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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf elektrische Maschinen mit integrierter Leistungs-Elektronik.
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Hintergrund
der Erfindung
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In konventionellen elektrischen Maschinen bzw.
Elektromotoren ist die zugehörige
Leistungs-Elektronik außerhalb
des eigentlichen Gehäuses
der elektrischen Maschine angeordnet. Es gibt mindestens zwei Gründe, um
die Leistungs-Elektronik von der eigentlichen elektrischen Maschine
zu trennen. Erstens ist das Volumen, das für die Leistungs-Elektronik
benötigt
wird, so groß,
dass es schwierig ist, die elektrische Maschine in die beabsichtigte
Anwendung physikalisch einzupassen. Zweitens sind die Umgebungsbedingungen
innerhalb des Gehäuses
einer elektrischen Maschine wesentlich rauer als die konventionelle
Umgebung für Leistungs-Elektronik
es erfordert.
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Ein erhebliches Problem, das in Geräten der Leistungs-Elektronik
gelöst
werden muss, ist die Erzeugung von Wärme. Konventionell wird eine
Vorrichtung zur Wärme
Abführung
mit der Leistungs-Elektronik gekoppelt, um die Ableitung von Wärme zu verbessern.
Metalle (wie zum Beispiel Kupfer) sind gut für die Ableitung der Wärme, da
sie schnell die Hitze von den Leistungsschaltern ableiten. Keramik
ist nicht so gut, da deren thermische Leitfähigkeit nicht annähernd so
gut ist wie die von Metallen. Deswegen sind Metalle geeignet, um
Wärme von
den Leistungsschaltern wesentlich effektiver abzuleiten als ein
Keramik Substrat.
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Leistungsschalter, die im Mittelpunkt
der Leistungs-Elektronik stehen, erzeugen eine große Menge
von Wärme
und benötigen
deswegen eine Art Kühlungstechnologie
in ihrer Umgebung, um die Hitze abzuleiten. Leistungsschalter werden
typischerweise in einem großen
isolierenden (typischerweise Keramik-) Substrat montiert. Ein Grund
dafür,
dass ein Keramik-Substrat verwendet wird, ist es, Belastungen auf
den Leistungsschalter zu verhindern. Spezifisch ausgedrückt ist
der thermische Ausdehnungs-Koeffizienten (CTE) des keramischen Substrats
näher an
dem Ausdehnungs-Koeffizienten des Materials des Leistungsschalters
als der eines metallischen Substrats. Dieses isolierende oder Keramik-Substrat
wird typischerweise auf einen Wärme-Ableiter aus Metall
aufgelötet.
Der Wärme-Ableiter
aus Metall wird dann auf eine Wärme-Ableitung
in der Leistungs-Elektronik montiert. Das keramische Gehäuse, die
Grundplatte aus Metall, Wärme-Ableiter
und Lot erhöhen
den thermischen Widerstand. Ein System das einen sehr geringen thermischen
Widerstand besitzt, wird in der Lage sein, effizienter zu kühlen.
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Die Kosten und die Größe einer
elektrischen Maschine können
verringert werden, wenn die Leistungs-Elektronik so kompakt hergestellt
werden kann, dass sie in das Gehäuse
der elektrischen Maschine hinein passt. Unglücklicherweise sind konventionelle
Schalter und die dafür
erforderliche Kühlungs-Einrichtung
zu voluminös,
um innerhalb einer elektrischen Maschine eingepasst zu werden. Deswegen
wird eine neue und verbesserte Methode und ein System benötigt, um
die Leistungs-Elektronik, also insbesondere Halbleiterelektronik,
zu montieren und unterzubringen.
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In einer Ausführung stellt die vorliegende
Erfindung einen dreiphasigen Induktionsmotor vor, der die Leistungs-Elektronik
innerhalb desselben Gehäuses
aufweist wie der elektrische Motor. Die Leistungs-Elektronik kann
um den Umfang des Dreiphasen-Induktions-Motors herum angeordnet
sein (Montage auf dem Umfang).
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In einer alternativen Ausführung kann
die Leistungs-Elektronik am Ende des Motors angeordnet sein (scheibenförmige Montage).
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In der Ausführung mit der Montage auf dem Umfang
sind die verwendeten Kondensatoren Ring-Kondensatoren, die für die Gleichstrom-Zwischenkreis-Kapazität verwendet
werden.
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Alternativ können in der Ausführung mit
der Montage auf dem Umfang konventionelle Kondensatoren für die Gleichstrom-Zwischenkreis-Kapazität verwendet
werden.
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In der Ausführung mit der scheibenförmigen Montage
werden Scheiben-Kondensatoren
für die Gleichstrom-Zwischenkreis-Kapazität verwendet.
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Alternativ werden in der Ausführung mit
der scheibenförmigen
Montage konventionelle Kondensatoren für die Gleichstrom-Zwischenkreis-Kapazität verwendet.
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In einer Ausführung können die Verbindungen des Gleichstromzwischenkreises
mit der Stromschiene integriert werden.
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In einer alternative Ausführung können die Verbindungen
des Gleichstromzwischenkreises das Gehäuse des Dreiphasen-Induktions-Motors
als ihr Gehäuse
verwenden.
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In einer Ausführung werden ungepackte, also
nackte Leistungsschalter-Elemente
mit Hilfe von Drahtverbindungen, Drahtbonding verbunden.
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In einer alternativen Ausführung werden
ungekapselte (nackte) Leistungsschalter-Elemente mit einer Stromschiene
oder einer Schaltkreis-Platine mit Hilfe von Flächen-Verbindungen verbunden.
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In einer alternativen Ausführung werden nackte
Leistungsschalter-Elemente als bFLIP-CHIP-Elemente behandelt, und
ein thermisch leitfähiges
Unterfüllungs-Material
wird verwendet, um Wärme
von der Oberseite des Schaltelements auf ein thermische leitfähiges Medium über dem
Halbleitersubstrat des Schaltelements zu leiten, ebenso wie zu der
kalten Platte unter dem Schaltelement.
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In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung
werden die nackten Leistungsschalter-Elemente mit einem Wärme-Ableiter
mit Hilfe einer Verbindung aus flüssigem Metall verbunden.
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In einer bevorzugten Ausführung wird
ein Verdampfungskühler
verwendet neben den nackten Leistungsschalter-Elementen und der
Stromschiene, um die Leistungs-Elektronik zu kühlen.
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In einer anderen Ausführung der
vorliegenden Erfindung wird die Kühlung durch Luftkühlung erreicht.
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In einer weiteren Ausführung wird
Kühlung durch
Flüssigkeitskühlung erreicht.
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In einer weiteren Ausführung enthalten Stromschienen,
auf die die Leistungsschalter-Elemente montiert sind, Einrichtungen
zur Flüssigkeitsküh lung.
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In einer bevorzugten Ausführung wird
eine geätzte
Tri-Metall-Schaltkreis-Platine
mit dem nackten Leistungsschalter-Element verbunden, um Strom zu
leiten.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird
eine geätzte
Tri-Metall-Schaltkreis-Platine
verwendet für
die Steuerungs-Schaltkreise.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird
eine geätzte
Tri-Metall-Schaltkreis-Platine
sowohl für
die Stromschiene als auch für
die Steuerungselektronik verwendet.
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Diese und andere Aspekte und Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden klar nach Lesen der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung der Erfindung in Kombination mit der
begleitenden Zeichnung. In dieser zeigen
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1:
eine Schemazeichnung der elektrischen Maschine mit integrierter
Leistungselektronik, wobei die Leistungs-Elektronik auf dem Umfang montiert
ist, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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2:
eine schematische Zeichnung in einer Detailansicht der auf dem Umfang
montierten Leistungs- Elektronik, in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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3:
eine Schemazeichnung der elektrischen Maschine mit integrierter
Leistungselektronik, wobei die Leistungselektronik in Scheibenform
montiert ist, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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4:
eine Schemazeichnung einer Verbindung eines Leistungsschalter-Elements mit Hilfe
einer Flüssigmetall-Verbindung,
in Übereinstim mung mit
der vorliegenden Erfindung;
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5a:
eine Schemazeichnung einer Verbindung eines Leistungsschalter-Elements mit Hilfe einer
Flüssigmetall-Verbindung
und in FLIP-CHIP-Technologie,
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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5b:
ist eine Schemazeichnung einer weiteren Ausführung einer Verbindung eines
Leistungsschalter-Elements mit Hilfe einer Flüssigmetall-Verbindung und in FLIP-CHIP-Technologie,
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 5c:
eine Schemazeichnung noch einer weiteren Ausführung einer Verbindung eines
Leistungsschalter-Elements mit Hilfe einer Flüssigmetall-Verbindung und in
FLIP-CHIP-Technologie, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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6:
eine Schemazeichnung einer Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene
mit einem daran befestigten Leistungsschalter-Element, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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7a:
eine Schemazeichnung eines Verdampfungs-Kühlers, in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung;
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7b:
eine Schemazeichnung einer weiteren Ausführung eines Verdampfungs-Kühlers, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung;
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7c:
eine Schemazeichnung noch einer weiteren Ausführung eines Verdampfungs-Kühlers, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erindung; und
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8:
eine Schemazeichnung einer integrierten Verbindung mit geätzter elektrischer
Tri--Metall-Stromschiene, in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung In 1 ist
eine elektrische Maschine bzw. ein Elektromotor 10 dargestellt
in einer Konfiguration mit Montage auf den Umfang. Bevorzugt ist
die elektrische Maschine 10 ein Drei-Phasen-Induktions-Motor.
Die elektrische Maschine 10 weist einen Stator 12 und
einen Rotor 14 auf. Der Stator 12 hat mindestens
vier Lagen. Die vier Lagen weisen auf: eine äußere Lage 24, eine
erste Zwischenlage 26, eine zweite Zwischenlage 28 und
eine innere Lage 30. Die Lagen sind miteinander mit Hilfe mechanischer
Klammern oder ähnlichen
Vorrichtungen verbunden. Die äußere Lage 24 ist
bevorzugt ein Ring-Kondensator.
Der Ring-Kondensator dient dazu, die elektrische Maschine 10 von
der äußeren Umgebung
zu isolieren. Die erste Zwischenlage 26 ist eine kalte
Platte. Die kalte Platte wird verwendet, um die Leistungs-Elektronik
zu kühlen.
Die zweite Zwischenlage 28 ist eine thermisch isolierende
Lage. Die thermisch isolierende Lage 28 bietet eine Barriere gegen
die Wärme-Übertragung. Die innere Lage 30 ist
eine strukturelle Lage, die die vorher erwähnten Lagen stützt. Eine
Vielzahl von Stromschienen-Klammern 22 ist auf einer äußeren Oberfläche 29 der
inneren Lage 30 befestigt. Stromschienen-Ringe 20 befinden
sich auf der Innenseite der inneren Lage 30. Die Stromschienen-Ringe 20 werden
durch die Stromschienen-Klammern 22 in ihrer Position gehalten.
Der Rotor 14 ist auf einer Welle (nicht gezeigt) befestigt.
Die Welle ist an einem Pol-Rad (nicht gezeigt) befestigt. Am Rotor 14 sind
Permanent-Magnete 16 befestigt. Wenn der Stator 12 mit
Energie versorgt wird, beginnt der Rotor 14 sich zu drehen, wenn
die Permanent-Magnete 16 mit
dem Fluss, der vom Stator 12 ausgeht, gekoppelt werden.
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In 2 ist
dargestellt, wie die Leistungs-Elektronik 23 (einschließlich der
nackten, also ohne eigenes Gehäuse
eingesetzten Leistungsschalter-Elemente 36)
in die elektrische Maschine 10 integriert ist. Motor-Phasen- Stromschienen 32 gehen von
den Stromschienen-Ringen 20 aus. Die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 sind
an einer Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34 montiert.
Von den nackten Leistungsschalter-Elementen 36 gehen Draht-Bond-Verbindungen 38 aus.
An jedem Ende des Ring-Kondensators 24 befindet
sich eine Niedrig-Potenzial-Verbindung 40 und eine Hoch-Potenzial-Verbindung 42.
Hier erzeugen die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 Wärme. Um
zu verhindern, dass die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 wegen Überhitzung
ausfallen, wird die Flüssigkeitsgekühlte Stromschiene 34 verwendet,
um die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 zu kühlen. Draht-Bond-Verbindungen 38 verbinden
die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 mit der elektrischen Maschine.
Die Niedrig-Potenzial-Verbindung 40 und die Hoch-Potenzial-Verbindung 42 verbinden
die Leistungs-Elektronik mit der Stromversorgung.
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In einer alternativen Ausführung, wie
in 3 gezeigt, ist die
elektrische Maschine 10 in einer scheibenförmigen Anordnung 44 aufgebaut.
Für eine
scheibenförmige
Montage ist die Leistungs- Elektronik 23 (das heißt die nackten
Leistungsschalter-Elemente 36) an einem Ende der elektrischen Maschine 10 montiert,
im Gegensatz zu der Montage auf dem Umfang (wie in 1 gezeigt), wo die Leistungs-Elektronik
am Umfang der elektrischen Maschine 10 montiert ist. Substanziell
sind alle anderen Aspekte der scheibenförmigen Konfiguration 44 ähnlich wie
bei der Montage auf dem Umfang.
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Am Motorgehäuse 46 sind mindestens
zwei Lagen befestigt: eine untere Lage 48 und eine obere Lage 50.
Die untere Lage 48 ist ein Scheiben-Kondensator. Die obere Lage 50 ist
eine scheibenförmige kalte
Platte. Die scheibenförmige
kalte Platte wird verwendet, um die Leistungs-Elektronik 23 zu
kühlen,
und der Scheiben-Kondensator wird verwendet, um die elektrische
Maschine 10 von elektrischen Störeinflüssen zu isolieren. Aus der
oberen Lage 50 tritt der positive Gleichspannungs-Pol 54 und
der negative Gleichspannungs-Pol 56 heraus. Auf der oberen Lage 50 ist
eine Hoch- Potenzial-Stromschiene 62 (= Hochspannungsschiene)
befestigt. Die Flüssigkeitsgekühlte Stromschiene 62 wird
verwendet, um die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 zu
kühlen. Die
Verbindung der nackten Leistungsschalter-Elemente 36 mit
den Flüssigkeits-gekühlten Stromschienen 62 wird
durch Draht-Bond-Verbindungen 38 hergestellt. Niedrig-Potenzial-Stromschienen 64 (=
Niederspannungs-Stromschienen) treten radial vom Zentrum der scheibenförmigen Konfiguration 44 nach
außen
heraus. Die scheibenförmige
Anordnung 44 arbeitet substanziell in der gleichen Weise
wie die Konfiguration mit Montage auf dem Umfang. Das heißt, wenn
das Gehäuse
des Stators (nicht gezeigt) mit Energie versorgt wird, wird der
Rotor (nicht gezeigt) zu rotieren beginnen, wenn die Permanent-Magnete
(nicht gezeigt) mit dem Fluss einkoppeln, der vom Stator-Gehäuse heraus
tritt.
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4 zeigt
eine Befestigungs-Methode, um ein nacktes Leistungsschalter-Element 36 auf
einer Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 62 zu
montieren. Eine Befestigung 66 mit einem Flüssigmetall-Element
wird zwischen der Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34,
die in einer scheibenförmigen Montage
die Hoch-Potenzial-Stromschiene 62 und die Niedrig-Potenzial-Stromschiene 64 darstellt,
und dem nackten Leistungsschalter-Element 36 angeordnet.
Eine Dichtung 72 dient dazu, das nackte Leistungsschalter-Element 36 mit
der Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34 zu
verbinden, und die Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 zwischen
der Flüssigkeitsgekühlten Stromschiene 34 und
dem nackten Leistungsschalter-Element 36 einzuschließen. Im
Betrieb absorbiert die Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 Hitze
von dem nackten Leistungsschalter-Element 36. In dem Maße, wie
die Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 sich
aufheizt, entspricht der thermische Ausdehnungs-Koeffizienten der
Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 sehr stark
dem der nackten Leistungsschalter-Elemente 36, so dass
Schaden durch mechanische Spannungen an den nackten Leistungsschalter-Elementen 36 verhindert
wird. Die Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 wiederum
leitet die Hitze zu der Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34.
Die Konstruktion und der Betrieb der Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34 wird
hier weiter unten beschrieben.
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5a zeigt
eine alternative Methode der Befestigung der nackten Leistungsschalter-Elemente 36. Ähnlich der
Befestigungs-Methode, die in 4 dargestellt
ist, ist die Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 zwischen
dem nackten Leistungsschalter-Element 36 und der Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34 vorgesehen.
Die Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 wird
an ihrem Platz durch die Dichtung 72 gehalten. Im Unterschied
aber zu den vorher beschriebenen Ausführungen ist das nackte Leistungsschalter-Element 36 mit
der Leistungs-Elektronik über
die Flüssigmetall-Element-Befestigung mit elektrischer
Verbindung 74 vom Oberteil des nackten Leistungsschalter-Elements 36 aus verbunden. Ähnlich zur
Befestigung 36 mit einem Flüssigmetall-Element besitzt
die Flüssigmetall-Element-Befestigung
mit elektrischer Verbindung 74 eine Dichtung 76, die die
Befestigung mit einem Flüssigmetall-Element,
die für
die elektrische Verbindung verwendet wird, an ihrem Ort hält. Die
Flüssigmetall-Element-Befestigung
mit elektrischer Verbindung 74 verbindet das nackte Leistungsschalter-Element 36 mit
dem Verbindungs-Substrat 77. Das Verbindungs-Substrat 77 überträgt thermische
Energie von dem nackten Leistungsschalter-Element 36 auf
die Wärme-Ableitung
auf der Oberseite 80. Außerdem ist eine thermische
Verklebung 78 zwischen dem Verbindungs-Substrat 77 und
der Wärme-Ableitung auf der
Oberseite 80 angebracht, um die Übertragung der Wärme zu ermöglichen.
Oberhalb der thermischen Verklebung befindet sich die Wärme-Ableitung auf
der Oberseite 80. Die Aufgabe der thermischen Verklebung 78 und
der Wärme-Ableitung
auf der Oberseite 80 ist es, zusätzliche Kühlung für die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 zu
bieten.
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In einer weiteren Ausführung der
vorliegenden Erfindung ist eine alternative Methode der Befestigung
beschrieben und in 5b dargestellt,
um die nackten Leistungsschalter-Elemente 36, mit der Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34 zu
verbinden. In der vorliegenden Befestigungs-Methode ist das nackte
Leistungsschalter-Element 36 an der Stromschiene 34 mit
Hilfe der Flüssigmetall-Element-Befestigung 36 angebracht,
was eine mechanische und auch elektrische Verbindung zu der Stromschiene 34 herstellt.
Ein Epoxydharz 67 dient als eine Unterfüllung und umschließt die Flüssigmetall-Befestigung 66 innerhalb
einer vordefinierten Fläche.
Zum Beispiel kann die Flüssigmetall-Element-Befestigung 36 Gate
und Source des Leistungsschalter-Elements elektrisch mit der Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34 verbinden.
Weiterhin ist ein leitfähiges
Metall-Blech 69 über
der oberen Oberfläche
des nackten Leistungsschalter-Elements 36 angebracht und
mit ihr verlötet,
um eine elektrische Verbindung mit der Stromschiene 34 herzustellen.
Zum Beispiel kann das Metall- Blech 69 eine Verbindung
des Drain des nackten Leistungsschalter-Elements 36 mit
der Stromschiene 34 herstellen. Eine Klebeschicht 71 wird über dem
Metall-Blech 69 angebracht, um eine Wärme Ableitung 73 am
Metall-Blech 69 zu befestigen. Auf diese Weise wird die
Wärme auf
das Substrat und die Wärme-Ableitung übertragen
und dabei werden beide Seiten des Elements 36 genutzt.
Das Epoxydharz oder die Unterfüllung 67 wird
verwendet, um Unterschiede in den thermischen Ausdehnungs-Koeffizienten
auszugleichen.
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In 5c ist
eine alternative Methode dargestellt, um das nackte Leistungsschalter-Element 36 auf
der Stromschiene 34 zu befestigen, in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung. Das nackte Leistungsschalter-Element 36 ist elektrisch mit
der Stromschiene 34 mit Hilfe der Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 innerhalb
einer vordefinierten Fläche
und mit Hilfe einer haftenden Dichtung 72 verbunden. Die
haftende Dichtung 72 umschließt die Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 und
sorgt für die
Haftung der nackten Leistungsschalter-Elemente 36 auf der
Stromschiene 34. Außerdem
verbindet eine Metall-Blech-Verbindung 69 das Drain des
nackten Leistungsschalter-Elements 36 elektrisch mit der Stromschiene 34.
Zudem wird eine Wärme-Ableitung 73 geeignet
auf der Metall-Blech- Verbindung
69 mit der Flüssigmetall-Element
Befestigung 66 befestigt. Zusätzlich hat die Wärmeableitung 73 eine
untere Oberfläche,
die ein elektrisch isolierendes, aber thermisch leitendes Material
enthält.
Die untere Oberfläche 75 kann
zum Beispiel durch Flammenbeschichtung oder Blasbeschichtung mit
Keramik beschichtet sein oder aus eloxiertem Aluminium bestehen.
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6 ist
eine Querschnitts-Ansicht des nackten Leistungsschalter-Elements 36 und
der Flüssigkeits-gekühlten Stromschiene 34 oder
der Stromschiene 62 in Scheiben-Konfiguration, wie diesbezüglich jeweils
in 2 und 3 dargestellt. Das nackte
Leistungsschalter-Element 36 ist wie gezeigt durch Bonden
als Beispiel für
die verwendete Verbindungstechnik mit der elektrisch leitfähigen Stromschiene 84 über die
Flüssigmetall-Element-Befestigung 66 und
die Dichtung 72 verbunden. Gekoppelt mit und hervortretend
von dem nackten Leistungsschalter-Element 36 ist die Draht-Bond-Verbindung 38. Weiterhin
ist die elektrisch leitfähige
Stromschiene 84 gekoppelt mit einem elektrisch isolierenden
Material 86. Das elektrisch isolierende Material 86 wiederum
ist gekoppelt mit einem thermisch leitfähigen Material 88.
Innerhalb des thermisch leitfähigen
Materials 88 ist ein Kühlkanal 90 ausgebildet.
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Im Betrieb überträgt die Befestigung 66 mit einem
Flüssigmetall-Element
Hitze von dem nackten Leistungsschalter-Element 36 zu der
elektrisch leitfähigen
Stromschiene 84. Die elektrisch leitfähige Stromschiene 84 ist
von dem thermisch leitfähigen Material 88 durch
das isolierende Material 86 elektrisch isoliert. Um das
nackte Leistungsschalter-Element 36 zu kühlen, wird
der Kühlungs-Kanal 90 mit einer
Flüssigkeit
gefüllt,
die Wärme
vom thermisch leitfähigen
Material 88 aufnimmt und ableitet.
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Eine Alternative Form der kühlenden
Stromschiene 84 ist ein Verdampfungs-Kühler 90, wie in 7a gezeigt. Eine Flüssigkeit 92 wird
durch die Leistungs-Elektronik erhitzt. Wenn die Flüssigkeit sich
aufheizt, wird sie zu Dampf (wie dargestellt durch die Pfeile 94).
Der Dampf 94 steigt zur Spitze des Verdampfungs-Kühlers 90 auf,
wo er durch Kühlrippen 96 gekühlt wird.
Der Dampf 94 kühlt
dann ab und wird zu Flüssigkeit 92.
Leitfähiges
poröses
Material 98 kanalisiert dann die Flüssigkeit 92 wieder
zurück
hinunter zum Boden des Verdampfungs-Kühlers 90 und der Prozess
wiederholt sich daraufhin. Die Pfeile 91 zeigen an, wo
die Hitze durch den Verdampfungs-Kühler 90 abgegeben
wird, und die Pfeile 93 zeigen an, wo die Hitze vom Verdampfungs-Kühler 90 abgeleitet
wird.
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In 7b ist
nun eine alternative Ausführung eines
Verdampfungs-Kühlers 95 gezeigt,
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Der Verdampfungs-Kühler 95 enthält eine
kalte Platte 97 mit einer Vielzahl von Kühlrippen
oder Kondensator-Platten 99. Weiterhin enthält die kalte
Platte 97 Seiten 101, die zusammen mit der kalten Platte 97 eine
Kavität 103 definieren.
Innerhalb der Kavität 103 befindet
sich eine dielektrische Flüssigkeit 105.
Weiterhin sind Verdampfer 107 und 109 vorgesehen
zur Verdampfung der dielektrischen Flüssigkeit 105. Der Druckaufbau
am Verdampfer zwingt den Dampf der dielektrischen Flüssigkeit
dazu, sich nach außen
zu bewegen, wie durch die Pfeile a und b gezeigt. Der Dampf der
dielektrischen Flüssigkeit
kondensiert über
einer grossen Fläche
und verteilt dabei seine latente Wärme. Die kalte Platte wird
durch freie oder erzwungene Konvektion von Luft oder Flüssigkeit
gekühlt.
Kondensat wird zum Verdampfer 107 oder 109 durch
kapillaren Transport oder durch Schwerkraft zurückgeführt.
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In 7c beschreibt
eine Schemazeichnung die Befestigung eines nackten Leistungsschalter-Elements 36 an
der kalten Platte 97. Das nackte Leistungsschalter-Element 36 wird
in einer Ausführung an
einer Stromschiene 34 durch Methoden befestigt, die oben
beschrieben sind. Im Betrieb werden die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 und
auch andere elektronische Komponenten 110, die an der Stromschiene 34 befestigt
sind, Wärme
erzeugen, die durch die dielektrische Flüssigkeit 105 verteilt wird.
Verdampfer
113 sind in die dielektrische Flüssigkeit 105 eingetaucht.
Eine Vielzahl von Kühlrippen 115 ist
auf der kalten Platte 97 verteilt, um die Hitze zu verteilen,
die durch die nackten Leistungsschalter-Elemente 36 und
die elektronischen Komponenten 111 erzeugt wird. Wenn der
Dampf der dielektrischen Flüssigkeit 105 aufsteigt
und sich verteilt, wird die latente Wärme auf die Kühlrippen 115 übertragen.
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Die Wärme-Ableiter mittels Flüssigkeits-Dampf
der vorliegenden Erfindung können
viele Vorteile gegenüber
Wärme-Ableitern
nach dem Stand der Kunst aufweisen. Zum Beispiel machen die Wärme-Ableiter
mittels Flüssigkeitsdampf
die voluminösen
und schweren metallischen Rippen in traditionellen Wärme-Ableitern
unnötig.
Außerdem
wird der thermische Aufbau vereinfacht, was sich in reduzierten
Kosten auswirkt. Zusätzlich
wird ein isolierendes Element im thermischen Aufbau zur Verfügung gestellt,
das elektrische Leitung verhindert. Auf diese Weise besitzt der
erhaltene Wärme-Ableiter
verbesserte thermische Leistungsfähigkeit.
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8 zeigt
die Verwendung einer geätzten Tri-Metall-Technologie
(ETM) zur Konstruktion einer Stromschiene 100. Im Allgemeinen
hat eine ETM-Schaltkreis-Baugruppe
drei Lagen: eine obere Lage 102, eine mittlere Lage 104 und
eine untere Lage 106. In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung
sind die obere Lage 102 und die untere Lage 106 aus
Kupfer hergestellt und die mittlere Lage 104 ist aus Aluminium
hergestellt. U.S. Patent No. 3,801,388, erteilt an Akiyama et a1.,
U.S. Patent No. 4,404,059 erteilt an Livshits et a1., U.S. Patent
No. 5,738,797 erteilt an Belke, Jr. et a1. und U.S. Patent No. 6,381,837
erteilt an Baker et al, von denen alle hier als Referenz einbezogen
werden, beschreiben verschiedene Methoden zum Aufbau von ETM-Schaltkreis-Baugruppen.
Nackte Leistungsschalter-Elemente 36 werden Flächen-gebondet
auf Stromschienen 100. Stromschienen 100 werden durch
spezielle geätzte
Konstruktionen für
freie Kühlung
oder Kühlung
durch erzwungene Konvektion gekühlt,
werden integriert mit traditionellen Steuerungselektroniken, werden
verbunden mit externen elektrischen Systemen durch geätzte Verbindungs-Elemente,
werden geätzt,
um elektronische Schaltkreise darzustellen und ausgerüstet mit
elektronischem Inhalt.
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Vorteile und Nutzen der vorliegenden
Erfindung schließen
die Verringerung von separaten Komponenten durch Integration ein,
was in einer Verringerung der Verbindungen zwischen dem Inverter und
dem Motor resultiert. Normalerweise würde dieses einen großen Stecker
an sowohl dem Inverter als auch an dem Motor aufweisen und einem
dicken abgeschirmten Kabel dazwischen. Die Einsparung dieser Komponenten
verringert signifikant das Volumen, die Kosten und das Gewicht der
elektrischen Maschine. Die Einsparung des Gehäuses des Inverters, das der
schwerste Teil des Inverters ist, schließt eine Kombination von Stromschienen
und Verbindungs-Kontakten ein, eine Kombination des Stecker-Gehäuses mit
dem Motor-Gehäuses,
und eine Kombination der Motor-Phasen-Stromschienen mit Stromschienen
der Leistungs-Elektronik.
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Die Verringerung des Volumens der
erforderlichen Komponenten ermöglicht
eine Maximierung der Nutzung von Gerätevolumen durch die Verwendung
von Scheiben-Kondensatoren und die Schrumpfung der räumlichen
Anforderungen der Gleichstromzwischenkreis-Kondensatoren durch die Kühlungs-Verfahren, die oben
beschrieben sind. Dies wird erreicht, indem der Scheiben-Kondensator innerhalb
der kalten Platte der Elektronik platziert wird.
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In konventionellen Wechselrichtern
sind die Stromschienen groß,
da sie dazu dienen, die elektronischen Komponenten, die voluminös sind und über den
Raum verteilt sind, zu verbinden. Durch den Wegfall des Gehäuses des
Leistungs-Schalters und durch Gebrauch eines Kondensator- Pakets,
das für den
Wechselrichteraufbau optimiert ist, werden alle Verbindungspunkte
nahe zueinander angeordnet, was eine signifikante Verringerung der
Größe der Stromschienen,
des Gewichts und der Kosten ermöglicht.
Das Volumen, das durch die Leistungsschalter verbraucht wird, wird
stark reduziert, da ungekapselte (nackte) Leistungshalbleiter verwendet werden
und die nackten Leistungsschalter-Elemente direkt in den Wechselrichter
eingebunden werden. Im Allgemeinen muss ein Standard-Transistor-Gehäuseaufbau
verwendet werden, und die Mechanik des Wechselrichter-Aufbau muss
darum herum angeordnet werden. In der vorliegenden Erfindung sind
die Schalter nackte Leistungsschalter-Elemente, und die Elemente
sind in einer Anordnung platziert, die die Anforderungen an die
Größe des Wechselrichters insgesamt
minimieren.
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Eine Verbesserung der elektrischen
und thermischen Eigenschaften des Wechselrichters durch Integration
wird erreicht, da die nackten Leistungsschalter-Elemente näher an der
Stromschiene des Gleichstrom Zwischenkreises montiert werden können. Die
elektromagnetische Verträglichkeit
der Kombination aus Wechselrichter und Motor der vorliegenden Erfindung
ist stark verbessert, da die Leistungsschalter-Elemente sich in
naher Nachbarschaft zu den Wicklungen des Motors befinden, wo die
Leistung produziert oder verbraucht wird und dann die Baugruppe
in ein einziges dickes metallisches Gehäuse eingeschlossen ist. Die
Induktivität
der Verbindungen vom nackten Leistungsschalter zum Gleichstromzwischenkreis
wird stark reduziert, da eine direkte metallische Verbindung (Flüssigmetall-Verbindungen
des Schaltelement-Plättchens)
zwischen dem Leistungsschalter-Element und der Stromschiene des
Gleichstromzwischenkreises aus Kupfer gegeben ist.
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Wie jeder Fachmann für Elektromotoren
mit integrierter Elektronik aus der vorangegangenen detaillierten
Beschreibung und aus der Zeichnung und den Patentansprüchen erkennen
wird, sind Modifikation und Änderungen
der bevorzugten Ausführungen der
Erfindung möglich,
ohne sich vom Umfang dieser Erfindung, wie er in den nachfolgenden
Patentansprüchen
definiert ist, zu entfernen.