DE112017005289T5

DE112017005289T5 - Elektrische Maschine mit eingepresstem Elektronikmodul

Info

Publication number: DE112017005289T5
Application number: DE112017005289.0T
Authority: DE
Inventors: Attila Nagy; Bruce Hamilton
Original assignee: BorgWarner Inc
Current assignee: Phinia Technologies Inc
Priority date: 2017-02-02
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-07-25
Also published as: US20180219462A1; US10784756B2; WO2018144164A1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Maschine (20) mit: betriebsfähigem Koppeln einer Statorbaugruppe (22) mit einer Rotorbaugruppe (24), Koppeln der Statorbaugruppe und der Rotorbaugruppe mit einer Gehäusebaugruppe (26), Bilden von Öffnungen in der Gehäusebaugruppe (26), Bilden von mehreren Trägern (52), wobei jeder Träger aus einem Profil (50) gebildet ist, der Träger eine Längsachse (58) und einen Innenraum (88), der sich in Längsrichtung des Trägers (52) erstreckt, definiert, und der Innenraum eine ebene Montagefläche (90) aufweist, Montieren eines MOSFETs (80) auf der ebenen Montagefläche (90) von jedem Träger (52), Installieren jedes Trägers (52) in einer der Öffnungen der Gehäusebaugruppe (26) in einem Pressverband, und betriebsfähiges Koppeln der MOSFETs (80) mit der elektrischen Maschine (20).

Description

Bezugnahme auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen US Patentanmeldung Nr. 62/453,665 , die am 2. Februar 2017 mit dem Titel „elektrische Maschine mit eingepresstem Elektronikmodul“ eingereicht wurde und deren Offenbarung hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Hintergrund
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen und, genauer gesagt, das Montieren von Baugruppen für Elektronikkomponenten.
Beschreibung des Stands der Technik
Elektrische Maschinen, die für Generatoren in Fahrzeugen eingesetzt werden, sind oft dreiphasig elektrische Maschinen, die Dioden nutzen, um den durch den Generator erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln oder gleichzurichten. Bei einige neuere Generatorkonzepten sind die Dioden durch Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs) ersetzt, um den vom Generator erzeugten Wechselstrom gleichzurichten.
Der Einsatz von MOSFETs kann zu einer größeren Effizienz beim Betrieb des Generators führen. Die verschiedenen strukturellen Komponenten des Generators, die auf den Einsatz von Dioden abgestimmt sind, müssen jedoch im allgemeinen neu konzipiert werden, um den Einsatz eines MOSFETs zuzulassen, was Schwierigkeiten bereiten und zu höheren Kosten führen kann, wenn ein Dioden-Generatorkonzept für einen Einsatz mit MOSFETs angepasst wird.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung schafft eine Modulbaugruppe für einen MOSFET, die das Einsetzen in eine elektrische Maschine erleichtert, die ursprünglich für den Einsatz von Dioden konzipiert wurde. Sie kann jedoch auch mit elektrischen Maschinen verwendet werden, die speziell für den Einsatz mit MOSFETs konzipiert wurden.
Die Erfindung betrifft in einer ihrer Formen eine elektrische Maschine, die eine Gehäusebaugruppe, eine Statorbaugruppe und eine Rotorbaugruppe, die betriebsfähig miteinander gekoppelt sind und an die Gehäusebaugruppe gekoppelt sind, und mehrere MOSFET Baugruppen, die betriebsfähig mit der Statorbaugruppe gekoppelt sind, enthält, wobei die MOSFET Baugruppen jeweils in einer Öffnung angeordnet sind, die durch die Gehäusebaugruppe definiert ist und einen Träger mit einem Äußeren aufweisen, das eine Form hat, durch die der Träger in einer der durch die Gehäusebaugruppe definierten Öffnungen durch einen Pressverband gehalten ist. Der Träger definiert dabei einen Innenraum, der sich über die volle longitudinale Länge des Trägers erstreckt und weist wenigstens eine ebene Montagefläche auf, wobei ein MOSFET auf der ebenen Montagefläche montiert ist.
Bei manchen Ausführungsformen definiert der Träger eine Längsachse, die sich über die Länge des Trägers erstreckt und der Träger definiert ein Querschnittsprofil in eine Ebene, das senkrecht zu der Längsachse ist und über die Länge des Trägers im Wesentlichen konstant bleibt. Der Träger kann aus Kupfer sein. Bei einer solchen Ausführungsform kann die ebene Montagefläche parallel zu der Längsachse des Trägers angeordnet sein und die Längsachse des Trägers kann parallel zu der Rotationsachse des Rotors angeordnet sein.
Der Träger kann mehrere sich in Längsrichtung erstreckende Rippen auf der Außenfläche des Trägers aufweisen, wobei die sich in Längsrichtung erstreckenden Rippen mit der Gehäusebaugruppe in der Öffnung einen Pressverband bilden.
Die Gehäusebaugruppe kann wenigstens ein Wärmetauscherteil aufweisen, das mehrere Kühlrippen bildet und zudem wenigstens eine der Öffnungen zum Aufnehmen der MOSFET Baugruppen definiert. Bei manchen Ausführungsformen ist das wenigstens eine Wärmetauscherteil aus Aluminium und der Träger aus Kupfer.
Bei manchen Ausführungsformen ist der MOSFET mit einer Gate-Anordnung gekoppelt, die mehrere Leiterbahnen aufweist, wobei mehrere Drahtanschlüsse den MOSFET an die Leiterbahnen anschließen. Die Gate-Anordnung kann an der ebenen Montagefläche befestigt sein, um dadurch den MOSFET auf der ebenen Montagefläche zu montieren.
Die Öffnungen, in denen die MOSFET Baugruppen angeordnet sind, können die Form von zylindrischen Öffnungen haben.
Die elektrische Maschine kann auch eine Stromschienenbaugruppe aufweisen, die leitend mit den MOSFET Baugruppen gekoppelt ist.
Die Erfindung betrifft in einer anderen Form ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, das aufweist: operatives Koppeln einer Statorbaugruppe mit einer Rotorbaugruppe, Koppeln der Statorbaugruppe und der Rotorbaugruppe mit einer Gehäusebaugruppe, Bilden von mehreren Öffnungen in der Gehäusebaugruppe, Bilden von mehreren Trägern, wobei jeder Träger aus einem Profil gebildet ist, wobei der Träger einen Innenraum definiert, der sich in Längsrichtung erstreckt, und wobei der Innenraum eine ebene Montagefläche aufweist, Montieren eines MOSFETs auf der ebenen Montagefläche des Trägers, Installieren jedes Trägers in einer der Öffnungen der Gehäusebaugruppe mittels eines Pressverbands und operatives Koppeln des MOSFETs mit der elektrischen Maschine.
Bei manchen Ausführungsformen ist das Profil aus Kupfermaterial hergestellt.
Bei manchen Ausführungsformen des Verfahrens wird das Profil durch Extrusion eines Materials und Zuschneiden des Profils auf eine gewünschte Länge zum Bilden der einzelnen Träger hergestellt. Bei einer solchen Ausführungsform kann das Profil durch Extrusion von Kupfermaterial hergestellt werden. Das Profil kann auch eine Querschnittsform in einer Ebene senkrecht zur Längsachse definieren, die entlang der Länge des Profils im Wesentlichen konstant bleibt.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst das Verfahren zudem das Koppeln von jedem MOSFET mit einer Gate-Anordnung, bevor der MOSFET auf der planbaren Montagefläche montiert wird. Das Verfahren kann zusätzlich das Befestigen der Gate-Anordnung an der ebenen Montagefläche des Trägers umfassen, um dadurch den MOSFET auf der ebenen Montagefläche zu montieren. Manche Ausführungsformen können zusätzlich auch das Montieren des MOSFETs auf der Gate-Anordnung und das Koppeln des MOSFETs an die Gate-Anordnung mit mehreren Verbindungsdrähten vor dem Befestigen der Gate-Anordnung an der ebenen Montagefläche des Trägers umfassen.
Bei manchen Ausführungsformen definiert das Profil eine Außenfläche, die sich in Längsrichtung erstreckende Rippen aufweist, und der Schritt des Einsetzens des Trägers in eine der Öffnungen der Gehäusebaugruppe als Pressverband enthält das Eingreifen der sich in Längsrichtung erstreckenden Rippen in die Gehäusebaugruppe zum Bilden des Pressverbandes.
Bei manchen Ausführungsformen enthält die Gehäusebaugruppe wenigstens ein Wärmetauscherteil, das mehrere Kühlrippen bildet und wenigstens eine der Öffnungen bildet, und der Schritt des Einsetzens des Trägers in eine der Öffnungen der Gehäusebaugruppe als Pressverband umfasst das Einsetzen des Trägers in das wenigstens eine Wärmetauscherteil. Bei solchen Ausführungsformen kann der Träger aus Kupfer sein, wobei das Wärmetauscherteil aus Aluminium ist.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst das Verfahren den Schritt des Installierens einer Stromschienenbaugruppe an der elektrischen Maschine und das Koppeln des MOSFETs an die Stromschienenbaugruppe.
Bei manchen Ausführungsformen enthält der Schritt des Bildens von mehreren Öffnungen in der Gehäusebaugruppe das Bilden von mehreren zylindrischen Öffnungen.
Die Erfindung umfasst in einer weiteren Ausgestaltung ein Verfahren des Herstellens einer elektrischen Maschine, welches umfasst: operatives Koppeln einer Statorbaugruppe mit einer Rotorbaugruppe, wobei die Rotorbaugruppe eine Rotationsachse definiert, Koppeln der Statorbaugruppe und der Rotorbaugruppe mit einer Gehäusebaugruppe, Bilden von mehreren Öffnungen in der Gehäusebaugruppe, das Bilden von mehreren Trägern, wobei jeder Träger aus einem Profil gebildet ist und der Träger eine Längsachse und einen Innenraum definiert, der sich über die longitudinalen Länge des Trägers erstreckt, und wobei der Innenraum eine ebene Montagefläche aufweist, die parallel zu der Längsachse angeordnet ist, Montieren eines MOSFETs auf der ebenen Montagefläche jedes Trägers, Installieren jedes Trägers in einer der Öffnungen der Gehäusebaugruppe als Pressverband, wobei die Längsachse von jedem Träger parallel zu der Rotationsachse der Rotorbaugruppe ist, und betriebsfähiges Koppeln des MOSFETs mit der elektrischen Maschine.
Bei manchen Ausführungsformen des Verfahrens wird das Profil durch Extrudieren von Materials hergestellt und das Verfahren enthält zudem den Schritt des Zuschneidens des Profils auf eine gewünschte Länge, um die einzelnen Träger zu bilden.
Das Verfahren kann auch das Koppeln von jedem MOSFET an eine Gate-Anordnung vor dem Montieren des MOSFETs auf der ebenen Montagefläche umfassen. Das Koppeln von jedem MOSFET mit einer Gate-Anordnung kann das Montieren von jedem MOSFET auf eine Gate-Anordnung und auch das Koppeln jedes MOSFETs mit der entsprechenden Gate-Anordnung mittels mehreren Bonddrähten vor dem Befestigen der Gate-Anordnung auf der ebenen Montagefläche umfassen.
Die Erfindung umfasst in einer weiteren Ausgestaltung ein Verfahren des Herstellens einer elektrischen Maschine, das umfasst: operatives Koppeln einer Statorbaugruppe mit einer Rotorbaugruppe, Koppeln der Statorbaugruppe und der Rotorbaugruppe mit einer Gehäusebaugruppe, Bilden von mehreren Öffnungen in der Gehäusebaugruppe, Bilden eines Profils durch Extrudieren von Material, wobei das Profil einen Innenraum definiert, der sich über die Längsrichtung des Profils erstreckt und wobei der Innenraum eine ebene Montagefläche aufweist, Zuschneiden des Profils auf eine gewünschte Länge, um mehrere Träger zu bilden, Montieren von jedem der MOSFETs auf eine Gate-Anordnung, Montieren von jedem der MOSFETs auf die ebene Montagefläche jedes Trägers nach dem Montieren der MOSFETs auf den Gate-Anordnungen, Montieren jedes Trägers in einer der Öffnungen der Gehäusebaugruppe in einem Pressverband und operatives Koppeln des MOSFETs an die elektrische Maschine.
Bei manchen Ausführungsformen des Verfahrens wird das Profil durch Extrusion eines Kupfermaterials hergestellt.
Das Verfahren kann auch das Befestigen von jeder der Gate-Anordnungen an der ebenen Montagefläche von einem der Träger umfassen, um dadurch die MOSFETs auf der ebenen Montagefläche zu montieren. Es kann zusätzlich auch das Koppeln von jedem der MOSFETs mit der entsprechenden Gate-Anordnung mittels mehrerer Bonddrähte vor dem Befestigen der Gate-Anordnung an der ebenen Montagefläche des betreffenden Trägers umfassen.
Es wird zudem angemerkt, dass die verschiedenen Merkmale, die vorstehend und in der detaillierten Beschreibung beschrieben sind, in anderen Kombinationen als den explizit beschriebenen Kombinationen vorgesehen sein können und dass solche unterschiedlichen Kombinationen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung sind.
Es wird auch angemerkt, das Begriffe wie Koppeln, Montieren, Befestigen, Tragen, Anbringen und grammatikalische Variationen derselben, so wie sie hier gebraucht werden, nicht erfordern, das die beiden Teile, die aneinander gekoppelt, montiert, befestigt, gestützt oder angebracht werden in direktem Kontakt stehen sofern ein solcher direkter Kontakt nicht ausdrücklich als notwendig beschrieben ist.
Figurenliste
Die vorstehend erwähnten und anderen Merkmale dieser Erfindung sowie die Art und Weise, diese zu erreichen, werden klarer und die Erfindung selbst lässt sich unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zusammen mit den dazugehörenden Zeichnungen besser verstehen. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine;
2 eine perspektivische Ansicht einer teilweise auseinander genommenen elektrischen Maschine;
3 eine Ansicht einer elektrischen Maschine, welche die Position der MOSFET-Träger zeigt;
4 eine geschnittene perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine, welche die Position der MOSFET-Träger zeigt;
5 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine mit einer Stromschiene;
6 eine schematische Skizze eines dreiphasigen Generators mit MOSFETs;
7 eine schematische Skizze der Anschlüsse für eine Phase der elektrischen Maschine für 6;
8 eine schematische Skizze, die die Steuerung des MOSFET Gleichrichters für den dreiphasigen Generator veranschaulicht;
9 eine schematische Skizze, welche die Drei-Phasen-Steuerung eines MOSFET-Gleichrichters für einen Generator mit sechs Wicklungen veranschaulicht;
10 eine perspektivische Ansicht einer Extrusion;
10A eine Endansicht des extrudierten Profils;
11 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der Extrusion nachdem diese auf die gewünschte Länge zugeschnitten wurde;
12 eine perspektivische Ansicht, welche die Extrusion zeigt, nachdem ein Abschnitt der Außenfläche bearbeitet wurde;
13 eine Draufsicht eines Stanzgitters, das mehrere einzelne Montagemodule zum Aufnehmen eines MOSFETs aufweist;
14 eine Draufsicht eines einzelnen Stanzgitters zum Aufnehmen eines MOSFETs;
15 eine perspektivische Ansicht, die ein einzelnes Stanzgitter zum Aufnehmen eines MOSFETs zeigt;
16 eine perspektivische Ansicht eines Stanzgitters, das mehrere einzelne Montagemodule zum Aufnehmen eines MOSFETs aufweist;
17 eine perspektivische Ansicht, die ein einzelnes Stanzgitter nach dem Auftragen von Lot zum Befestigen des MOSFETs zeigt,
18 eine perspektivische Ansicht, die ein einzelnes Stanzgitter zeigt, nachdem darauf ein MOSFET montiert wurde;
19 eine perspektivische Ansicht, die ein einzelnes Stanzgitter nach dem Zufügen von Bonddrähten zeigt;
20 eine perspektivische Ansicht, die ein einzelnes Stanzgitter nach einem teilweisen Zurechtschneiden des Stanzgitters zeigt;
21 eine perspektivische Ansicht, welche die Extrusion nach dem Auftragen von Lot zeigt;
22 eine perspektivische Ansicht, welche das Einbringen des gebondeten Halbleiters in den Träger zeigt;
23 eine perspektivische Ansicht des Trägers nach dem Wiederaufschmelzen des Lots zum Anbringen des MOSFETs an dem Träger;
24 eine perspektivische Ansicht des Trägers nachdem Vergussmasse eingegossen wurde;
25 eine perspektivische Ansicht der MOSFET Baugruppe nach dem Zuschneiden der Anschlüsse;
26 eine perspektivische Ansicht von zwei MOSFET Baugruppen, die auf Wärmetauscherteilen montiert sind;
27 eine perspektivische Ansicht einer einzelnen MOSFET Baugruppe, die auf ein Wärmetauscherteil montiert ist; und
28 ist eine perspektivische Ansicht einer MOSFET Baugruppe.

Einander entsprechende Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Ansichten einander entsprechende Teile. Obwohl die hier gezeigten Beispiele eine Ausführungsform der Erfindung in einer einzigen Form veranschaulichen, soll das nachstehend offenbarte Ausführungsbeispiel nicht erschöpfend sein oder als Beschränkung des Schutzumfangs der Erfindung auf die speziell dargestellte Form verstanden werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine elektrische Maschine 20 ist in 1 dargestellt. Die elektrische Maschine 20 enthält eine Statorbaugruppe 22, die betriebsfähig mit einer Rotorbaugruppe 24 (6) und einer Gehäusebaugruppe 26 gekoppelt ist. Die Gehäusebaugruppe 26 trägt die Statorbaugruppe 22 und die Rotorbaugruppe 24 und erleichtert die Montage der elektrischen Maschine. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 20 ein Fahrzeuggenerator und die Rotorbaugruppe 24 ist mechanisch über einen Riemen, der eine Riemenscheibe 28 greift, mit dem Motor des Fahrzeugs gekoppelt. Wie man in 1 sehen kann, enthält die Gehäusebaugruppe 26 erste und zweite Glieder 30, 32, die durch Stifte 31 miteinander verbunden sind, und eine Endabdeckung gegenüber der Riemenscheibe 28.
2 zeigt die elektrische Maschine 20 mit abgenommener Endabdeckung 34. Die Stromschienenbaugruppe 26 ist in 2 dargestellt und wird verwendet, um elektrische Verbindungen zwischen den Statorwicklungen und den MOSFETs zu schaffen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die Stromschienenbaugruppe 36 leitende Teile, die mit einem elektrisch isolierenden Material umspritzt sind, das die elektrisch leitenden Teile voneinander und von äußeren Teilen isoliert. Die Stromschienenbaugruppe 36 enthält zudem mehrere Verbinder, die sich nach außen erstrecken, um leitendend eines der leitenden Teile mit einem externen Anschluss zu koppeln. Beispielsweise sind die in 5 mit 1 bis 12 bezeichneten Verbinder mit einem Anschluss verbunden, der von einem MOSFET ausgeht. Die mit 14 bis 19 bezeichneten Verbinder sind mit Anschlüssen der Statorwicklung verbunden. Die Stromschienenbaugruppe 36 kann nach Bedarf auch zusätzliche Verbinder enthalten. Beispielsweise kann ein dreizehnter Verbinder (nicht dargestellt) zum Anschluss an externe Masse, eine Steuervorrichtung, einen Regler oder eine andere Schaltung vorgesehen sein.
6 ist eine schematische Skizze, die den grundlegenden Aufbau eines Generators zeigt, der eine Statorbaugruppe 22 hat, die betriebsfähig an eine Rotorbaugruppe 24 gekoppelt ist, um eine dreiphasige elektrische Maschine mit einem MOSFET Gleichrichter zu bilden. Wie man in 6 sehen kann, ist jede Phase mit einem Paar MOSFETs verbunden, wobei einer der MOSFETs an die Batterie angeschlossen ist und der andere MOSFET an Masse angeschlossen ist. Die einzelnen MOSFETs haben drei Anschlüsse, einen der entweder an Batterie oder Masse angeschlossen ist, einen zweiten, der an eine Statorwicklung angeschlossen ist und einen dritten Anschluss, der an eine Steuerung oder eine ähnliche Vorrichtung angeschlossen ist, welche das Öffnen und Schließen des MOSFETs steuert. Der in 6 gezeigte Aufbau ist ein herkömmlicher Aufbau für einen dreiphasigen Generator mit MOSFETs. 7 zeigt eine schematische Skizze von einem Paar MOSFETs, die mit einer der Statorphasen oder Wicklungen 38 verbunden ist. 8 ist ähnlich zu 6, zeigt aber mehr Details und auch die Verbindung zwischen Steuerung 40 und den MOSFETs.
9 zeigt einen alternativen Aufbau eines Generators. Bei diesem Aufbau hat der Stator sechs Phasen, die mittels einer Dreiphasensteuerung betrieben werden. Ein erster Satz von drei Phasen ist mit einer ersten Steuerung verbunden und ein zweiter Satz von drei Phasen ist mit einer zweiten Steuerung verbunden. Dieser Aufbau enthält zwölf Gleichrichterpositionen und entspricht dem in den 2 und 5 dargestellten Generator. Um die Momentanleistung zu minimieren, sollten zwei Phasen, die 30° Phasenverschiebung haben, nicht an dieselbe Steuerung angeschlossen werden. Bei dem dargestellten Aufbau ist jede Gleichrichterposition mit einem einzigen MOSFET dargestellt. Alternative Konstruktionen können jedoch genutzt werden, bei denen mehrere Leistungs-MOSFET in jeder Gleichrichterposition parallel zueinander geschaltet sind.
3 und 4 zeigen die Position der MOSFET-Baugruppen 94 in der elektrischen Maschine 20. Wie man in diesen Figuren sehen kann, sind Leiterbahnen 66, die von MOSFET Baugruppen 94 ausgehen, elektrisch an eine Stromschienenbaugruppe angeschlossen. Die MOSFET Baugruppen 94 sind in zylindrischen Öffnungen eines Gehäuseteils 56 montiert, das Kühlrippen 94 aufweist. Die Rotorbaugruppe 24 definiert eine Rotationsachse 48 und die einzelnen Längsachsen 58 von jeder der MOSFET Baugruppen 94 sind parallel zu der Rotationachse 48 des Rotors angeordnet. Wie nachstehend näher erläutert wird, ist die ebene Montagefläche 90 von jedem der MOSFET Träger 52 parallel zu der Längsachse 58 angeordnet und somit auch zu der Rotor-Rotationsachse 48 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel. Während diese Anordnung eine effiziente Herstellung ermöglicht, können auch alternative Ausgestaltungen eingesetzt werden.
Wie nachstehend erläutert, nutzt die elektrische Maschine 20 MOSFET Baugruppen 94, die einen Träger 52 haben, der es ermöglicht, dass die MOSFET Baugruppen 94 in einer zylindrischen Öffnung 54 in einem Gehäuseteil 56 montiert werden. Diese Anordnung bietet nicht nur eine effiziente Möglichkeit zum Befestigen der MOSFET Baugruppe in der elektrischen Maschine, sondern ermöglicht auch, dass vorhandene Generatorkonzepte, die Dioden nutzen, sich leichter an den Einsatz von MOSFETs anpassen lassen, indem die Anzahl der Teile solcher vorhandenen Entwürfe, die geändert werden müssen, reduziert wird. Ein weiterer und bedeutender Vorteil der MOSFET Baugruppen 94, die hier beschrieben sind, besteht darin, dass eine Trägerbaugruppe geschaffen wird, die in ein Generatorgehäuseteil eingepresst werden kann, ohne dass die MOSFET/Trägergrenzfläche hohen Belastungen ausgesetzt ist, welche die Funktionsfähigkeit der MOSFETs oder dessen verschiedener elektrischer Anschlüsse beschädigen oder zerstören könnten, wobei zugleich ein robuster Wärmeleitungspfad zwischen dem MOSFET und dem Gehäuseteil, in dem der Träger montiert ist, geschaffen wird.
Die Herstellung des Trägers 52 lässt sich am besten unter Bezugnahme auf die 10 bis 12 verstehen. Der Träger 52 wird vorteilhaft durch Herstellen einer Extrusion 50, wie in 10 gezeigt, erzeugt. Die Extrusion 50, die hier auch als Profil bezeichnet wird, kann aus Kupfer sein, was eine gute Wärmeleitung schafft. Der Einsatz von Kupfer ermöglicht es auch, dass der Träger 52 zum Ausbilden einer elektrischen Verbindung genutzt wird. Die Extrusion 50 und der resultierende Träger 52 definieren ein Querschnittsprofil in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 58, das entlang der Länge des Trägers 52 im Wesentlichen konstant bleibt. Das Querschnittsprofil des Trägers 52 in einer Ebene senkrecht zur Längsachse 58 ist in 10A gezeigt.
Nach dem Herstellen der Extrusion 50 wird die Extrusion/Profil 50 abgelängt, um mehrere Träger 52 zu schaffen. 11 zeigt einen Träger 52, nachdem er auf Länge geschnitten wurde. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die äußere Oberfläche 60 der Extrusion 50 mehrere sich in Längsrichtung erstreckende Rippen 62 auf. Ein Abschnitt der äußeren Oberfläche 60 des Trägers 52 wird maschinell bearbeitet, wie in 12 dargestellt, um eine Steckverbinderoberfläche 64 zu schaffen, die eine im Wesentlichen zylindrische Fläche mit einer abgefasten Kante aufweist. Beim Einpressen des Trägers 52 in eine Öffnung, wird der Abschnitt des Trägers 52, der Rippen 62 aufweist, in eine Öffnung eingebracht, so dass die Steckverbinderoberfläche 64 nach außen ragt. Der Einsatz der Rippen 62 ermöglichst etwas größere Fertigungstoleranzen beim Bilden der Öffnung, in die der Träger 52 eingesetzt wird, und sichert den äußeren Durchmesser des Trägers 52. Die Steckverbinderoberfläche 64 schafft eine Grenzfläche zum Montieren eines elektrischen Verbinders, der Anschlüsse kontaktiert, die von einem in dem Träger 52 montierten MOSFET vorstehen.
Die 13 bis 25 zeigen ein Verfahren zum Montieren eines MOSFETs in dem Träger 52. 13 veranschaulicht ein Stanzblech aus elektrisch leitendem Material, aus dem die elektrischen Anschlüsse für mehrere MOSFETs gebildet werden. Das Blechmaterial, das zum Ausbilden des in 13 dargestellten Stanzgitters verwendet wird, kann Kupfer oder ein anderen geeignetes elektrisch leitendes Material sein. 14 zeigt einen einzelnen Satz von Anschlüssen 76 von dem Blech, auf dem ein einzelner MOSFET montiert wird.
Die einzelnen Stanzgitter 76 enthalten eine Source-Spur 66, eine Drain-Spur 68, eine Gate-Spur 70 und eine Montagefläche 72. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Blech ebenso wie die Spuren 0,6 mm dick, während die Source-Spur 3,8 mm breit ist, die Drain-Spur 2 mm breit und die Gate-Spur 0,5 mm breit. Auch wenn das dargestellte Ausführungsbeispiel solche Abmessung hat, können andere Ausgestaltungen Spuren haben, die andere Größen und Formen haben. Eine Biegung 74 ist in der Drain-Spur 68 gebildet, wodurch die Montagefläche 72 außerhalb der Ebene positioniert ist, die durch das übrige Blech definiert ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Montagefläche 72 um die Dicke des Blechmaterials verschoben, d. h. um 0,6 mm bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel. Die Biegung 74 lässt sich am besten unter Bezugnahme auf die in 15 dargestellte perspektivische Ansicht verstehen. Während die 14 und 15 nur einzelnen Satz von Gates zeigen, kann ein großer Teil der Verarbeitung des Stanzgitters sehr effizient durchgeführt werden, wenn das Stanzgitter mehrere Gate-Anordnungen hält. 16 zeigt ein Stanzgitter mit mehreren Gate-Anordnungen nach dem Bilden der Biegungen 74.
17 zeigt eine Gate-Anordnung 76, nachdem Lot 78 auf die Montagefläche 72 aufgebracht wurde. Ein MOSFET-Chip 80 wird dann auf dem Lot 78 positioniert und das Lot 78 zum Aufschmelzen erhitzt, wodurch dann der MOSFET 78 an der Montagefläche 72 befestigt ist, wie in 18 dargestellt. Das Lot 78 koppelt zudem die Bodenfläche des MOSFETs 80 und etwaige elektrische Kontakte daran an die Drain-Spur 68. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel koppelt zudem die Bodenfläche des MOSFET 80 und etwaige elektrische Kontakte daran an die Drain-Spur 68. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bleibt eine Ecke der Montagefläche 72, auf die Lot 78 aufgebracht wurde, von dem MOSFET 80 unbedeckt.
Bonddrähte 82, 84 werden dann hinzugefügt. Bonddrähte 82 verbinden die Source-Spur 66 mit dem MOSFET 80, während Bonddraht 84 die Gate-Spur 74 mit dem MOSFET 80 verbindet. Vorteilhaft bleiben mehrere einzelne Gate-Anordnungen 76 bis dahin aneinander befestigt, um eine effiziente Herstellung zu erleichtern. Nach dem Anbringen der Bonddrähte 82, 84 werden die einzelnen Gate-Anordnungen voneinander getrennt und ein großer Teil des Blechs abgeschnitten. Wie man in 20 sehen kann, wird ein Abschnitt 86 des Blechs, der die vorstehenden Enden der Spuren 66, 68 und 70 verbindet, nicht abgeschnitten, um das Handhaben der einzelnen Gate-Anordnung und des MOSFETs sowie die Installation derselben an einem Träger 52 zu erleichtern.
Wie vorstehend erläutert, kann der Träger 52 vorteilhaft durch Ablängen einer Extrusion gebildet werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Extrusion und der resultierende Träger 52 einen Innenraum 88, der sich über die volle Länge des Trägers 52 in Längsrichtung erstreckt. In diesem Innenraum 88 definiert der Träger 52 wenigstens eine ebene Montagefläche 90, auf der die MOSFET Gate-Anordnung 76 montiert werden kann. Um die MOSFET Gate-Anordnung 76 in einem Träger 52 zu montieren, wird eine Lotschicht 92 auf die ebene Fläche 90 aufgebracht, wie in 21 dargestellt. Die MOSFET Baugruppe wird dann in den Träger 52 eingebracht, wobei die Unterseite der Montagefläche 72, die dem MOSFET 80 gegenüberliegt, der auf dem Lot 52 angeordnet wird. Das Einbringen der MOSFET Gate-Anordnung 76 in den Träger 52 ist in 22 dargestellt.
Man schmilzt dann das Lot 92 auf und lässt es abkühlen, um dadurch die Gate-Anordnung 76 in dem Träger 52 zu montieren. Der Einsatz von Lot 92 schafft auch eine elektrische Verbindung zwischen Drain-Spur 68 und Träger 52. 23 zeigt die MOSFET Baugruppe 94 nach dem Befestigen der MOSFET Gate-Anordnung 76 im Träger 52. Vergussmasse 96 wird dann verwendet, um den verbleibenden Innenraum 88 aufzufüllen, wie in 24 gezeigt. Eine phenolische Vergussmasse wurde bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eingesetzt. Andere geeignete Materialien können jedoch alternativ verwendet werden. Der verbindende Abschnitt 86 wird dann entfernt und die von den Gates 66 und 70 gebildeten Anschlüsse werden auf ihre gewünschten Längen abgeschnitten, um eine fertige MOSFET Baugruppe 94 zu bilden, wie in 25 gezeigt. 28 zeigt einen Träger 52 mit einer daran montierten MOSFET Gate-Anordnung 76 mit zugeschnitten Anschlüssen, aber ohne die Vergussmasse zu zeigen, die den Innenraum 88 auffüllt.
Die MOSFET Baugruppe 94 kann dann in das Gehäuseteil 56 zum Einbau in die elektrische Maschine 20 eingepresst werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gehäuseteil 56 ein Wärmeaustauschteil, das mehrere Kühlrippen 98 zum Abgeben von Wärme an die Umgebung aufweist. Der MOSFET 80 erzeugt erhebliche Wärme und das Montieren der MOSFET Baugruppe 94 in einem Gehäuseteil 56, das Kühlrippen aufweist, erleichtert das effiziente Abführen der von dem MOSFET 80 erzeugten Wärme. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 52 aus Kupfer und das Gehäuseteil 56 und die Kühlrippen 98 sind aus Aluminium, um dadurch einen effizienten Wärmeleitungspfad zum Abführen der vom MOSFET 80 erzeugten Wärme zu bilden.
Der Einsatz des robusten Trägers 52 hat mehrere Vorteile. Einer dieser Vorteile betrifft den Einsatz von Bonddrähten 82, 84, welche die leitenden Spuren der Gate-Anordnung 56 mit dem MOSFET 80 koppeln. Wie vorstehend beschrieben, können die Bonddrähte 82, 84 angebracht werden, bevor die Gate-Anordnung 46 und der MOSFET 80 auf der Montagefläche 90 montiert werden. Diese Drahtverbindungen können leichter gebildet werden, bevor der MOSFET 80 und die Gate-Anordnung 76 auf die Oberfläche 90 montiert werden, als nach der Montage auf der Oberfläche 90. Da die Grenzfläche der Montage zwischen der MOSFET 80/Gate-Anordnung 76 auf der Oberfläche 90 von den Beanspruchungen isoliert oder beanstandet ist, die beim Einpressen des Trägers 52 in das Gehäuseteil 56 auftreten, werden die Drahtverbindungen 82, 84 bei der Installation nicht beansprucht. Diese Anordnung hat somit zwei wesentliche Vorteile. Erstens ermöglicht sie es, dass die Drahtverbindungen gebildet werden, bevor der MOSFET 80/die Gate-Anordnung 76 auf dem Träger montiert werden. Zweitens schützt es die Drahtverbindungen vor Beanspruchungen während der Installation auf dem Träger in der elektrischen Maschine und auch bei einem anschließenden Gebrauch der elektrischen Maschine. Wegen dieser Reduktion der Belastungen, die auf die Drahtverbindungen wirken, wird die Widerstandsfähigkeit der MOSFET Baugruppe durch den Träger 52 erhöht.
Wie in 27 gezeigt, ragt ein wesentlicher Teil des Trägers 52, der die Steckverbinderoberfläche 64 definiert, von dem Gehäuseteil 56 nach außen und bildet eine Schnittstelle zum Aufnehmen eines herkömmlichen elektrischen Steckers, der die Oberfläche 64 umgibt und sicher hält. Der elektrische Steckverbinder weist zudem elektrische Verbinder auf, um die abstehenden Spuren 66, 68, 70, die als elektrische Anschlüsse dienen, leitend zu fassen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Maschine, die sechs Statorwicklungen aufweist und die Source-, Drain- und Gate-Spuren sind angeschlossen, um die in 9 dargestellte Schaltung zu bilden, und koppeln so die MOSFET Baugruppe 94 betriebsfähig an die Statorbaugruppe 22. Die Stromschienenbaugruppe 36 wird beim Zusammenbau der elektrischen Maschine 20 elektrisch leitend an die MOSFET Baugruppen 94 gekoppelt. Die Stromschienenbaugruppe 36 kann so eingerichtet sein, dass sie eine Verbindung für die Spuren 66, 68, 70 für jede MOSFET Baugruppe 94 oder nur einige dieser Verbindungen schafft. Beispielsweise kann die Gate-Spur 70 an eine Steuerung 40 über einen elektrischen Anschluss angeschlossen sein, der separat und von der Stromschienenbaugruppe 36 abgegrenzt ist. Zudem wird angemerkt, dass das Koppeln der Spuren an die Stromschiene 36 mit einem Steckverbinder erreicht werden kann, der auf der Oberfläche 64 montiert ist, oder indem eine Spur über eine ausreichende Distanz verlängert wird, wodurch die vorstehende Spur von einem der Verbinder 1 bis 12 an der Stromschienenbaugruppe 36 kontaktiert wird. Der auf die Oberfläche 64 montierte Stecker kann zudem einen hervorstehenden, elektrisch leitfähigen Stiel aufweisen, der von einem der Verbinder 1 bis 12, die an der Stromschiene 36 angeordnet sind, gefasst werden kann.
Wie vorstehend erwähnt, ermöglicht der Aufbau des Trägers 52 mit seinen äußeren Rippen 62 und der inneren ebenen Montagefläche 90, die von dem äußeren zylindrischen Ring des Trägers 52 relativ isoliert ist, den Träger 52 in die zylindrische Öffnung 54 eines Gehäuseteils 56 einzupressen, ohne die mechanischen Schnittstellen zwischen MOSFET 80 und Träger 52, die durch das Lot 52 auf der Montagefläche 90 und die Lotschicht 78 zwischen dem MOSFET 80 und der Gate-Anordnung 76 gebildet sind, zu beanspruchen und ohne die Bonddrähte 82, 84 zu belasten. Dies reduziert wesentlich einen möglichen Fehlerweg während des Einpressens der MOSFET-Baugruppe 94, d. h. das Versagen einer mechanischen Verbindung zwischen MOSFET 80 und Träger 52 oder ein Versagen eines Bonddrahts, der an den MOSFET 80 angeschlossen ist.
Es wird angemerkt, dass bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Träger 52 eine mit Rippen versehene, im Wesentlichen zylindrische Außenfläche bildet, wodurch der Träger 52 in eine zylindrische Öffnung 54 einpresst werden kann. Es ist aber nicht erforderlich, dass Träger 52 und Öffnung 54 zylindrisch sind. Alternative Träger, die ein äußeres mit einer nicht zylindrischen Form haben, die es ermöglicht, den Träger mit einem Pressverband in einer Öffnung zu befestigen, die von einem Gehäuseteil gebildet ist, können ebenfalls verwendet werden.
Beispielsweise könnte eine Form, die es erforderlich macht, dass der Träger in einer bestimmten Anordnung in der Öffnung orientiert ist, verwendet werden, um dadurch die Orientierung des Trägers und somit der vorstehenden Spuren relativ zu dem Gehäuseteil vorzugeben.
Obwohl die Erfindung mit einem beispielhaften Aufbau beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung im Sinn und Rahmen der Offenbarung weiter abgewandelt werden. Die Anmeldung soll deshalb auch alle Variationen, Anwendungen oder Anpassungen der Erfindung unter Verwendung ihrer allgemeinen Prinzipien abdecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62453665 [0001]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines elektrischen Maschine (20) mit: betriebsfähigem Koppeln einer Statorbaugruppe (22) mit einer Rotorbaugruppe (24), Koppeln der Statorbaugruppe und der Rotorbaugruppe mit einer Gehäusebaugruppe (26), Bilden von Öffnungen in der Gehäusebaugruppe (26), Bilden von mehreren Trägern (52), wobei jeder Träger aus einem Profil (50) gebildet ist, der Träger eine Längsachse (58) und einen Innenraum (88), der sich in Längsrichtung des Trägers (52) erstreckt, definiert, und der Innenraum eine ebene Montagefläche (90) aufweist, Montieren eines MOSFETs (80) auf der ebenen Montagefläche (90) von jedem Träger (52), Installieren jedes Trägers (52) in einer der Öffnungen der Gehäusebaugruppe (26) in einem Pressverband, und betriebsfähiges Koppeln der MOSFETs (80) mit der elektrischen Maschine (20).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Profil (50) durch Extrudieren von Material hergestellt wird und wobei das Verfahren zudem den Schritt des Zuschneidens des Profils auf eine gewünschte Länge, um einzelne Träger (52) zu bilden, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Träger (52) aus Kupfermaterial ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, zudem mit dem Koppeln jedes MOSFETs (80) mit einer Gate-Anordnung (76) vor dem Montieren des MOSFETs auf die ebene Montagefläche (90).
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Koppeln von jedem MOSFET (80) mit einer Gate-Anordnung (76) das Montieren des MOSFETs auf der Gate-Anordnung beinhaltet und das Verfahren zudem das Befestigen der Gate-Anordnung an der ebenen Montagefläche (90) des Trägers beinhaltet, um dadurch den MOSFET an der ebenen Montagefläche zu montieren.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Koppeln des MOSFETs (80) mit der Gate-Anordnung (76) das Koppeln des MOSFETs mit einer Gate-Anordnung mittels Verbindungsdrähten (82, 84) vor dem Befestigen der Gate-Anordnung an der ebenen Montagefläche des Trägers beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Profil (50) eine Querschnittsform in einer Ebene senkrecht zur Längsachse (58) definiert, die entlang der longitudinalen Länge des Profils (50) im Wesentlichen konstant bleibt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Profil (50) eine Außenfläche definiert, die sich in Längsrichtung erstreckende Rippen (62) aufweist, und der Schritt des Installierens des Trägers in einer der Öffnungen der Gehäusebaugruppe als Pressverband das Eingreifen der sich in Längsrichtung erstreckenden Rippen (62) in die Gehäusebaugruppe (26), um den Pressverband zu bilden, beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Gehäusebaugruppe (26) wenigstens ein Wärmetauscherteil (56) aufweist, das mehrere Kühlrippen (98) und wenigstens eine der Öffnungen definiert, und wobei der Schritt des Installierens des Trägers (52) in eine der Öffnungen der Gehäusebaugruppe mit einem Pressverband das Installieren des Trägers in dem wenigstens einen Wärmetauscherteil (56) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Träger (52) aus Kupfer ist und das Wärmetauscherteil (56) aus Aluminium ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, zusätzlich mit dem Schritt des Installierens einer Stromschienenbaugruppe (36) an der elektrischen Maschine und Koppeln des MOSFETs an die Stromschienenbaugruppe.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Bildens von Öffnungen in der Gehäusebaugruppe das Bilden von zylindrischen Öffnungen beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ebene Montagefläche (90) von jedem Träger parallel zu der Längsachse (58) angeordnet ist und wobei das Verfahren zudem umfasst: Installieren von jedem Träger (52) in einer der Öffnungen der Gehäusebaugruppe als Pressverband, wobei die Längsachse (58) jedes Trägers parallel zu der Rotationachse (48) der Rotorbaugruppe ist.