专利名称：具有散热片机构的高功率开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及高功率开关领域，尤其涉及如权利要求1前序部分所述的高功率开关。
背景技术：
几十年前就已经知道高功率开关(高电流开关和/或高电压开关)如自动熄弧开关、气体绝缘开关装置且尤其是发电机开关，这些开关至少为三相中的每一相各有一个被封装起来的开关极。输送待中断电流的内导体位于开关极内。在1kV-50kV电压下，相应的额定电流通常是6kA-40kA。内导体被一个形成内导体封装的外导体包围住，所以，在外导体之外存在一个基本上没有任何电场的区域。外壳状的外导体接地电位并且输送反向电流，该反向电流与在内导体里的电流方向相反并且其数量级与在内导体里的电流相同。在具有许多开关极的高功率开关中，开关极的外导体导电相连。
在上述电流的情况下，电阻损耗导致通常成管状的内导体的严重加热。在额定电流工作中，在开关中不应超过按标准规定的最高温度如105℃及由此得到的最大升温值65℃，由此限制了开关装置的最大额定电流。为此，这些内导体经常配有散热片，因而增大了对流散热面积。与内导体相比，作为热源的外导体的麻烦较少。尽管外导体的电阻加热与内导体相似，但外导体具有比内导体大许多倍的表面积，所以，通过热辐射和对流能散去大量热。当内导体温度通常为100℃-105℃时，外导体温度通常为65℃-70℃。此外，与内导体不同，外导体未被另一外壳罩住，所以，外导体的热能非常有效地通过热辐射被散发至周围并与外部空气进行交换(对流)。因此，外导体内的温度和升温值远小于内导体。
这种开关装置的缺点是，为获得开关装置的最大允许额定电流，必须在内导体上安置复杂的冷却机构以确保不超过规定的最高温度。
发明内容
因此，本发明的目的是提供开头所提及类型但不具有上述缺点的高功率开关。一个特殊目的是提供用于大额定电流和功率水平的开关装置，当流过额定电流时，该开关装置不超过规定的最高温度，不过，该开关装置紧凑且只需要适度复杂的内导体的冷却装置。
由具有如权利要求1所述特征的装置和方法实现了此目的。
根据本发明的高功率开关有至少一个开关极用于输送和切换电流，该电流在该开关闭合时在一个电流流动方向上流动，所述至少一个开关极包括一个输送电流的内导体和一个接在地电位上的且输送与所述电流的方向相反的反向电流的外导体，该外导体被构造成包围该内导体的外壳的形式，其中，一个包括多个散热片的散热片机构被布置在该外导体上。
根据本发明，代替只将散热片布置在热的内导体上地，散热片也被布置在外导体上，而外导体本身要比内导体冷得多。这样一来，提高了内导体冷却效率，而不必改变内导体冷却本身。这是因为在外导体(外壳)内的空气可以更有效地将(从内导体吸收的)热量散至外壳，因为外壳又借助散热片机构有效地将其热量散至周围空气。这样一来，就能符合标准地实现非常高的额定电流，而又不需要特别复杂的如有源的内部冷却构造。此时，开关极封装(外壳)乃至开关能保持紧凑结构。不需要扩大开关内部，这也将导致内导体更有效地散热。这使得制造外部尺寸较小的紧凑开关成为可能。
本发明主题的一个特别有利的实施例的特点是，该散热片机构至少部分布置在这样的外壳部位上，即该部位不同于离内导体最近的外壳部位。这致使散热片产生良好的冷却效果。
离内导体最近或特别近的外壳部或这些外壳部输送范性电流的绝大部分。在那里，电阻损耗和外壳热量也是最大的。离得更远的外壳部分输送很少或甚至输送可忽略不计的反向电流，因而受到很小程度的加热。此外，紧靠着内导体的外壳部位也由于被内导体加热的外壳内的空气被较大程度地加热。但模拟计算显示，把散热片装入由大量反向电流流过的外壳部中导致了因在外导体里的不均匀电流分布而导致的损耗增大，这导致外导体变热。
就是说，外壳有至少一个比外壳的另一部分更远离内导体的外壳部，该散热片机构的一部分或有利地是全部被布置在该外壳部上。由此获得更有效的冷却以及更高的允许额定电流。最好没有散热片安置在离内导体最近的外壳部分上。
在一个优选实施例中，该外壳有一个底部、两个侧面部和一个盖，至少盖的一部分比底部和侧面部更远地离开该内导体，该散热片机构被布置在该盖的这些部分上。该盖被布置在该开关极(关于地球引力场)之上。通过在盖上布置散热片，也导致了散热片机构的更高冷却效率，因为受热空气在该外壳内向上升起。
该散热片机构非常有利地在该外壳的内外侧都有散热片。这使得散热片机构的冷却效率大大提高。因为内倒替借助散热片机构并间接地通过在外壳内的空气被冷却，所以，在该散热片机构与外壳内空气之间的良好的大面积导热接触是非常有利的。这通过在外壳内的散热片来产生。与外界空气的良好热接触通过外部散热片来产生。
如果该散热片机构有一个连接至外壳上的底板并且该底板在面向该外壳内部的一侧有内部散热片并在背对该外壳内部的一侧有外部散热片，则实现了特别有效的冷却作用。散热片垂直于底板地延伸是特别有利的。底板在边缘上被有利地接在该外壳上并与之直接热接触。
内部散热片与外部散热片平行对齐并且内部散热片还相对外部散热片错移也是特别有利的。这使得它们更易于制造，尤其是在散热片是挤压制成的情况下。但是，内、外部散热片也可以布置成没有相对错移，就是说，例如它们分别成对地布置在一个平面内。
如果内部散热片伸入外壳内的长度小于外部散热片伸出外壳的长度，则带来其它优点。这导致良好的冷却效果，而同时满足了介电要求，因为在外壳内获得了更小的场强，因为这些散热片能远离内导体。
散热片最好是扁平的并且其取向垂直于电流流动方向。这样，一方面，用于由散热片机构所占据的单位底面积的对流的面积较大，另一方面，消除了由涡流产生的电气损耗和与之相关的加热。
在本发明主题的一个优选实施例中，该散热片机构有多个散热片模块，它们被彼此间隔开地布置在外壳上并且分别接在该外壳上。这使得制造该散热片机构更容易并且允许散热片模块可变化地布置在该外导体上，从而允许散热片机构的灵活多变的设计以及允许散热片机构依靠相同部件灵活匹配于不同类型的开关。散热片模块被焊在该外壳内是特别有利的。这在散热片模块与外壳之间导致良好的热接触，并且制造起来简单。此外，如果一些外壳部由焊入的散热片模块代替，则外导体的重量保持较轻。
散热片机构有利地有多个相同的整体构成的散热片部件，它们有利地平行并排布置并且彼此相连。这也由此获得了与不同的散热片机构设计和开关类型的灵活匹配并且获得更好的生产性，尤其是当散热片部件挤压而成是。该散热片机构特别有利地具有多个包括多个这样的散热片部件的散热片模块，这些散热片模块彼此间隔开地布置在该外壳上并且被分别接在该外壳上。这使得散热片模块的优势与散热片部件的优势结合起来并且得到了易制造的、可灵活调整的且最佳模块化的散热片机构结构。
另外，如果这些散热片部件也有彼此平行的且间隔距离D的散热片，则两个相邻的散热片部件的相邻散热片彼此间隔大于距离D的距离，这是更有利的。因为简化了如通过焊接使两个相邻的散热片部件结合或连接，因为更容易接近连接点(焊缝)，所以，大大提高了生产能力。
如果该散热片部件在该外壳的内外侧都有散热片，则只有那些布置在该外壳内的内部散热片或只有那些布置在两个相邻散热片部件的外壳之外的外部散热片才有利地彼此间隔大于D的距离。这导致非常好的冷却效果和更高的生产能力。
在本发明主题的一个特别优选的实施例中，高功率开关有至少两个开关极，这两个开关极并排布置并且其电流流过方向彼此平行，所述开关极的外导体彼此导电连接，至少其中一个开关极有一个盖，该盖布置在该内导体的上方并有一个面向相邻的开关极的斜面，该散热片机构的散热片布置在该斜面上。依靠该散热片机构，造成了非常好的冷却。还未加热或只略微变热的空气出现在相邻开关极之间并这样经过布置在该斜面上的散热片并因而用于产生非常好的对流冷却效果。辐射热仍能有效地被散发走。因此，依靠相邻开关极之间产生的空气流动，导致了冷却的改善并且仍有效地发生借助辐射散热的冷却。在散热片被安装在相邻开关极的彼此平行部分上的情况下，如果散热片安装在侧面部上，则会大大限制辐射散热。
如果尤其是两个相邻的开关极各有一个盖，该盖布置在各自的内导体的上方并且有一个面向各自相邻的开关极的且配有该散热片机构的散热片的斜面，则冷却特别有效。在这种有利的对称构造中，两个开关极得益于由开关极之间的空气流动而产生的主动冷却。
由从属权利要求和附图中能看到其它的优选实施例和优点。
结合附图所示的优选实施例来详细说明本发明的主题，其中图1以垂直截面图表示根据本发明的高功率开关，它有三个开关极，这些开关极具有带斜面的盖以及内、外部散热片；图2表示图1所示的高功率开关；图3表示由三个散热片部件构成的散热片模块的截面；图4表示如图3所示的散热片模块。
在附图标记一览表中归纳列出了附图所用的标记及其含义。原则上，在这些图中，有相同作用的相同部分或部件配有相同的标记。所述实施例只是本发明主题的例子而不具有限制作用。
具体实施例方式
图1以垂直截面图示意表示根据本发明的高功率开关1。作为发电机开关1被用于约7.5kA-18kA且尤其是≥9.5kA的电流的高功率开关1有三个相同构造的开关极2。这些开关极2各有一个管状内导体3和一个作为外壳4包围内导体3的外导体4。内导体3也经常被称作有源部分3，外导体4被称作无源部分4或封装4。当然，高功率开关1也包括驱动机构、触头间隙以及高压高电流开关技术领域的技术人员在高功率开关1中能估计到的其它部分，但它们在图1中未示出。外壳4包括一个底部6、两个侧面部7和一个盖8(以及各有一个未示出或未标明的前部和后部)。底部和侧面部7(以及前部和后部)可以整体形成。盖8有两个斜面13并被有利地与外壳侧面部7(以及前部和后部)螺纹连接。一个散热片机构5布置在这些斜面13上。散热片机构5具有延伸至外壳4内的内部散热片和布置在外壳4之外的外部散热片，这些散热片的取向垂直于内导体3的纵轴线，内部散热片相对外部散热片错开。图3、4更详细地示出了散热片机构。
如图1的下侧琐事，外导体4彼此导电连接并接在地电位G上。在开关极2的闭合状态下，内导体3输送一个电相的电流。外导体输送与内导体的内电流方向相反但数量级相同的反向电流。该内导体有利地装备有一个冷却装置如散热片。这在图1中未示出。
当电流流过时，电阻损耗导致内导体被严重加热。如上所述，散热片机构5间接改善了内导体3的冷却，内导体温度本身远高于外导体4。散热片机构5没有布置在有最高的外导体4电流密度的区域15里。这些区域15就是内导体3与外导体4之间的距离最短的区域。这些区域15在图1中用虚线环线标出。散热片机构5的散热片有利地安装在外导体4的若干部位上，在这些部位上，反向电流的电流密度至少比外导体4的最大电流密度小了一个数量级，以及被有利地安装在电流可忽略不计的部位上。这没有导致外导体4的电阻的增大，或只是增大了可忽略不计的程度。
图2沿在图1中用II表示的方向示意表示如图1所示的高功率开关1。在图2中，I-I’表示图1所示的断面图。
图2中的开关极2盖8的视图详细示出了散热片机构5。散热片机构5的盖8的每个斜面13具有多个，确切地说是四个，通常相同的散热片模块11。这些模块11彼此间隔一定距离并且被分别安装在盖上。散热片模块11被有利地焊接在盖8上。这意味着，分别取出一个盖8的一部分并换上一个散热片模块11。
如图所示，散热片模块11本身有利地包括多个确切地说是三个散热片部件12，这三个散热片部件有利地是相同的且彼此相连，尤其是焊在一起。每个散热片部件12有多个散热片9。在图2中能看到外部散热片9。图3、4详细示出了散热片部件12和散热片9。
图3示意表示由多个确切地说是三个相同的且在焊缝14处被焊在一起的散热片部件12构成的散热片模块11的截面。每个散热片部件12由一个底板10及内部散热片9i和外部散热片9a构成。散热片模块11的边缘可被焊到外导体的一盖中。散热片模块11与外导体的其它可行连接方式是如钎焊、铆钉或粘接。
内部散热片和外部散热片9i、9a分别有厚度di和da，在这个例子中，厚度di和da被选择成一样大小。相邻的散热片9i和9a分别彼此间隔距离Di和Da。在这里，距离Di和Da被选择成是相等的。距离Di和Da通常为9mm-16mm(中心之间的测量距离相应较大)。厚度di和da通常为1mm-5mm。
底板有利地具有与散热片9相等的厚度，因为在散热片部件12成形后的冷却中，抑制了散热片部件12的翘曲。尤其是当挤压制成单个散热片部件12时，内部散热片9i和外部散热片9a错开布置，由此改善了制造能力。散热片部件12的其它制造方法例如是激光焊、铸造(尤其是砂型铸造)和钎焊。散热片部件12(在重量和导热性方面)有利地主要由铝制成。
为了能够用散热片部件12简单制造出散热片模块11，两个相邻的散热片部件12的相邻散热片9的间隔大于距离D。这样一来，连接点(焊缝)更容易接近。为了避免在外导体内的电场峰值，一方面，内部散热片9i比外部散热片9a短，另一方面，内部散热片9i在其远离底板10的一端呈圆形。这不仅导致良好的冷却效果，而且避免了在外壳内产生高电场强度(电场峰值)。
图4沿在图3中用IV表示的方向示意表示如图3所示的散热片模块11，所以只能看见外部散热片9a和底板10。图3所示的断面在图4中用III-III’表示。
在一个未示出的有内部散热片的有利实施例中，一个导电连接至散热片上的金属片被布置在这些散热片与内导体之间。该金属片产生了对散热片的靠近内导体的那端的很好的屏蔽作用，所以，散热片机构不能在外壳内侧产生高的电场强度。该金属片与至少一个且最好是多个散热片被安装在该散热片面向内导体的那端上。金属片尤其最好与在一个散热片部件的所有散热片的面向内导体的那端连接和/或与一个散热片模块的所有散热片连接。金属片可以有利地与散热片机构的底板(和/或一个散热片模块的底板和/或一个散热片部件的底板)平行对齐。
附图标记一览表1高功率开关2开关极3内导体，有源部4外导体，外壳，封装，无源部5散热片机构6底部7侧面部8盖9，9i，9a散热片10 底板11 散热片模块
12 散热片部件13 斜面14 焊缝15 外导体内的最高电流密度区a 用于“内部”(外壳内侧)的下标i 用于“外部”(外壳外侧)的下标d 散热片厚度D 相邻散热片之间距离G 地电位
权利要求
1.一种高功率开关(1)，它有至少一个开关极(2)用于输送和切换电流，该电流在该开关闭合时在一个电流流动方向上流动，所述至少一个开关极(2)包括一个输送电流的内导体(3)和一个接在地电位(G)上的且输送与所述电流的方向相反的反向电流的外导体(4)，该外导体(4)被构造成包围该内导体(3)的外壳(4)的形式，其特征在于，一个包括多个散热片(9)的散热片机构(5)被布置在该外导体(4)上。
2.如权利要求1所述的高功率开关(1)，其特征在于，该散热片机构(5)至少部分布置在该外壳(4)的这样一个部位上，即该部位不同于与该内导体(3)间隔最近的外壳(4)部分，尤其是该外壳(4)有一个底部(6)、两个侧面部(7)和一个盖(8)，所述盖(8)的至少一部分比该底部(6)和该侧面部(7)更远地与该内导体(3)间隔开，该散热片机构(5)布置在所述盖(8)的这些部位上。
3.如权利要求1或2所述的高功率开关(1)，其特征在于，该散热片机构(5)在该外壳(4)的内、外侧都有多个散热片(9)。
4.如权利要求3所述的高功率开关(1)，其特征在于，该散热片机构(5)有一个与该外壳(4)相连的底板(10)，该底板在面向该外壳(4)内部的那侧具有内部散热片(9i)并且在背对该外壳(4)内部的那侧具有外部散热片(9a)，尤其是这些散热片(9)垂直于该底板(10)地延伸，尤其是该底板(10)在边缘处与该外壳(4)连接。
5.如权利要求3或4所述的高功率开关(1)，其特征在于，这些内部散热片(9i)平行对准该外部散热片(9a)，并且这些内部散热片(9i)被布置成相对这些外部散热片(9a)错开。
6.如权利要求3-5之一所述的高功率开关(1)，其特征在于，这些内部散热片(9i)伸入该外壳(4)内的长度小于该外部散热片(9a)伸出该外壳(4)的长度。
7.如先前权利要求之一所述的高功率开关(1)，其特征在于，这些散热片(9)是扁平的并且它们的取向垂直于电流流动方向。
8.如先前权利要求之一所述的高功率开关(1)，其特征在于，该散热片机构(5)有多个散热片模块(11)，这些散热片模块(11)被彼此间隔一定距离地布置在该外壳(4)上并且被分别连接在该外壳(4)上，尤其是被焊在该外壳(4)上。
9.如先前权利要求之一所述的高功率开关(1)，其特征在于，该散热片机构(5)有多个相同的且整体构成的散热片部件(12)，这些散热片部件(12)被布置成相互平行并列并且相互连接，尤其是该散热片机构(5)包括多个分别由多个散热片部件(12)构成的散热片模块(11)，这些散热片模块(11)彼此间隔开地布置在该外壳(4)上并且被分别接在该外壳(4)上。
10.如权利要求9所述的高功率开关(1)，其特征在于，所述散热片部件(12)具有彼此平行的且以相等距离D间隔开的散热片(9)，两个相邻的散热片部件(12)的相邻的散热片(9)彼此间隔大于距离D的距离，这些散热片部件(12)在该外壳(4)的内、外侧都有散热片(9)，两个相邻的散热片部件(12)的布置在该外壳(4)里的内部散热片(9i)和布置在该外壳(4)外的外部散热片(9a)彼此间隔一段大于距离D的距离。
11.如先前权利要求之一所述的高功率开关(1)，其特征在于，该高功率开关(1)有至少两个开关极(2)，这两个开关极并列布置并且其电流流向彼此平行，这些开关极(2)的外导体(4)彼此导电连接，至少其中一个开关极(2)有一个盖(8)，该盖布置在该内导体(3)的上方并有一个面向相邻的开关极(2)的斜面(13)，该散热片机构(5)的散热片(9)布置在该斜面(13)上，尤其是两个相邻的开关极(2)各有一个盖(8)，该盖(8)布置在各自的内导体(3)的上方并且有一个面向各自相邻的开关极(2)的且配有该散热片机构(5)的散热片(9)的斜面(13)。
全文摘要
本发明的高功率开关(1)有至少一个开关极(2)用于输送和切换电流，该电流在该开关闭合时在一个电流流动方向上流动，所述至少一个开关极(2)包括一个输送电流的内导体(3)和一个接到地电位(G)上的且输送与所述电流方向相反的反向电流的外导体(4)，该外导体(4)被构造成包围该内导体(3)的外壳(4)的形式，其中，一个包括散热片(9)的散热片机构(5)布置在该外导体(4)上。至少一些散热片被有利地布置在这样的部位上，即该部位不同于离该内导体(3)最近的外壳(4)部位(15)。该散热片机构(5)在该外壳(4)的内、外侧有利地都具有散热片。
文档编号H02G5/10GK1577680SQ200410063588
公开日2005年2月9日 申请日期2004年7月12日 优先权日2003年7月11日
发明者M·普莱尼斯, J·-C·莫罗克斯, M·拉克纳, T·舍尼曼 申请人:Abb研究有限公司