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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Wechselrichter
für einen
elektrischen Fahrmotor und ist insbesondere ein verbesserter Wechselrichter
mit einem Kühlkörper, der Öl (Hydraulikflüssigkeit)
als Wärmeübertragungsflüssigkeit verwendet.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zugfahrzeuge
wie Lokomotiven oder leistungsstarke Geländefahrzeuge werden mit elektrisch gespeisten
Traktionsmotoren angetrieben, welche die Räder des Fahrzeugs antreiben.
Die Fahrmotoren laufen mit Drehstrom, aber die vom Motor des Fahrzeugs
generierte Leistung ist Gleichstrom. Das vom Motor generierte Gleichstrompotential
muss daher in einem Wechselrichter von Gleichstrom in Wechselstrom
umgewandelt werden. Die elektrische Energie-Erzeugung/-Umkehrung
erfordert die Verwendung mehrfacher Halbleiterbauelemente und Schalter
zum Steuern der Halbleiterbauelemente, die alle ziemlich viel Wärme erzeugen.
Zur Ableitung der in dem Wechselrichter erzeugten Wärme verwenden Fahrzeuge
des Standes der Technik entweder Wasser- oder Luftkühlungssysteme
oder beide in Kombination. Diese Kühlmethoden des Standes der
Technik führen
zu einigen Problemen.
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Für jede luftzukühlende Vorrichtung
muss ein angemessener Raum um die Vorrichtung herum vorhanden sein,
damit Luft in einem ausreichenden Volumen strömen kann, um die Wärme zu entfernen. Da
bei Fahrmotoranwendungen typischerweise Dreiphasenwechselstrom verwendet
wird, müssen
sechs IGBT-(Bipolartransistor mit isoliertem Tor-)Schalter eingesetzt
werden. Die Leistungsanforderungen der Motoren setzen voraus, dass
zusammen mit den begleitenden Messfühlern etc. eine Kondensatorbank
in dem Wechselrichter vorhanden ist. Die Anzahl von erforderlichen
Bauteilen schreibt einen erheblichen Raumbedarf vor, der aufgrund
des Raumbedarfs zur Aufnahme des Luftstroms um den Wechselrichter ziemlich übertrieben
ist.
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In
direktem Widerspruch zu der Notwendigkeit eines Freiraums für den Kühlluftstrom
steht die Tatsache, dass elektrische Geräte am besten in gekapselten,
nicht belüfteten
Umgebungen funktionieren. Diese Art Umgebung verringert die eventuelle Ansammlung
verschmutzender Substanzen. Die Ansammlung verschmutzender Substanzen
kann nicht nur die gewünschte
Wärmeübertragung
erschweren, sondern auch einen elektrischen Defekt des Geräts verursachen.
Daher schafft Luftkühlung
direkt eine abträgliche
Situation für
die Funktion des elektrischen Geräts, in diesem Fall eines Wechselrichters.
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Wegen
der durch Luftkühlung
verursachten Probleme verwenden manche Geräte des Standes der Technik
Wasserkühlung
in dem Wechselrichter. Wassergekühlte
Wechselrichter können
in einer kontrollierteren Umgebung arbeiten, aber das Wasserkühlungssystem
ist allgemein nicht ohne Weiteres verfügbar. Motoren in Fahrzeugen
der Klasse, die der Gegenstand dieser Erfindung ist, solche, die
elektrisch angetriebene Antriebsräder verwenden, sind gewöhnlich ölgekühlt. Somit
führt die
Verwendung eines Wechselrichters, der Wasserkühlung erfordert, zu der Notwendigkeit,
ein Wasserkühlungssystem
in einem Motor einzuschließen,
der dies ansonsten nicht haben würde.
Daher ist noch mehr Raum erforderlich.
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Wegen
der von den Kühlsystemen
der Wechselrichter des Standes der Technik verlangten Größenvorgaben
umfasst der Wechselrichter eine große Einheit, die in einem nur
für den
Wechselrichter bestimmten Abteil enthalten ist. Dies bedingt, dass
Zuführungsleitungen
für Steuerungs-
und Rückkoppelungssysteme
ziemlich lang sein müssen,
typischerweise irgendwo zwischen 2 und 10 Fuß (0,6096–3,0480 m). Längere Leitungen
sind verfahrensbedingt schwerer als kürzere Leitungen, sowohl bezogen
auf das Gewicht als auch den elektrischen Nennwert. Längere Leitungen
erhöhen
das Potential für
verzerrte Signale erheblich.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wechselrichter für einen elektrischen
Fahrmotor bereitzustellen, der dasselbe Kühlsystem verwendet, das für den Motor
benutzt wird.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
Wechselrichter bereitzustellen, der mit allgemein planen Bauteilen
gebildet werden kann, wodurch die Induktanz des Wechselrichters
verringert wird.
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US 5,631,821 offenbart ein
Kühlsystem
für ein
Wechselrichtersystem für
ein elektrisches Fahrzeug, das ein Wechselrichtersystem und einen
Kühlkörper gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 umfasst. Eine Vielzahl von Bipolartransistoren
mit isoliertem Tor und eine Vielzahl von Beschaltungswiderständen, die
einen Schaltteil bilden, sind unter Verwendung von Schrauben in
direktem Kontakt an einer Seite des Kühlkörpers montiert. Auch ein Gleichspannungswandler
ist unter Verwendung von Schrauben an einer Seite des Kühlkörpers befestigt. Diese
Befestigung in direktem Kontakt an einer Seite des Kühlkörpers erfolgt,
um den Kühlkörper wirksam als
Kühlfläche zu nutzen.
Um in der Lage zu sein, den Kühlkörper wirksam
als Kühlfläche zu verwenden, wird
keine Isolierplatte verwendet, auf der die Phasenumkehrschaltung
normalerweise montiert würde. Diese
Gestaltung des Wechselrichtersystems erlaubt eine gewisse Abnahme
der Raumbedarfs.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wechselrichter
bereitzustellen, der einen deutlich verringerten Raumbedarf aufweist.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
mit einem Wechselrichter gemäß Anspruch
1. Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ein ölgekühlter Wechselrichter
für einen
elektrischen Fahrmotor. Der Wechselrichter umfasst sechs IGBT-Schalter,
um Dreiphasenwechselstrom als Ausgangsleistung zu generieren. Die
Schalter sind an Kühlkörpern angebracht,
die heißes
Motoröl
(Hydraulikflüssigkeit)
als Wärmeübertragungsflüssigkeit
verwenden. Ein Innenbereich jedes der Kühlkörper enthält ein Wärmeübertragungsmedium. In der bevorzugten
Ausführungsform
besteht das Wärmeübertragungsmedium aus
einer Vielzahl von versilberten Kupferkugeln. Die Kupferkugeln werden
in einem Montageprozess aneinander- und an die Wände der Kühlkörper gelötet. Das Kühlkörpergehäuse besteht aus Molybdän, das die
gleiche Wärmeausdehnungsrate
wie Silicium aufweist. Dies gestattet die Anbringung des Schaltsystems
des Wechselrichters direkt an der Deckfläche der Kühlkörper, weil die Ausdehnung und
Schrumpfung des Kühlkörpergehäuses und
des Siliciumsubstrats der Chips zusammenpassen. Da beide Elemente,
das Kühlkörpergehäuse und
das Chipsubstrat, sich während
Erwärmung
und Abkühlung
im gleichen Verhältnis
ausdehnen und zusammenziehen, wird das Problem des Reißens und
Brechens des Chipsubstrats aufgrund Wärmebiegung beseitigt.
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Die
IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen sind
in einer geschichteten Sammelleitungsvorrichtung flächig montiert.
Die Sammelleitungsvorrichtung beherbergt auch eine Kondensatorbatterie
für den Wechselrichter.
Die Struktur der Sammelleitungsvorrichtung erlaubt die Montage der
IGBT-Schalter und Kondensatoren des Wechselrichters als allgemein plane
Elemente, wodurch die Induktanz der Vorrichtung verringert wird.
Dies erlaubt eine effizientere Funktion der Schalter.
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Der
Wechselrichter der vorliegenden Erfindung ist überwiegend elektrisch äquivalent
zu den Wechselrichtern des Standes der Technik. Eine entscheidende
Ausnahme ist, dass die durch die Kühlkörper-Reihenanordnung gebildete
Oberseite elektrisch spannungsführend
ist und als Teil des Schaltsystems benutzt wird. Dies erlaubt die
Eliminierung der Isolierplatte, auf der das Wechselrichter-Schaltsystem
normalerweise montiert ist, da die Chips des Wechselrichter-Schaltsystems
der vorliegenden Erfindung direkt auf der Oberseite der Kühlkörper des Wechselrichters
angebracht sind.
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Einer
der Hauptvorteile der vorliegenden Erfindung ist, dass sie den erforderlichen
Raum für
den Wechselrichter im Motorraum des Fahrzeugs erheblich verringert.
Das Wechselrichtermodul der vorliegenden Erfindung erfordert nur
10% der Raummenge, die das Wechselrichtermodul der derzeitigen Erfindertechnik
fordert. Das Gewicht des Wechselrichtermoduls der vorliegenden Erfindung
ist ebenfalls erheblich verringert und beträgt nur 20% von dem des derzeitigen
Standes der Technik. Diese gewaltige Größen- und Gewichtsreduktion
führt zu
dem zusätzlichen
Vorteil, dass sie das Wechselrichtermodul weit weniger teuer machen
und es sich praktischer "in
Reserve" halten
lässt,
d. h. ein ganzes Wechselrichtermodul für Reparaturzwecke auf Lager
zu haben.
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Ein
anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die verringerte
Größe und kompakte Anordnung
des Wechselrichters seine Montage direkt am Motor (Generator) erlauben.
Dies verringert die Länge
der Zuführungsleitungen
der Rückkoppelungs-
und Steuerungssysteme erheblich.
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Noch
ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie dasselbe
Kühlmittel-Versorgungssystem
verwendet wie der elektrische Motor des Fahrzeugs, wodurch die Notwendigkeit
eines Wasserkühlungssystems
beseitigt wird.
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Noch
ein anderer Vorteil des Wechselrichters der vorliegenden Erfindung
ist, dass die Chips des Wechselrichter-Schaltsystems direkt auf
der Oberfläche
des Kühlkörpers angebracht
sind, wodurch Bauteile und Raumforderungen eliminiert werden. Die Oberfläche der
Kühlkörper ist
elektrisch spannungsführend
und dient als Teil des Schaltsystems.
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Noch
ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die plane
Struktur die Induktanz in dem Wechselrichter verringert.
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Diese
und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung offenbaren
sich Fachleuten auf diesem Gebiet angesichts der Beschreibung der besten
derzeit bekannten Art zur Ausführung
der Erfindung, wie hierin beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht des Wechselrichtermoduls der vorliegenden
Erfindung.
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2 zeigt
den Wechselrichter im Motorraum eines Fahrzeugs montiert.
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3 ist
eine perspektivische Oberseitenansicht des Wechselrichtermoduls
mit entferntem Modulgehäuse.
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4 ist
eine perspektivische Unterseitenansicht des Wechselrichtermoduls
mit entferntem Modulgehäuse.
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5 zeigt
eine perspektivische Frontansicht der mehrschichtigen elektrischen
Sammelleitungsanordnung mit eingesetztem Kälteblech und einer angebrachten
Endplatte.
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6 zeigt
eine perspektivische Rückansicht
der mehrschichtigen elektrischen Sammelleitungsanordnung der vorliegenden
Erfindung.
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7 zeigt
die Sammelleitungsanordnung mit zwei darin montierten IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen
und den zwei angebrachten Endplatten.
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8 veranschaulicht
die Kondensatorbank des Wechselrichters.
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9 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Kälteblechs, auf dem die Kondensatorbank
in der Baugruppe ruht.
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10 zeigt
den vollständigen
Satz von auf den Kühlkörpern montierten
IGBT-Schaltern.
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11 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer einzelnen IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnung.
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12 ist
eine Draufsicht des IGBT-Schalters mit der Klarheit halber entfernter
Abdeckung.
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13 ist
eine perspektivische Ansicht eines Kühlkörpers.
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14 ist
eine Endansicht des Kühlkörpers und
zeigt die Kühlmittelkanäle.
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15 ist
eine gebrochene Ansicht des Kühlkörpers und
stellt die inneren Kühlmitteldurchgänge und
das Wärmeübertragungsmedium
dar.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Zunächst wird
auf 1–4 Bezug
genommen, wo die vorliegende Erfindung ein Wechselrichter 10 für einen
elektrischen Fahrmotor ist. Der Wechselrichter 10 wird
mit einem Ölkühlungssystem gekühlt. Der
Wechselrichter 10 ist in Reihe mit dem Ölkühlungssystem des Motors 12 installiert,
so dass kein zusätzliches
Kühlsystem
erforderlich ist. Aufgrund der kompakten Ausführung des Wechselrichters 10 kann
das Wechselrichtermodul direkt am Motor 12 angebracht werden. 2 zeigt
den Wechselrichter 10 am Generator des Motors 12 montiert.
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Es
ist ersichtlich, dass der Wechselrichter 10 ein Außengehäuse 14 umfasst,
das die Bauteile des Wechselrichters 10 umschließt. Die
Stromabgabe durch den Wechselrichter 10 ist an mehreren
Ausgangsanschlüssen 16 zugänglich,
die aus einer Vorderseite des Wechselrichtergehäuses 10 herausragen.
Die Stromabgabe durch den Wechselrichter 10 dient als Leistungsquelle
zum Antreiben der Antriebsräder
des Fahrzeugs.
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Die
Kühlflüssigkeit,
heißes Öl vom Motor 12, tritt
durch eine Kühlmittel-Einlassöffnung 18 in
den Wechselrichter 10 ein und über eine Kühlmittel-Auslassöffnung 20 aus.
Das Öl
strömt
durch die Kühlkörper 22,
bei denen jeweils ein IGBT-Schalter 24 an einer Deckfläche davon
angebracht ist. In dem Wechselrichter 10 werden sechs IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 26 benutzt.
Die sechs IGBT-Schalter 24 sind notwendig, um den Wechselrichter 10 in die
Lage zu versetzen, Dreiphasenwechselstrom als Ausgangsleistung zu
liefern. Eine Kondensatorbank 28 ist in dem Wechselrichter
eingeschlossen, um eine Speichereinrichtung bereitzustellen, die
eine Impulsgebereinrichtung für
den Wechselrichter 10 bereitstellt. Die Kondensatorbank 28 umfasst
eine Vielzahl von nebeneinander befestigten Kondensatoren 281.
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Die
IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 26 und
die Kondensatorbank 28 sind auf einer mehrschichtigen Sammelleitungsvorrichtung 30 angebracht,
dargestellt in 5–7. Die Sammelleitungsvorrichtung 30 umfasst
ein zwischen zwei Endplatten 302 gesichertes planes Mittelstück 301.
Die sechs IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 26 sind
auf einer Oberseite des Mittelstücks 301 der Sammelleitungsvorrichtung 30 angebracht.
Die Kondensatorbank 28 ist auf einer Rückseite einer Unterseite des
Mittelstücks 301 der
Sammelleitung 30 angebracht. Die Kondensatorbank 28,
wie in 8 gezeigt, umfasst eine Vielzahl von nebeneinander
in einer Aufhängung 282 befestigten
Kondensatoren 281.
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Ein
Kondensatorkälteblech 32, 9,
ist zwischen die Kondensatorbank 28 und die Sammelleitung 30 geklemmt,
um Wärme
von der Kondensatorbank 28 aufzunehmen. Wie die Kühlkörper 22 verwendet
das Kondensatorkälteblech 32 Kühlmittel
(Öl) vom
Motor des Fahrzeugs. Eine Kühlmittel-Einlassöffnung 322 und
eine Kühlmittel-Auslassöffnung 323 sind
an dem Kälteblech 32 vorgesehen.
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Die
Vorderseite der Unterseite des Mittelstücks 301 dient als
Befestigungsmittel für
eine Vielzahl von Endstufenklammern 34. Die Endstufenklammern 34 sind
einfach schwere, elektrisch leitende Elemente, die dazu dienen,
den vom Wechselrichter 10 erzeugten Strom zu den Ausgangsanschlüssen 16 zu
leiten. Zuführungsleitungen
von den Antriebsrädern
des Fahrzeugs sind dann an den Ausgangsanschlüssen 16 angebracht.
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Auf
der Oberseite der Sammelleitung 30 umfasst eine sich von
einer ersten Seite des Mittelstücks 301 nach
oben erstreckende Kontaktschiene einen oberen Teil einer positiven
Sammelleitung 303. Die positive Sammelleitung 303 erstreckt
sich auch hinter dem Mittelstück 301 nach
unten, um eine Kontaktfläche
für die
Kondensatorbank 28 bereitzustellen.
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Eine
Vielzahl von aufrechten Kontaktschienen, die sich von der Vorderseite
des Mittelstücks 301 nach
oben erstrecken, umfasst eine negative Sammelleitung 304.
Eine Vielzahl von aufrechten Kontaktschienen in einem Mittelteil
des Mittelstücks 301 umfasst
einen Ausgangssteckbus 305.
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Die
aufrechten Abschnitte der Busleisten 303, 304, 305 bilden
ein Paar Längsbefestigungskanäle. Jeder
der Kanäle
wird benutzt, um drei IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 26 sicher
zu montieren, so dass die sechs IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 26 in
zwei Reihen ausgerichtet sind. Die positive Sammelleitung 303 und
der Ausgangssteckbus 305 bilden einen ersten Kanal 306, der
eine erste Reihe von drei IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 261, 262, 263 enthält. Die
negative Sammelleitung 304 und der Ausgangssteckbus 305 bilden
einen zweiten Kanal 307, der eine zweite Reihe von drei
IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 26 enthält. Die
erste Reihe der IGBT-Schalter 24 löst das positive Segment des
generierten Wechselstroms in 120°-Intervallen
aus. Die zweite Reihe IGBT-Schalter 24 löst das negative
Segment des Wechselstroms ebenfalls in 120°-Intervallen aus. 10 zeigt
die zwei Reihen IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 26 auf
ihren jeweiligen Kühlkörpern 22 montiert.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Struktur der Sammelleitungsvorrichtung 30 es
erlaubt, die IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 26 und
die Kondensatorbank 28 als allgemein flache, plane Elemente
zu montieren. Dieser Aufbau verringert die in dem Wechselrichter 10 vorhandene
Induktanz und lässt
dadurch die IGBT-Schalter 24 schneller arbeiten, was das
Gesamtleistungsvermögen
des Wechselrichters 10 verbessert.
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Bezogen
auf den elektrischen Betrieb ist der Wechselrichter der vorliegenden
Erfindung überwiegend
elektrisch äquivalent
zu Wechselrichtern des Standes der Technik. Eine entscheidende Ausnahme ist,
dass die durch die Kühlkörper-Reihenanordnung gebildete
Oberseite elektrisch spannungsführend
ist und als Teil des Schaltsystems benutzt wird. Dies gestattet
die Eliminierung der Isolierplatte, auf der das Wechselrichter-Schaltsystem
normalerweise angebracht ist, da die Chips des Wechselrichter-Schaltsystems
der vorliegenden Erfindung direkt auf der Oberseite der Kühlkörper des
Wechselrichters angebracht sind. Der Wechselrichter der vorliegenden
Erfindung verwendet als Eingangsleistung ein durch den Motor generiertes
600-Volt-Gleichspannungspotential. Die Ausgangsleistung des Wechselrichters der
vorliegenden Erfindung ist 600 Ampère Wechselstrom.
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Es
wird nun hauptsächlich
auf 10–14 Bezug
genommen, wo die IGBT-Schalter 24 direkt auf einer Oberseite
der Kühlkörper 22 angebracht
sind. Die Oberseite der Kühlkörper 22 ist
elektrisch spannungsführend
und dient als Teil des Wechselrichter-Schaltsystems. Das Kühlkörpergehäuse 221 ist
aus vernickeltem Molybdän geformt,
das denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten
wie Silicium hat. Dies bedeutet, dass sich das Siliciumsubstrat
der Chips des Wechselrichter-Schaltsystems beim Erwärmen und
Abkühlen
des Wechselrichters in demselben Verhältnis ausdehnt und zusammenzieht
wie das Kühlkörpergehäuse.
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Die
Kühlkörper 22 schließen ein
Paar parallele Kühlmitteldurchgänge 222 in
ihren Innenbereichen ein. Die Durchgänge 222 schließen jeweils
einen offenen Abschnitt 223 an einer oberen Innenseite
davon ein. Dies erlaubt einer in einem ersten Durchgang 222 fließenden Wärmeübertragungsflüssigkeit,
in den Innenbereich des Gehäuses 221 hinein überzulaufen
und ein Wärmeübertragungsmedium 224 einzuhüllen. Das
Fluid füllt
den Innenbereich des Kühlkörpers 22 und
strömt
in den offenen Abschnitt 223 des zweiten Durchgangs 222 hinein.
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Die
Wärmeübertragungsflüssigkeit
gelangt vom Kühlmittel-Versorgungsanschluss 18 durch
einen oberen versorgungsseitigen Einlasskanal 225 am Kühlkörper 22 der
ersten In-Reihe-IGBT-Schalter/Kühlkörper-Anordnungen 261 jeder
der Reihen von Anordnungen 26 in den Wechselrichter 10.
Der zweite versorgungsseitige Einlasskanal 226 der ersten
in Reihe angeordneten Kühlkörper ist
mit einer Kappe versehen. Die Durchgänge 222 der ersten
in Reihe angeordneten Kühlkörper sind
an die Durchgänge 222 der
zweiten in Reihe angeordneten Kühlkörper angeschlossen,
die wiederum an die Durchgänge
der dritten in Reihe angeordneten Kühlkörper angeschlossen sind. Die
Verbindungen der Durchgänge
werden unter Verwendung bekannter Gummimuffen bewerkstelligt. Am
Auslassende des Wechselrichters 10 sind die unteren Durchgangsöffnungen der
dritten in Reihe angeordneten Kühlkörper offen, und
die oberen Öffnungen
sind mit einer Kappe versehen.
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Die
Wärmeübertragungsflüssigkeit
tritt somit von einer oberen Einlassseite aus in jede Reihe von Kühlkörpern ein,
fließt
durch die Reihe hindurch und strömt
an einer unteren Auslassseite aus den dritten in Reihe angeordneten
Kühlkörpern heraus.
Wenn die Wärmeübertragungsflüssigkeit
durch und um das Wärmeübertragungsmedium 224 strömt, wird
von den IGBT-Schaltern 22 in das Wärmeübertragungsmedium 224 transportierte
Wärme durch
die Wärmeübertragungsflüssigkeit
aufgenommen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist die Wärmeübertragungsflüssigkeit
Motoröl,
und das Wärmeübertragungsmedium 224 ist
eine Vielzahl von versilberten Kupferkugeln. Die Kupferkugeln 224 werden
in einem einzigen Montageprozess aneinander- und an die Wände der
Kühlkörper 22 gelötet. Die runde
Form der Kugeln stellt ein ausgezeichnetes Mittel zur Schaffung
von Kontakt von jeder Kugel 224 mit einer Vielzahl von
anderen Kugeln 224 und mit den Innenwänden des Kühlkörpergehäuses 221 bereit. Dies
schafft einen überlegenen Wärmeübertragungsweg
in den Kühlkörpern 22.
Die zwischen den Kugeln 224 geschaffenen Strömungswege
haben glatte Abgrenzungen und sind relativ weit. Freie Strömung durch
das Wärmeübertragungsmedium
ist äußerst wichtig,
so dass Ablagerungen vom Motoröl nicht
im Innern des Gehäuses 221 eingeschlossen werden.
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Die
Kühlkörper 22 werden
gebildet, wie folgt: Kugeln 224 mit einem Durchmesser von
ca. 3/32'' werden im Innern
des Kühlkörpergehäuses zusammengepackt.
Die Kugeln 224 müssen
mit einer größtmöglichen
Bindekontaktfläche
aneinander- und an das Verteilerrohr gebunden werden, um optimale Wärmeleitung
zu ermöglichen.
Die metallurgische Bindung zwischen den Kugeln 224 wird
dadurch erreicht, dass die Kugeln zuerst mit Lötmasse beschichtet werden.
Das Hauptaugenmerk bei dem Plattierverfahren liegt darauf, eine
ausreichende Plattierungsschicht bereitzustellen, so dass während einer
Lötfolge
ein ausreichendes Flüssigmaterialvolumen
erzeugt wird, um eine Benetzung an Kontaktpunkten zwischen den Kugeln
zu liefern, um die Größe der leitfähigen Wärmeübertragungswege
zu erhöhen.
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Es
sollte klar sein, dass viele unterschiedliche Materialien und Gestaltungen
für die
einzelnen Wärmeübertragungsmittel
gewählt
werden können. In
der bevorzugten Ausführungsform
wird jedoch eine Kupferkugel 224 verwendet. Da Kupferlegierungen
anfällig
für Wasserstoffversprödung sind,
muss die Zusammensetzung der Kugeln kontrolliert werden, um die
während
des Lötprozesses
erforderliche Wärmebehandlung
zu ermöglichen.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird eine OFHC-Kupferlegierungskugel (sauerstofffreie Kupferlegierungskugel mit
hoher Leitfähigkeit)
verwendet.
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Die
Legierung muss frei von verschmutzenden Substanzen sein, damit sie
im Lötprozess
richtig gebunden wird. Aus diesem Grund werden die handelsüblichen
Kupferkugeln zuerst chemisch abgeschliffen, um eine erhebliche Stoffmenge
von der Oberfläche
der Kugeln abzunehmen. Der Grad der notwendigen Stoffabnahme wird
durch den Kaufzustand der Kugeln definiert.
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Zum
Aneinanderbinden der Kugeln wird eine eutektische Kupfer/Silber-Lötmasse benutzt.
Die eutektische Kupfer/Silber-Legierung wird erzeugt, indem zuerst
Silber auf die Kupferkugeln beschichtet wird und dann die resultierende
Matrix wärmebehandelt
wird, um die richtige Verflüssigungsmenge
zu erreichen. In der bevorzugten Ausführungsform werden die Kugeln
durch elektrochemisches Abscheiden einer 0,5 mil (Tausendstelzoll)
dicken Schicht Mattsilber auf die Kupferkugeln vorbereitet.
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Nach
Versilbern der Kugeln werden sie ins Innere des Kühlkörpergehäuses eingebracht.
Dann wird das Gehäuse
in einer Lötvorrichtung
befestigt. Mit einer geeigneten Vorrichtung können das Löten der einzelnen Elemente
des Wärmeübertragungsmediums
aus porösem
Metall und die Befestigung der Verteilerrohre am Kühlkörpergehäuse gleichzeitig durchgeführt werden.
Das folgende Wärmeübertragungssystem
wird während
des Lötprozesses
benutzt:
- a) Erwärmen auf 1000 ± 25°F in 60 min.
- b) Halten bei 1000 ± 25°F für 20 min.
- c) Erwärmen
auf 1400 ± 15°F in 30 min.
- d) Halten bei 1400 ± 15°F für 20 min.
- e) Erwärmen
auf 1500 ± 10°F in 5 min.
- f) Halten bei 1500 ± 10°F für 10 min.
- g) Ofenabkühlung
auf 500°F.
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Der
resultierende Kühlkörper ist
dann zur Installation am Wechselrichter bereit.
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Da
eine Oberfläche
des Kühlkörpers als
Befestigungsfläche
für das
Wechselrichter-Schaltsystem
benutzt wird, muss diese Oberfläche
relativ flach sein. Gelegentlich verursacht das Binden der Kugeln an
die Wand des Gehäuses
während
des Lötprozesses
eine übermäßige Deformation
des Gehäuses. Die
akzeptable Freiheitsgradzahl ausgehend von flach schwankt gemäß der spezifischen
Anwendung. Falls der Lötprozess
die Oberfläche
des Kühlkörpers außerhalb
akzeptabler Toleranzen bringt, ist eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich.
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Die
Ebenheit der Kühlkörperwand
kann durch Erneuern und Neuplattieren der Wand wiederhergestellt
werden. Es ist auch entdeckt worden, dass die Abplattung der Wand
durch einen Prägeprozess
bewerkstelligt werden kann. Der Prägeprozess beinhaltet einfach
das Anlegen von hohem Druck an das Gehäuse (ein Kaltformverfahren),
bis die Oberfläche
in akzeptable Ebenheitsgrenzen gebracht ist.
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Die
obige Offenbarung ist nicht als Einschränkung gedacht. Fachleute auf
diesem Gebiet werden ohne Weiteres beobachten, dass zahlreiche Modifikationen
und Änderungen
der Vorrichtung vorgenommen werden können und trotzdem die Lehren der
Erfindung erhalten bleiben. Demgemäß sollte die obige Offenbarung
so ausgelegt werden, dass sie nur durch die Einschränkungen
der angehängten
Ansprüche
beschränkt
wird.