte außerdem einen Ausfall des Halbleiterschaltgerätes und einen entsprechenden zweiphasigen Kurzschluss verursachen, der zerstörend wirkende hohe Ströme innerhalb des Ankers 24 zur Folge hat.

Um diese Risiken zu verringern, ist daher die nichtlineare Schutzeinrichtung 46 zu einem jeweiligen Halbleiterschaltgerät 42 parallelgeschaltet. Wenn sich die an einem Halbleiterschaltgerät 42 abfallende Spannung während eines Übergangs erhöht, verringert sich der elektrische Widerstand der nichtlinearen Schutzeinrichtung 46, und dementsprechend kann ein größerer Teil der Energie durch die nichtlineare Schutzeinrichtung hindurch abgeleitet werden, welche zu dem Halbleiterschaltgerät 42 parallelgeschaltet ist.

Bei manchen Ausführungsformen umfasst jedes Halbleiterschaltgerät 42 des Erregers 20 eine "Pancake"-(Pfannkuchen-) oder "Hockey-Puck"-Diode 43, wie sie Fachleuten bekannt ist, und ein benachbartes Paar von in einem Abstand voneinander angeordneten Leitern 48a, 48b, zwischen denen die Diode angebracht ist. Insbesondere können die in einem Abstand voneinander angeordneten Leiter 48a, 48b "Wärmesenken" sein, wie in der abgebildeten Ausführungsform dargestellt.

Wie in dargestellt, umfasst jede nichtlineare Schutzeinrichtung 46 beispielsweise eine erste und eine zweite Elektrode 50a, 50b, welche in einem Abstand voneinander von zwei einander gegenüberliegenden Flächen, einer ersten und einer zweiten, des benachbarten Paares von in einem Abstand voneinander angeordneten leitenden Wärmesenken 48a, 48b getragen werden. Eine nichtlineare Materialschicht 52 erstreckt sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 50a, 50b. Außerdem erstreckt sich ein isolierter Stehbolzen 54 zwischen der ersten und der zweiten leitenden Wärmesenke 48a, 48b, die einen Abstand voneinander aufweisen. Die nichtlineare Materialschicht 52 wird von dem isolierten Stehbolzen 54 getragen. Wie für einen Fachmann klar ist, können die erste und die zweite Elektrode der nichtlinearen Schutzeinrichtung stattdessen auch jeweils von einer Wärmesenke eines benachbarten Paares getragen werden, wobei sich die nichtlineare Materialschicht zwischen der ersten und der zweiten Elektrode erstreckt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigt . Wie dargestellt ist die nichtlineare Schutzeinrichtung 146 erneut einem Halbleiterschaltgerät 142 benachbart, welches beispielsweise eine "Pancake"- oder "Hockey-Puck"-Diode 143zwischen benachbarten leitenden Wärmesenken 148a, 148b umfasst. Anstatt dass sie jedoch von einem isolierten Stehbolzen getragen wird, umfasst die nichtlineare Schutzeinrichtung 146 eine nichtlineare Materialschicht 152, welche sich zwischen den benachbarten leitenden Wärmesenken 148a, 148b erstreckt und von diesen getragen wird.

Die nichtlineare Materialschicht 152 kann ein elastomeres Material umfassen, dessen Form dem Bereich zwischen den benachbarten leitenden Wärmesenken 148a, 148b angepasst ist, so dass sie sicher darin eingepasst ist und eine gute elektrische Verbindung zu ihnen hat. Das Material der nichtlinearen Materialschicht 152 kann zum Beispiel ein Silikonelastomer mit Siliziumkarbid umfassen, wie für Fachleute klar ist.

Insbesondere weist die nichtlineare Materialschicht 152 eine ringförmige Gestalt auf und umgibt das Halbleiterschaltgerät 142. Indem sie das jeweilige Halbleiterschaltgerät 142 umgibt, sorgt die nichtlineare Materialschicht 152 nicht nur für eine gute elektrische Verbindung, sondern kapselt außerdem das Halbleiterschaltgerät ein, so dass sie eine Verunreinigung des Geräts verhindert.

Obwohl die nichtlineare Materialschicht 152 als sich um die Diode 143 erstreckend dargestellt ist, während ein Abstand von dieser verbleibt, ist für Fachleute klar, dass die nichtlineare Materialschicht 152 stattdessen auch den der Diode 143 und den leitenden Wärmesenken 148a, 148b benachbarten Bereich ausfüllen kann. Die nichtlineare Materialschicht 152 kann sich daher mit der Diode 143 in Kontakt befinden, anstatt in einem Abstand von ihr angeordnet zu sein. Eine solche nichtlineare Materialschicht kann zum Beispiel ein Epoxidmaterial mit nichtlinearen Eigenschaften umfassen, wobei sich das Epoxidmaterial mit der Diode 143 in Kontakt befindet und sich außerdem mit den leitenden Wärmesenken 148a, 148b in Kontakt befindet, so dass eine elektrische Verbindung mit diesen hergestellt wird.

Bei herkömmlichen Erregern können sich Verunreinigungen wie Schmutz, Flugasche und andere Fremdkörper an den Wärmesenken ansammeln und schließlich einen elektrischen Pfad von der Diode zum Schmiedeteil des Gleichrichterrades schaffen, unter Umgehung der Isolation zwischen der Wärmesenke und dem Gleichrichterrad. Eine solche Verunreinigung ist als eine Hauptursache von Ausfällen von Erregern anzusehen und ist insbesondere dann problematisch, wenn die hermetische Abgeschlossenheit der Diode verloren gegangen ist. Daher kann die Einkapselung des jeweiligen Halbleiterschaltgerätes 142 mit der ringförmigen nichtlinearen Materialschicht 152 gemäß der vorliegenden Erfindung eine solche Verunreinigung und daraus resultierende Ausfälle des Erregers verhindern sowie die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung aufgrund von Kommutierungsspannungsspitzen verringern. Die Einkapselung des Halbleiterschaltgerätes 142 mit der ringförmigen nichtlinearen Materialschicht 152 verhindert außerdem, dass Bruchstücke überall im Erreger 120 verteilt werden, falls das Halbleiterschaltgerät 142 während des Betriebs des elektrischen Generators zerbrechen sollte.

Es wird nun auf Bezug genommen, die eine weitere Ausführungsform zeigt. Gemäß dieser Ausführungsform umfasst jedes von mehreren Halbleiterschaltgeräten 242 eines Erregers in einem Abstand voneinander angeordnete Elektroden 251a, 251b und eine integrierte Schaltung 245, die sich zwischen den Elektroden erstreckt. Außerdem ist zu jedem Halbleiterschaltgerät 242 eine jeweilige nichtlineare Schutzeinrichtung 246 parallelgeschaltet, welche eine nichtlineare Materialschicht 252 umfasst, die sich zwischen den in einem Abstand voneinander angeordnete Elektroden 251a, 251b erstreckt. Wie dargestellt ist eine Isolationsschicht 254zwischen einem Abschnitt einer Elektrode 251a und einem Abschnitt der nichtlinearen Materialschicht 252 angeordnet.

Insbesondere kann die nichtlineare Materialschicht 252 elastische Eigenschaften aufweisen, wie oben beschrieben, so dass sie durchfedert, während sie außerdem einen starken und zuverlässigen elektrischen Kontakt mit den beiden Elektroden 251a, 251b gewährleistet. Die Isolationsschicht 254 ermöglicht eine Wärmeübertragung durch sie hindurch zur Elektrode 251a und zu einer Wärmesenke (nicht dargestellt), welche mit der Elektrode verbunden ist.

Bei einer weiteren Ausführungsform, die in dargestellt ist, umfasst jedes Halbleiterschaltgerät 342 eines Erregers in einem Abstand voneinander angeordnete Elektroden 351a, 351b und eine integrierte Schaltung 345, die sich zwischen den Elektroden erstreckt. Eine jeweilige nichtlineare Schutzeinrichtung 346 umfasst eine nichtlineare Materialschicht 352, eine mit der nichtlinearen Materialschicht in Kontakt befindliche Isolationsschicht 354 und einen leitenden Ring 356, welcher sich um einen Abschnitt des Halbleiterschaltgerätes 342 herum erstreckt, während er sich gleichzeitig sowohl mit der nichtlinearen Materialschicht als auch mit der Isolationsschicht in Kontakt befindet.

Die nichtlineare Schutzeinrichtung 346 umfasst ferner eine leitende Feder 358, welche sich mit dem leitenden Ring 356 und einer Elektrode 351b des Halbleiterschaltgerätes 342 in Kontakt befindet. Die leitende Feder 358 sorgt für eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden 351a, 351b über die nichtlineare Materialschicht 352, während sie zugleich eine Bewegung der jeweiligen Elektroden relativ zueinander ermöglicht, was während des Einbaus und der Befestigung des Gerätes von besonderem Vorteil ist, wie für Fachleute klar ist.

Es wird nun auf Bezug genommen; bei einer weiteren Ausführungsform umfasst jedes Halbleiterschaltgerät 442 ein Paar von in einem Abstand voneinander angeordnete Elektroden 451a, 451b und eine integrierte Schaltung 443 zwischen den Elektroden. Das Halbleiterschaltgerät 442 umfasst außerdem ein Gehäuse 453, welches die integrierte Schaltung 443 umgibt. Das Gehäuse kann zum Beispiel ringförmig sein und kann aus Keramik hergestellt sein. Innerhalb des Gehäuses 453 befindet sich eine nichtlineare Materialschicht 452, welche sich zwischen den Elektroden 451a, 451b des Halbleiterschaltgerätes 442 erstreckt. Außerdem liegt eine Isolationsschicht 447 wie etwa ein Kunststoffring innerhalb des Gehäuses 453 und der nichtlinearen Materialschicht 452 und schließt ebenfalls die integrierte Schaltung 443 ein.

Eine weitere Schicht 449 ist als Beispiel zwischen der nichtlinearen Materialschicht 452 und dem isolierenden Ring 447 angebracht. Wie für Fachleute klar ist, kann diese zusätzliche Schicht 449 ein Epoxidharz oder einen Epoxidlack umfassen, das bzw. der je nach Erfordernis verwendet wird, um das Ablösen der nichtlinearen Materialschicht 452 zu verringern.

- veranschaulichen ferner Aspekte der Erfindung, die ein Verfahren zum Schutz eines Halbleiterschaltgeräts 42 betreffen. Das Verfahren umfasst das Parallelschalten einer nichtlinearen Schutzeinrichtung 46 zu dem Halbleiterschaltgerät 42. Das Parallelschalten umfasst außerdem das Parallelschalten einer nichtlinearen Schutzeinrichtung 46, welche eine nichtlineare Materialschicht 52 aufweist. Beispielsweise umfasst die nichtlineare Materialschicht 52 ein elastomeres Material. Ein Verfahrensaspekt der Erfindung umfasst außerdem das Ausbilden einer nichtlinearen Materialschicht 152, derart, dass sie eine ringförmige Gestalt hat und ein jeweiliges Halbleiterschaltgerät 142 wenigstens teilweise umgibt. Außerdem umfasst ein Verfahrensaspekt der Erfindung auch das Ausbilden eines Gehäuses 453, welches das jeweilige Halbleiterschaltgerät 442 und eine nichtlineare Materialschicht 452 wenigstens teilweise umgibt.

Für einen Fachmann, der von den in der vorstehenden Beschreibung dargelegten Lehren und den zugehörigen Zeichnungen profitiert, sind zahlreiche Modifikationen und andere Ausführungsformen der Erfindung vorstellbar. Daher ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf die beschriebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt, und es ist beabsichtigt, dass Modifikationen und Ausführungsformen ebenfalls im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche enthalten sind.


Anspruch[de]
Erreger (20), welcher umfasst:

eine Welle (22);

einen Anker (24), der mit der besagten Welle verbunden ist;

ein Feld (26), das den besagten Anker umgibt, um zu bewirken, dass der besagte Anker einen Wechselstrom erzeugt; und

ein Gleichrichterrad (28), das mit der besagten Welle verbunden ist und umfasst:

eine Vielzahl von Paaren von Wärmesenken (48a, 48b; 148a, 148b);

eine Vielzahl von Halbleiterschaltgeräten (42, 43, 142, 245, 345, 443), die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind, zum Gleichrichten des Wechselstroms von dem besagten Anker, und wobei jedes Halbleiterschaltgerät zwischen einem jeweiligen Paar von Wärmesenken angeordnet ist; und

eine jeweilige nichtlineare Schutzeinrichtung (46, 146, 246, 346, 446), die zu jedem Halbleiterschaltgerät parallelgeschaltet ist und eine nichtlineare Materialschicht (52, 152, 252, 352, 452) umfasst, die zwischen den Wärmesenken positioniert und über die Wärmesenken zu dem Halbleiterschaltgerät elektrisch leitend ist, um einen Schutz vor Kommutierungsspannungsspitzen zu gewährleisten.
Erreger nach Anspruch 1, wobei jede nichtlineare Schutzeinrichtung (46, 146, 246, 346, 446) einem jeweiligen Halbleiterschaltgerät (42, 43, 142, 245, 345, 443) benachbart positioniert ist. Erreger nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die besagte nichtlineare Materialschicht (52, 152, 252, 352, 452) ein elastomeres Material umfasst. Erreger nach Anspruch 3, wobei die besagte Schicht aus elastomerem Material ein Silikonelastomer mit darin enthaltenem Siliziumkarbid umfasst. Erreger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede nichtlineare Schutzeinrichtung (46) ein Paar von Elektroden (50a, 50b) umfasst, die in einem Abstand voneinander von dem Paar von Wärmesenken (48a, 48b) getragen werden. Erreger nach Anspruch 5, wobei jede nichtlineare Schutzeinrichtung (46) ferner einen isolierten Stehbolzen (54) umfasst, an dem das jeweilige Paar von Elektroden (50a, 50b) und die nichtlineare Materialschicht (52) angebracht sind. Erreger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die besagte nichtlineare Materialschicht (152) eine ringförmige Gestalt aufweist, die das jeweilige Halbleiterschaltgerät (142) umgibt. Erreger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedes Halbleiterschaltgerät eine integrierte Schaltung (245, 345, 443) umfasst. Erreger nach Anspruch 8, wobei jedes Halbleiterschaltgerät ferner ein Gehäuse (453) umfasst, das die besagte integrierte Schaltung umgibt; und wobei sich die besagte nichtlineare Materialschicht (452) innerhalb des besagten Gehäuses befindet. Erreger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede nichtlineare Schutzeinrichtung (346) ferner ein Federelement (358) umfasst, das mit der besagten nichtlinearen Materialschicht (352) in Reihe geschaltet ist. Erreger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei jedes Halbleiterschaltgerät eine Diode (42, 43) umfasst. Gleichrichterrad (28) für einen Erreger, welches umfasst:

eine Vielzahl von Paaren von Wärmesenken (48a, 48b; 148a, 148b);

eine Vielzahl von Halbleiterschaltgeräten (42, 43, 142, 245, 345, 443), die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind, zum Gleichrichten von Wechselstrom, und wobei jedes Halbleiterschaltgerät zwischen einem jeweiligen Paar von im Wesentlichen parallelen leitenden Platten, welche Wärmesenken bilden, angeordnet ist und mit diesen leitend verbunden ist; und

eine jeweilige nichtlineare Schutzeinrichtung (46, 146, 246, 346, 446), die zu jedem Halbleiterschaltgerät parallelgeschaltet ist und eine nichtlineare Materialschicht (52, 152, 252, 352, 452) umfasst, die zwischen den besagten Wärmesenken positioniert und über die besagten Wärmesenken zu den besagten Halbleiterschaltgeräten elektrisch leitend ist, um einen Schutz vor Kommutierungsspannungsspitzen zu gewährleisten.
Gleichrichterrad nach Anspruch 12, wobei die besagte nichtlineare Materialschicht (52, 152, 252, 352, 452) ein elastomeres Material umfasst. Gleichrichterrad nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei jede nichtlineare Schutzeinrichtung (46, 146, 246, 346, 446) ferner ein Paar von Elektroden (50a, 50b) umfasst, die in einem Abstand voneinander von dem jeweiligen Paar von Wärmesenken (48a, 48b) getragen werden. Gleichrichterrad nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die besagte nichtlineare Materialschicht (152) eine ringförmige Gestalt aufweist, die das jeweilige Halbleiterschaltgerät (142) umgibt. Gleichrichterrad für einen Erreger, welches umfasst:

eine Vielzahl von Paaren von Wärmesenken;

eine Vielzahl von Halbleiterschaltgeräten, die in einer Brückenkonfiguration verbunden sind, zum Gleichrichten des Wechselstroms, wobei jedes Halbleiterschaltgerät zwischen einem jeweiligen Paar von Wärmesenken angebracht ist und ein Paar von in einem Abstand voneinander angeordneten, im Wesentlichen parallelen leitenden Platten, welche Elektroden (251a, 251b; 351a, 351b; 451a, 451b) bilden, und eine integrierte Schaltung (245, 345, 443), die zwischen den Elektroden positioniert und mit ihnen verbunden ist, umfasst; und

eine jeweilige nichtlineare Schutzeinrichtung (246, 346, 446), die zu jedem Halbleiterschaltgerät parallelgeschaltet ist, wobei jede nichtlineare Schutzeinrichtung eine nichtlineare Materialschicht (252, 352, 452) umfasst, die zwischen den Wärmesenken positioniert und über die Wärmesenken zu dem Halbleiterschaltgerät elektrisch leitend ist, um einen Schutz vor Kommutierungsspannungsspitzen zu gewährleisten.
Gleichrichterrad nach Anspruch 16, wobei das besagte nichtlineare Material (252, 352, 452) ein elastomeres Material umfasst. Gleichrichterrad nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei die besagte nichtlineare Materialschicht (252, 352, 452) eine ringförmige Gestalt aufweist, welche die jeweilige integrierte Schaltung umgibt. Gleichrichterrad nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei jedes Halbleiterschaltgerät ferner ein Gehäuse (453) umfasst, das die besagte integrierte Schaltung umgibt; und wobei sich die besagte nichtlineare Materialschicht (452) innerhalb des besagten Gehäuses befindet. Gleichrichterrad nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei jede nichtlineare Schutzeinrichtung (346) ferner ein Federelement (358) umfasst, das mit der besagten nichtlinearen Materialschicht (352) in Reihe geschaltet ist. Gleichrichterrad nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei jedes Halbleiterschaltgerät eine Diode (42, 43, 142) umfasst. Verfahren zum Schutz von Halbleiterschaltgeräten eines Gleichrichterrades für einen Erreger, wobei das Verfahren umfasst:

Bilden einer Vielzahl von Paaren von Wärmesenken (48a, 48b; 148a, 148b);

Anordnen einer Vielzahl von Halbleiterschaltgeräten (42, 43, 142, 245, 345, 443) in einer Brückenschaltungskonfiguration;

Anbringen jedes Halbleiterschaltgeräts zwischen einem jeweiligen Paar von Wärmesenken; und

Parallelschalten einer jeweiligen nichtlinearen Schutzeinrichtung (46, 146, 246, 346, 446), welche von einer nichtlinearen Materialschicht (52, 152, 252, 352, 452) gebildet wird, die zwischen den Wärmesenken positioniert und über die Wärmesenken zu dem Halbleiterschaltgerät elektrisch leitend ist, zu jedem Halbleiterschaltgerät, um einen Schutz vor Kommutierungsspannungsspitzen zu gewährleisten.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Parallelschalten das Parallelschalten einer jeweiligen nichtlinearen Schutzeinrichtung (46, 146, 246, 346, 446) umfasst, welche eine nichtlineare Materialschicht (52, 152, 252, 352, 452) umfasst. Verfahren nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, wobei die nichtlineare Materialschicht (52, 152, 252, 352, 452) ein elastomeres Material umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei das Parallelschalten das Parallelschalten einer jeweiligen nichtlinearen Schutzeinrichtung (46, 146, 246, 346, 446) umfasst, welche eine nichtlineare Materialschicht (52, 152, 252, 352, 452) umfasst, derart, dass die nichtlineare Materialschicht eine ringförmige Gestalt aufweist, die ein jeweiliges Halbleiterschaltgerät umgibt.






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