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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, (siehe Bosch Technische Unterrichtung; Drehstrom-Generatoren
6/82; Seite 8 und 9), in Kraftfahrzeugen zur Bordnetzversorgung Drehstromgeneratoren
einzusetzen. Da der in dem Drehstromgenerator erzeugte dreiphasige
Wechselstrom wegen der im Kraftfahrzeug erforderlichen Batterieladung
gleichgerichtet werden muß,
ist den Drehstromgeneratoren eine Gleichrichteranordnung zugeordnet.
Die Gleichtrichteranordnung weist Halbleiter-Leistungsdioden auf,
die in einer Drehstrom-Brückenschaltung
zusammengeschaltet sind. Dabei ist jeder Halbwelle jeder Phase eine
Leistungsdiode zugeordnet, so daß bei einer Vollweggleichrichtung
die Drehstrom-Brückenschaltung
aus insgesamt sechs Leistungsdioden gebildet wird. Hierbei sind
drei Plusdioden für
die Plusseite und drei Minusdioden für die Minusseite geschaltet.
Bekanntermaßen
werden die Leistungsdioden als Einpreßdioden ausgebildet, wobei
Leistungsdioden gleicher Polarität
jeweils in einem Kühlkörper eingepreßt sind.
Ein Einpresssockel der Einpreßdioden übernimmt
dabei gleichzeitig eine dauerhafte thermische und elektrische Verbindung
der Leistungsdioden mit den Kühlkörpern. Eine
derartige aus Einpreßdioden
bestehende Drehstrom-Brückenschaltung
ist nur mit relativ hohem Aufwand herstellbar.
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Aus
dem in der
GB 21 51
079 A geschilderten Stand der Technik ist es bekannt Leistungsdioden für Mikrowellenanwendungen
einerseits mit einem Sockel zu verbinden und andererseits jeweils
einen Kontakt auf der Diode durch Ultraschallschweißen zu befestigen.
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Aus
der
DE 1 220 235 B ist
bekannt, eine feste Kopplung zwischen Sonotrode und Schweißgut und
auch zwischen Schweißgut
und Amboß dadurch herzustellen,
dass das profilierte Schweißgut
passend in die Sonotrode und/oder Amboß greift.
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Die
DE 38 40 228 A1 zeigt
ein Halbleiterbauelement mit einer Platine, wobei das Halbleiterbauelement
mittels eines Ultraschallstempels auf der Platine befestigt wird.
Hierzu wird das Halbleiterbauelement formschlüssig durch eine Gravur (Vertiefung) im
Ultraschallstempel aufgenommen und über die formschlüssige Verbindung
die Ultraschallenergie übertragen.
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Aus
der
DE 38 29 538 C2 ist
eine Anordnung und implizit ein Verfahren zum Herstellen einer elektrisch
und thermisch leitenden Verbindung zwischen einer Diode und einem
Konstruktionsteil bekannt, wobei die Diode mit einer Sonotrode einer
Ultraschall-Schweißverbindung
beaufschlagbar ist, mittels der eine Ultraschall-Schweißverbindung
zwischen der Diode und dem Konstruktionsteil erfolgt.
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Diesem
nächstliegenden
Stand der Technik gegenüber
besteht hinsichtlich der beanspruchten Anordnung und dem beanspruchten
Verfahren die Aufgabe, die Diode nicht mit der Sonotrode zu belasten
und dazu die Diode als Chip auf einem Sockel aufzubringen, dessen
Rand als Auflagefläche
für die Sonotrode
dient.
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Die
DE 1 218 621 A zeigt
einen Siliziumgleichrichter mit sockelartigen Kupferelektroden,
welche gleich oder größer als
das Siliziumplattchen sind und mit dem Siliziumplättchen verlötet sind.
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Dieser
Gleichrichteranordnung gegenüber besteht
die Aufgabe, mit den gegebenen auf Sockeln montierten Diodenchips
eine Verbindung mit einem Konstruktionsteil (Kühlkörper) anzubieten, die keine besonderen
Vorbereitungsarbeiten zur Herstellung der Verbindung erfordert.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
der erfindungsgemäßen Anordnung,
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung einer elektrisch und thermisch leitenden Verbindung
gemäß der im
Anspruch 1 und 9 genannten Merkmale sowie der Gleichrichteranordnung
gemäß Anspruch 13,
ist es demgegenüber
möglich,
eine elektrisch und thermisch leitende Verbindung zwischen den Dioden und
den Kühlkörpern in
einfacher Weise herzustellen. Dadurch, daß die Diode als Diodenchip
auf einem Sockel angeordnet ist und ein Rand des Sockels mit einer
Sonotrode einer Ultraschallschweißeinrichtung beaufschlagbar
ist, mittels der eine Ultraschall-Schweißverbindung zwischen dem Sockel
der Diode und den Kühlkörpern erfolgt,
ist es sehr vorteilhaft möglich
eine ausgezeichnet fest haftende Schweißverbindung zwischen dem Sockel
der Diode und dem Kühlkörper zu
erreichen, ohne daß die
Diode während
der Herstellung der Verbindung einer übermäßig großen Belastung ausgesetzt ist.
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Durch
das Herstellen der Verbindung mittels Ultraschallschweißen wird
die Diode keinem Anpreßdruck
ausgesetzt, so daß praktisch
keine Deformation der Diode möglich
ist. Somit kann insgesamt der Anteil der nach einer Kontaktierung
nicht mehr funktionsfähigen
Dioden minimiert werden. Darüber
hinaus kann die Ultraschall-Schweißverbindung zwischen dem Sockel
der Diode und den Kühlblechen ohne
vorherige besondere Vorbereitung der zu kontaktierenden Flächen erfolgen,
da für
das Ultraschallschweißen
weder eine Reinigung der Oberflächen erforderlich
ist, noch Flußmittel
eingesetzt werden müssen.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Sonotrode
der Ultraschall-Schweißeinrichtung
derart gestaltet ist, daß sie
einen vorzugsweise vorgesehenen Sockel der Diode formschlüssig angreift.
Hierdurch ist es sehr vorteilhaft möglich, die Sonotrode sehr genau
in bezug auf die Diode zu positionieren, so daß die Herstellung der Ultraschall-Schweißverbindung
sehr gut in einen automatisiert ablaufenden Montageprozeß eingebunden
werden kann und bei einer Massenfertigung immer exakt die gleiche
sichere Ultraschall-Schweißverbindung
zwischen den Dioden und den Kühlkörpern erzielbar
ist.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in
den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anband der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Anordnung;
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2 eine
Schnittdarstellung durch einen Bereich einer endmontierten Gleichrichteranordnung und
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3 eine
Draufsicht auf einen Kühlkörper.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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1 zeigt
eine allgemein mit 10 bezeichnete Anordnung zur Herstellung
einer elektrisch und thermisch leitenden Verbindung zwischen einer
Diode 12 und einem Kühlkörper 14.
Die Diode 12 besteht aus einem Sockel 16, auf
den über
ein Lot 18 ein Diodenchip 20 aufgebracht ist.
Auf dem Diodenchip 20 ist über ein weiteres Lot 22 eine
Kopfplatte 24 aufgebracht. Die Kopfplatte 24 ist
lediglich beispielhaft genannt, so kann auch jede andere geeignete
Anschlußmöglichkeit
der Diode an eine Spannungsquelle, beispielsweise an die Phase U,
V, W eines von einem Drehstromgenerator eines Kraftfahrzeugs erzeugten
dreiphasigen Wechselstroms vorgesehen sein. Sowohl die Kopfplatte 24 als
auch der Sockel 16 bestehen aus einem elektrisch leitenden
Material, beispielsweise Kupfer. Der Kühlkörper 14 besitzt eine vorzugsweise
runde Vertiefung 25, innerhalb der ein als Kragen ausgebildeter
Schweißbuckel 26 umläuft. Die
Form des Schweißbuckels 26 ist
dabei dem Sockel 16 angepaßt, das heißt, der Sockel 16 kommt mit
seiner dem Kühlkörper 14 zugewandten
Oberfläche 28 teilweise
vorzugsweise ringförmig
auf dem Schweißbuckel 26 zu
liegen. Durch die Ausbildung des Schweißbuckels 26 wird erreicht,
daß die
einander berührenden
Oberflächen
des Sockels 16 und des Kühlkörpers 14 gegenüber der
gesamten Oberfläche 28 verkleinert
werden. Der Schweißbuckel 26 kann
nach einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel auch an dem
Sockel 16 vorgesehen sein, so daß der Kühlkörper 14 eben, das
heißt
ohne die Vertiefung 25 ausgebildet ist. Weiterhin ist denkbar,
dass sowohl der Sockel 16 als auch der Kühlkörper 14 jeweils
einen Schweißbuckel
aufweisen, die übereinander
zu liegen kommen.
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Weiterhin
ist in 1 eine Sonotrode 30 einer nicht weiter
detailliert dargestellten Ultraschallschweißanlage gezeigt. Die Sonotrode 30 dient
der Übertragung
der von der Ultraschallschweißanlage erzeugten
mechanischen Schwingungen im Ultraschall Frequenzbereich auf die
mit dem Kühlkörper 14 zu
verschweißende
Diode 12 beziehungsweise deren Sockel 16. Die
Sonotrode 30 bildet hierzu einen Kontaktbereich 32 aus,
der auf einem von dem Sockel 16 über den Diodenchip 20 überstehenden Rand 34 positionierbar
ist. Der Kontaktbereich 32 wird hierzu von einer Ringschulter 36 gebildet,
die gleichzeitig eine Aussparung 38 ausbildet, innerhalb der
der Diodenchip 20 und dessen Kopfplatte 24 zu liegen
kommen. Die Aussparung 38 kann nach einem nicht dargestellten
Ausführungsbeispiel
mit Kanälen oder ähnlichem
verbunden sein, über
die ein Kühlmittel
in die Aussparung 38 leitbar ist. Die den Kontaktbereich 32 ausbildende
Ringschulter 36 kann unterschiedlich ausgebildet sein.
In der in 1 auf der linken Seite dargestellten
Möglichkeit
ist die Ringschulter 36 über den Sockel 16 hinaus
verlängert
und bildet hier eine Ringstufe 40 aus, über die die Ringschulter 36 formschlüssig an
dem Sockel 16 anliegt. Ein den Sockel 16 übergreifender
Endabschnitt 41 kann eine hier angedeutete Anschrägung 43 besitzen,
die eine Positionierung der Sonotrode 30 auf den Sockel 16 erleichtert.
Nach der in 1 auf der rechten Seite dargestellten
Ausführungsvariante kann
die Ringschulter 36 direkt mit einer Stirnfläche 42 auf
dem Rand 34 des Sockels 16 aufliegen. Die Stirnfläche 42 sollte
hierbei zusätzlich
eine nicht dargestellte Riffelung aufweisen, um die Flächenhaftung zwischen
dem Sockel 16 und der Sonotrode 30 zu verbessern.
Die Sonotrode 30 kann auch aus Mischformen der hier gezeigten
Ausbildungen der Ringschulter 36 bestehen. So kann die
Sonotrode 30 beispielsweise über ihren Umfang abwechselnd
Bereiche mit der Ringstufe 40 und der Stirnfläche 42 besitzen.
Darüber
hinaus kann die Ringstufe 40 ebenfalls mit zusätzlichen
Riffelungen versehen sein.
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Die
in 1 gezeigte Anordnung 10 übt folgende
Funktion aus:
Nachdem die Diode 12 mit ihrem Sockel 16 lageorientiert
auf dem Schweißbuckel 26 des
Kühlkörpers 14 positioniert
wurde, wird die Sonotrode 30 an den Sockel 16 herangeführt. Durch
die Ausbildung der Ringstufe 40 ist ohne großen Aufwand
eine sehr genaue Positionierung der Sonotrode 30 zu der
Diode 12 möglich.
Insbesondere wird hierdurch erreicht, daß beim Aufsetzen der Sonotrode 30 gewährleistet ist,
daß der
Diodenchip 20 innerhalb der Aussparung 38 der
Sonotrode 30 zu liegen kommt. Nachdem die Sonotrode 30 auf
dem Sockel 16 positioniert wurde, wird diese durch hier
nicht näher
zu betrachtende Einrichtungen in eine mechanische Schwingung mit Frequenzen
im Ultraschallbereich versetzt. Durch die wahlweise vorgesehene
Riffelung 42 kann die Übertragung
der mechanischen Ultraschallschwingungen auf den Sockel 16 werbessert
werden. Durch die Ultraschallschwingungen erfolgt unter gleichzeitiger Wirkung
einer Anpreßkraft
ein Kaltverschweißen
des Sockels 16 mit dem Kühlkörper 14 an dessen Schweißbuckel 26,
wobei die Massenträgheit
des festgelegten Kühlkörpers 14 mit
ausgenutzt wird und somit Schubspannungen erzeugt werden, die zu
dem Kaltverschweißen
führen.
Durch die Ultraschallschwingungen werden in an sich bekannter Art
und Weise Gitterstrukturen zwischen dem Sockel 16 und dem
Kühlkörper 14 ausgetauscht,
so daß es
zu einer festen Schweißverbindung
kommt. Durch die ringförmige
Ausbildung des Schweißbuckels 26 wird
der Prozeß der
Ultraschallverschweißung
zwischen dem Sockel 16 und dem Kühlkörper 14 entscheidend
verbessert, da der Energieertrag über die Sonotrode 30 auf
eine verkleinerte Berührungsflache
zwischen dem Sockel 16 und dem Kühlkörper 14 übertragen wird.
Hierbei kommt es zur Ausbildung einer Ringschweißnaht, die entsprechend der
Ausbildung des Schweißbuckels 26 zwischen
dem Kühlkörper 14 und
dem Sockel 16 verläuft.
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Das
Ultraschallschweißverfahren
führt zu
einer nur geringen Erwärmung
des Sockels 16, so daß der
auf dem Sockel 16 allgeordnete Diodenchip 20 nicht übermäßig thermisch
belastet wird. Gegebenenfalls kann der Diodenchip 20 durch
die bereits erwähnte
Möglichkeit
der Zuführung
eines Kühlmittels in
die Aussparung 38 gekühlt
werden. Je nach Ausbildung der Ultraschallschweißanlage kann die Sonotrode 30 längs der
Oberfläche 28 des
Sockels 16 schwingen, oder die Sonotrode 30 schwingt
um ihre eigene Längsachse,
so daß es
zu Torsionsschwingungen kommt. Unabhängig von der Schwingungsform
der Sonotrode 30 kann mittels Ultraschallschweißung in
einfacher Weise eine sichere, dauerhafte, auch während einer unvermeidlichen
Beanspruchung der Schweißverbindung
zwischen der Diode 12 und dem Kühlkörper 14, beispielsweise
während
eines Betriebes eines Kraftfahrzeugs, beständige Verbindung erreicht werden.
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Anhand
der 2 soll die Anwendung der Ultraschall-Schweißverbindung
in einem konkreten Ausführungsbeispiel
verdeutlicht werden.
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In
der 2 ist eine Schnittdarstellung durch einen Teilbereich
einer fertigmontierten, hier allgemein mit 44 bezeichneten,
Gleichrichteranordnung gezeigt. Anhand der 2 soll der
Grundgedanke der vorliegenden Erfindung verdeutlicht werden. Es ist
jeweils eine Minusdiode 46 und eine Plusdiode 48 einer
Drehstrom-Brückenschaltung
gezeigt. Die Minusdiode 46 ist auf einem Minuskühlkörper 50 thermisch
und elektrisch leitend angeordnet. Die Plusdiode 48 ist
auf einem Pluskühlkörper 52 ebenfalls thermisch
und elektrisch leitend angeordnet. Die Kühlkörper 50 und 52 besitzen
hierzu die podestartigen Schweißbuckel 26,
auf denen die Dioden 48 beziehungsweise 46 durch
Ultraschallschweißen,
wie anhand von 1 erläutert, kontaktiert sind. Zur
Vergrößerung der
wirksamen Kühlfläche können die Kühlkörper 50 und 52,
wie 2 angedeutet, an ihren Außenflächen Kühlzapfen 54 aufweisen.
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Zwischen
den Kühlkörpern 50 und 52 ist
eine Anschlußplatte 56 angeordnet,
so daß sich
insgesamt ein sandwichartiger Aufbau der Gleichrichteranordnung 44,
nämlich
aus dem Minuskühlkörper 50, der
Anschlußplatte 56 und
dem Pluskühlkörper 52 ergibt.
Die Anschlußplatte 56 weist
ein Stanzgitter 58 auf, das von einem Isoliermaterial 60 ummantelt ist. Das
Isoliermaterial 60 verhindert eine elektrisch leitende
Verbindung einerseits zwischen dem Minuskühlkörper 50 und dem Pluskühlkörper 52 und
andererseits zwischen dem Stanzgitter 58 und den Kühlkörpern 50 beziehungsweise 52.
Im Bereich der Minusdiode 46 besitzt die Anschlußplatte 34 eine
Aussparung 62, so daß sich
hier ein Hohlraum 64 ergibt. Im Bereich der Plusdiode 48 besitzt
die Anschlußplatte 58 eine
weitere Aussparung 66, so daß sich hier ein Hohlraum 68 ergibt.
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Das
Stanzgitter 58 bildet innerhalb der Hohlräume 64 und 68 jeweils
eine mäanderförmig verlaufende
Feder 70 beziehungsweise 72 aus. Die Feder 70 ist
dabei so vorgespannt, daß sie
die Minusdiode 46 kontaktiert, und die Feder 72 ist
so vorgespannt, daß sie
die Plusdiode 48 kontaktiert. Die Kontaktierung zwischen
der Feder 70 beziehungsweise 72 mit den Dioden 46 beziehungsweise 48 kann
entweder ausschließlich
durch eine Federkraft entsprechend der Vorspannung der Federn 70 und 72 erfolgen
oder diese sind zusätzlich
an den Dioden 46 beziehungsweise 48 beispielsweise
ebenfalls mittels einer Ultraschallschweißverbindung kontaktiert. Das
Stanzgitter 34 bildet neben den Federn 70 und 72 noch
Leiterbahnen aus, die mit einer Anschlußklemme versehen sind, an die
eine der Phasen U, V oder W des Drehstromgenerators anschließbar ist.
Der in 2 gezeigte Ausschnitt der Gleichrichteranordnung
bildet somit die Anordnung zur Gleichrichtung einer der Phasen des
dreiphasigen Wechselstroms des Drehstromgenerators. Die gesamte
Gleichrichteranordnung 44 besitzt demnach insgesamt drei
der in 2 gezeigten Bereiche, die vollkommen analog ausgebildet
sind.
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Bei
der Montage der Gleichrichteranordnung 44 wird folgendermaßen vorgegangen.
Die Einzelteile der Gleichrichteranordnung 44 werden separat vorbereitet
So können
die Minuskühlkörper 50 und Pluskühlkörper 52 beispielsweise
durch Druckgießen und
anschließende
spanende Bearbeitung ihre gewünschte
Formgebung erhalten. Der Minuskühlkörper 50 kann
dabei vorteilhafterweise gleichzeitig als Schleifringlagerschild
für den
Drehstromgenerator ausgebildet sein, so daß auf die zusätzliche
Anordnung eines Minuskühlkörpers verzichtet
werden kann. Weiterhin werden die Stanzgitter 58 entsprechend
der gewünschten
Kontur ausgestanzt und zu der Anschlußplatte 56 umspritzt.
Nach dem Umspritzen der Anschlußplatte 56 werden
die Federn 70 und 72 entsprechend plastisch verformt.
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In
einem ersten Montageschritt werden die als Diodenchips ausgebildeten
Minusdioden 46 mit ihrem Sockel 16 an dem Minuskühlkörper 50 entsprechend
dem in 1 erläuterten
Ultraschallschweißprozeß elektrisch
und thermisch leitend angebracht. Die ebenfalls als Diodenchips
ausgebildeten Plusdioden 48 mit ihrem Sockel 16 werden
in analoger Weise auf dem Pluskühlkörper 52 befestigt.
Die vorgefertigte Anschlußplatte 56 wird
nunmehr lageorientiert an dem Minuskühlkörper 50 befestigt,
beispielsweise angenietet. Durch die Montage der Anschlußplatte 56 drückt die
Feder 70 durch ihre Vorspannung auf die Minusdioden 46,
so daß entsprechend
der gewählten
Vorspannung ein ausreichend großer
Kontaktdruck gegeben ist. Die Feder 76 kann zusätzlich an
den Minusdioden 46 zum Beispiel mittels Ultraschall angeschweißt werden.
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In
einem nächsten
Schritt wird der Pluskühlkörper 52 an
den Verbund aus dem Minuskühlkörper 50 und
der Anschlußplatte 56 lageorientiert
befestigt, beispielsweise angeschraubt. Hierdurch kommen die Plusdioden 48 in
dem Hohlraum 68 zu liegen und drücken gegen die vorgespannte
Feder 77, so daß ein
genügend
großer
Kontaktdruck zwischen den Plusdioden 48 und den Federn 72 vorliegt.
Die Federn 72 können
ebenfalls zusätzlich
an den Plusdioden 48 mittels Ultraschall angeschweißt werden. Hierzu
dient die Montageöffnung 74 in
dem Minuskühlkörper 50,
durch die ein entsprechendes Kontaktieren der Feder 72 mit
der Plusdiode 48, beispielsweise durch Einführen einer
entsprechend ausgebildeten Sonotrode, erfolgen kann. Nach erfolgter
Kontaktierung wird die Montageöffnung 24 mit
dem Deckel 76 luftdicht verschlossen. Die Hohlräume 64 und 68 können zusätzlich noch
mit einer Vergußmasse ausgefüllt werden.
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In
der 3 ist in einer Draufsicht ein Kühlkörper gezeigt,
wobei dies sowohl der Pluskühlkörper 52 als
auch der Minuskühlkörper 50 sein
kann. Hierbei wird deutlich, daß die
Kühlkörper gebogen
verlaufen und somit der Kontur eines Drehstromgenerators angepaßt sind.
Inder Draufsicht werden die Vertiefungen 25 deutlich innerhalb
der die Schweißbuckel 26 ausgebildet
sind. Die Schweißbuckel 26 laufen hierbei
ringförmig
um, wobei die Ringform keine Kreisform aufweisen muß. Die Form
der Schweißbuckel 26 richtet
sich nach der Form des Sockels 16 der Dioden 12 (46 bzw. 48).
Diese können
beispielsweise auch kreisförmig
sein. Gegebenenfalls können
kreisförmige
Schweißbuckel 26 auch
quadratischen beziehungsweise rechteckigen Sockeln 16 zugeordnet sein.
Insgesamt wird deutlich, dass der Kühlkörper wenigstens drei Vertiefungen 25 mit
den Schweißbuckeln 26 für jede der
Phasen U, V, W der Gleichrichteranordnung aufweist. Eine zusätzliche Vertiefung 25 mit
einem Schweißbuckel 26 kann
für an
den Sternpunkt Y der Gleichrichteranordnung geschaltete Zusatzdioden
vorgesehen sein.
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Insgesamt
ist eine Gleichrichteranordnung geschaffen, die robust aufgebaut
ist und durch die Ultraschall-Schweißverbindungen zwischen den
Dioden und den Kühlkörpern in
einfacher und damit kostengünstiger
Weise herstellbar ist. Durch die sehr hoch belastbare Ultraschall-Schweißverbindung
zwischen den Dioden und den Kühlkörpern beziehungsweise
den Federn und der Kopfplatte der Diodenchips kann eine chemische
Ermüdung,
eine mechanische Ermüdung
und eine thermische Ermüdung der
Kontaktbereiche der Gleichrichteranordnung über den gesamten erwarteten
Einsatzzeitraum der Gleichrichteranordnung beziehungsweise des die Gleichrichteranordnung
aufweisenden Drehstromgenerators weitgehend vermieden werden.