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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen von mindestens einem
elektronischen Bauelement an einem Stator einer elektrischen Maschine mit
den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
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Stand der Technik
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Elektrische
Maschinen, wie Reluktanz-, Synchron-, Asynchron- oder Kommutatormaschinen, können
mit veränderlicher Drehzahl oder mit unveränderlicher
Drehzahl betrieben werden.
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Bei
heutigen Antriebssystemen mit elektrischen Maschinen wird eine Veränderung
der Drehzahl in der Regel mittels einer elektronischen Steuerung
erreicht. Die elektronische Steuerung stellt die erforderlichen
variablen Größen, wie Spannung, Frequenz oder
Strom, zur Verfugung. Die Basis der elektronischen Steuerung bilden üblicherweise
Leistungsbauelemente, wie Leistungshalbleiterbauelemente, welche
die zum Betrieb erforderliche Leistung im Schaltbetrieb an die Maschine
weitergeben. Die informationsverarbeitende elektronische Steuerung wertet
im Betrieb Signale von Sensoren aus und stellt die richtigen Schaltzeitpunkte
der Leistungsbauelemente sicher.
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Elektronische
Steuerungen werden typischerweise in Leiterplattentechnik realisiert.
Die Leistungsbauelemente sind entweder auf der Leiterplatte integriert
oder separat auf einer Wärmesenke angeordnet. Die Leistungsbauelemente
sind dabei üblicherweise außerhalb einer elektrischen
Maschine angeordnet und in der Regel durch eine Zuleitung, wie einen
Kabelbaum, mit der restlichen elektronischen Steuerung verknüpft.
Bei einigen neueren Anwendungen sind die elektrische Maschine und
die elektronische Steuerung kombiniert bzw. „verheiratet".
Hier sind die elektrische Maschine und die elektronische Steuerung
typischerweise durch Steckverbindungen elektrisch kontaktiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zum Befestigen von mindestens einem elektronischen Bauelement an
einem Stator einer elektrischen Maschine zu schaffen, das eine temperaturstabile,
temperaturunempfindliche, zuverlässige und umweltfreundliche
Befestigung eines Bauelements an einem Stator einer elektrischen Maschine
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Befestigen von mindestens einem
elektronischen Bauelement an einem Stator einer elektrischen Maschine
nach Anspruch 1 gelöst.
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Ein
Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht
darin, dass dasselbe Anwendungen von elektrischen Maschinen in Temperaturbereichen (> 150°C), die
wesentlich größer als Temperaturbereiche bei Lötverbindungen
oder Bond-Verbindungen sind, ermöglicht und somit Hochtemperaturanwendungen
realisierbar sind. Auf einem Sintern basierende Verbindungen besitzen
eine höhere Zuverlässigkeit und geringere Materialermüdungserscheinungen über
Temperaturwechsel als bekannte Verbindungen.
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Ein
Weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung
besteht darin, dass dasselbe bei einer Verwendung von Backlackblech
für Lamellen, aus denen der Stator aufgebaut sein kann,
ein Durchführen eines „Verbackens" der Lamellen
und ein Durchführen eines Sinterprozesses in einem Arbeitsschritt ermöglicht,
da die dazu erforderlichen Temperaturen identisch sind.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung wird
das Sintern als Silbersintern durchgeführt.
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Ein
Vorteil dieser bevorzugten Ausgestaltung besteht darin, dass Silber
eine sehr hohe Schmelztemperatur (925°C) besitzt, und daher
ein Betrieb von elektrischen Maschinen in sehr hohen Temperaturbereichen
möglich ist.
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Ein
weiterer Vorteil dieser bevorzugten Ausgestaltung besteht darin,
dass durch die Verwendung von Silber eine bleifreie bzw. schwermetallfreie
Verbindungstechnik realisiert wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens der Erfindung
wird als mindestens ein elektronisches Bauelement ein Leistungsbauelement
verwendet. Durch die Erfindung wird insbesondere ermöglicht,
dass Leistungsbauelemente, wie beispielsweise hier Leistungstransistoren,
an dem Stator, der dann vorteilhaft sowohl als ein Träger als
auch eine Wärmesenke dient, temperaturstabil befestigt
werden können.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann ferner vorteilhaft
bei einem Verfahren zum Herstellen eines Stators einer elektrischen
Maschine verwendet werden.
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Durch
die Befestigung von elektronischen Bauelementen während
der Herstellung eines Stators können beispielsweise Bauelemente
einer Steuerung einer elektrischen Maschine, in der der Stator eingebaut
ist, platzsparend und maschinennah untergebracht werden.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Stator für eine elektrische Maschine zu schaffen, der einen
kompakten und einfachen Aufbau einer elektrischen Maschine ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Stator nach Anspruch 5 gelöst.
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Ein
Vorteil des Stators gemäß der Erfindung besteht
darin, dass durch die Befestigung von mindestens einem elektronischen
Bauelement einer Steuerung, die zum Steuern der elektrischen Maschine
verwendet wird, an dem Stator zumindest ein Teil der Steuerung in
der Maschine platzsparend untergebracht werden kann. Der Stator
dient dabei insbesondere für elektronische Leistungsbauelemente
sowohl als Träger als auch als Wärmesenke, was
den Aufbau der elektrischen Maschine vereinfacht und kompakter macht.
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Weitere
Vorteile des Stators gemäß der Erfindung bestehen
darin, dass durch das Befestigen von elektronischen Bauelementen
an dem Stator ein wesentlich besseres elektromagnetisches Verhalten der
Maschine erreicht wird, geringere Spannungsüberhöhungen
an der elektrischen Maschine auftreten, keine zusätzlichen
Abdichtungen und Verkabelungen oder Steckverbindungen erforderlich
sind und die elektronischen Bauelemente innerhalb oder unter einem
Wickelkopf platzsparend und versteckt bzw. geschützt an
dem Stator angebracht werden können.
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Bei
bevorzugten Ausgestaltungen des Stators der Erfindung ist das elektronische
Bauelement durch ein Sintern und insbesondere ein Silbersintern an
dem Stator befestigt ist.
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Vorteile
dieser bevorzugten Ausgestaltungen des Stators bestehen darin, dass
ein zuverlässigerer Betrieb von elektrischen Maschinen
in höheren Temperaturbereichen mit weniger Materialermüdung, eine
einfachere Herstellung durch das gleichzeitige Backen der Lamellen
und das Sintern der elektronischen Bauelemente an den Stator und
ein Einsatz einer bleifreien bzw. schwermetallfreien Verbindungstechnik
ermöglicht wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Stators der Erfindung
ist das mindestens eine elektronische Bauelement ein Leistungsbauelement.
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Vorteile
dieser bevorzugten Ausgestaltung des Stators bestehen darin, dass
der Stator vorteilhaft sowohl als ein Träger als auch eine
Wärmesenke für Leistungsbauelemente verwendet
werden kann und gleichzeitig ein kompakterer und einfacherer Aufbau
der elektrischen Maschine durch Befestigen von zumindest Teilen
einer elektrischen Steuerung an dem Stator realisiert wird sowie
ein stabileres Betriebsverhalten erreicht wird.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Stators der Erfindung
ist das mindestens eine elektronische Bauelement an mindestens entweder
einer Stirnfläche oder einer Mantelfläche des Stators
befestigt.
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Ein
Vorteil dieser bevorzugten Ausgestaltung des Stators besteht darin,
dass eines oder mehrere elektronische Bauelemente an dem Stator
auf eine flexible Art und Weise anwendungsspezifisch angebracht
werden können.
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Der
erfindungsgemäße Stator kann vorteilhaft in einer
elektrischen Maschine verwendet sein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel
anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
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1 eine
perspektivische Seitenansicht eines Stators einer elektrischen Maschine.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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1 zeigt
einen Stator 1 einer elektrischen Maschine (nicht gezeigt).
Der zylinderförmige Stator 1 ist aus kreisförmigen
Lamellen 2, die aufeinander gestapelt sind, aufgebaut.
Jede Lamelle 2 hat einen ringförmigen Abschnitt 3 und
eine Vielzahl von T-förmigen Abschnitten 4, die
sich von dem ringförmigen Abschnitt 3 radial nach
innen erstrecken. Die T-förmigen Abschnitte 4 sind
in der Umfangsrichtung zum Beispiel äquidistant beabstandet
und durch eine Vielzahl von hutförmigen Öffnungen 5 voneinander
getrennt. Jede Lamelle 2 hat eine zentrale Öffnung 6, die
an einen Außendurchmesser eines Rotors (nicht gezeigt)
und an einen Luftspalt zwischen Rotor und Stator 1 angepasst
ist. Die Lamellen 3 sind vorzugsweise aus Blech, wie Backlackblech,
gebildet und miteinander zu dem Stator 1 verbacken. Die
miteinander fluchtenden hutförmigen Öffnungen 5 der
Lamellen 2 bilden axiale Nuten zur Aufnahme einer Statorwicklung
des Stators 1.
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Der
Stator 1 hat eine Mantelfläche 7 und zwei
Stirnflächen 8, von denen nur eine in 1 zu sehen
ist. An der gezeigten Stirnfläche 8 des Stators 1 sind
an dem ringförmigen Abschnitt 3 der obersten Lamelle
drei elektronische Bauelemente 9 einer Steuerung (nicht
gezeigt) der elektrischen Maschine angebracht. Die elektronische
Bauelemente 9 sind in Umfangsrichtung in gleichem Abstand
angeordnet und jeweils in der Nähe eines T-förmigen
Abschnitts 4 platziert. Die elektronische Bauelemente 9 sind
zur Befestigung direkt an die gezeigte Stirnfläche 8 des Stators 1 gesintert.
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Für
das Sintern wird vorzugsweise das in dem Artikel von H.
Schwarzbauer, R. Kuhnert: novel large area joining technique for
improved power device performance, IEEE Transactions an Industrial Applications,
Band 27, Heft I, S. 93–95, 1991 beschriebene Verfahren
verwendet, das auch als „Silbersintern" bekannt ist. Der
Inhalt dieses Artikels ist hierin durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit
aufgenommen. Beim Silbersintern, das eine Niedertemperatur-Verbindungstechnik
(NTV) darstellt, wird Silberpulver als Verbindungsmittel verwendet.
Das Silberpulver wird zunächst auf eines der zu verbindenden
Elemente, beispielsweise den Stators 1, als dünne
Schicht aufgetragen und anschließend getrocknet. Danach
wird das mit dem ersten Element zu verbindende zweite Element, beispielsweise
ein elektronisches Bauelement 9, auf dem ersten Element
beziehungsweise der dünnen Schicht Silberpulver positioniert.
Abschließend findet ein einige Sekunden bis Minuten dauernder
Drucksintervorgang bei einer Temperatur zwischen 225°C
und 250°C und einem Druck von ca. 30 MPa statt. Die resultierende
Verbindung hält Temperaturen stand, die oberhalb der beim Drucksintervorgang
vorherrschenden Temperatur liegen. Im Vergleich zu einer üblichen
Löt-Verbindung führt das Silbersintern unter Anderem
zu einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit, elektrischen
Leitfähigkeit sowie zu einer erhöhten Festigkeit
der Verbindung.
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Die
elektronischen Bauelemente 9 können alternativ
an einer oder beiden Stirnflächen 8, an der Mantelfläche 7,
an einer Stirnfläche 8 und der Mantelfläche 7 oder
an allen Flächen des Stators 1 angebracht sein.
Ferner können alternativ eines oder mehrere elektronische
Bauelemente 9 und/oder auch andere Teile der Steuerung
an dem Stator 1 angebracht sein. Die elektronischen Bauelemente 9 sind vorzugsweise
Leistungsbauelemente, wie Leistungshalbleiterbauelemente, die den
Stator sowohl als Träger als auch als Wärmesenke
nutzen können. Die Leistungshalbleiterbauelemente sind
beispielsweise Leistungstransistoren.
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Die
elektrische Maschine ist vorzugsweise eine Reluktanz-, Synchron-,
Asynchron- oder Kommutatormaschine.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben ist, ist dieselbe darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - H. Schwarzbauer,
R. Kuhnert: novel large area joining technique for improved power
device performance, IEEE Transactions an Industrial Applications,
Band 27, Heft I, S. 93–95, 1991 [0030]