JP2018531574A - 印刷回路基板固定子における熱管理のための構造および方法 - Google Patents

Abstract

モータまたは発電機のための固定子が提供され、固定子は、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有する平面複合構造（ＰＣＳ）を含む。固定子は、ＰＣＳの中心から距離ｒ１まで半径方向に延び、その上に角度を付けて配置されている第１の伝導要素を含む。各第１の伝導要素は、好ましい終端構造を含み、好ましい終端構造は、ＰＣＳの中心からの半径ｒ２から半径方向に延び、その上に角度を付けて配置されている複数の第２の伝導要素のうちの少なくとも１つと接続する。

Description

（関連出願の引用）
本開示は、米国仮特許出願第６２／２３６，４０７号（２０１５年１０月２日出願、Ｓｔｅｖｅｎ Ｒ．Ｓｈａｗ、名称「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＴＯ ＲＥＤＵＣＥ ＬＯＳＳＥＳ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤ ＷＩＮＤＩＮＧＳ」）および米国仮特許出願第６２／２３６，４２２号（２０１５年１０月２日出願、Ｓｔｅｖｅｎ Ｒ．Ｓｈａｗ、名称「ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ ＦＯＲ ＴＨＥＲＭＡＬ ＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ ＩＮ ＰＲＩＮＴＥＤ ＣＩＲＣＵＩＴ ＢＯＡＲＤ ＳＴＡＴＯＲＳ」）に関連し、両出願に対する優先権を主張し、それらの内容は、あらゆる目的のためにそれらの全体において参照により本明細書に引用される。

（開示の範囲）
本明細書に説明される実施形態は、概して、印刷回路基板デバイスにおける熱管理の分野に関する。より具体的には、本明細書に開示されるような実施形態は、電気モータおよび発電機のための印刷回路基板上に作製される固定子における熱管理の分野に関する。

印刷回路基板（ＰＣＢ）内の電気導線を通した高電流を取り扱う現在の電気モータおよび他の電気デバイスは、ＰＣＢにおける大量の熱消散から生じる複数の問題に直面している。問題のいくつかは、基板の反りを含み、それは、モータおよび発電機の回転子に関する機械的故障および破壊的機械的障害につながる。さらに、ＰＣＢ内の高温勾配は、基板内の電気導線または誘電材料の剥離もしくは局所的故障等、ＰＣＢの構造損傷につながり得る。印刷回路基板機械の空隙内で典型的に使用される希土類磁石も、温度に敏感である。磁石温度が、規定された値を超える場合、磁石は、劣化し、それらの磁場を喪失し得る。

本開示に説明される特徴（すなわち、最新技術）を伴わずに構築された印刷回路基板電気機械は、種々の方略を採用して、熱を管理する。集合的に、これらの方略は、基本的印刷回路基板固定子設計の商業的魅力および市場性を限定する。これらの方略は、ａ）機械構造がヒートシンクとしての役割を果たすように、所望の機械的動作部分と比較して機械を大型化すること、ｂ）機械を能動的に冷却すること、ｃ）回転子と固定子との間により大きい空隙等の効率低下特徴を導入すること、ｄ）機械を断続使用用途に限定すること、および／または、ｅ）機械に温度感知コントローラを装備することを含む。

第１の実施形態では、固定子は、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有する平面複合構造（ＰＣＳ）を含み、ＰＣＳは、少なくとも部分的に、中心原点と、周縁とによって特徴付けられる。固定子は、ＰＣＳの中心原点から周縁に向かって距離ｒ_１まで半径方向に延び、ＰＣＳ上に角度を付けて配置される複数の第１の伝導要素であって、各第１の伝導要素は、好ましい終端構造内で終端されている、第１の伝導要素と、ＰＣＳの中心原点からの半径ｒ_２から周縁に向かって半径方向に延び、ＰＣＳ上に角度を付けて配置されている複数の第２の伝導要素とも含み得る。さらに、いくつかの実施形態によると、第１の伝導要素のうちの少なくとも１つは、接続構成に従って、好ましい終端構造において第２の伝導要素のうちの少なくとも１つに接続される。

第２の実施形態では、固定子は、少なくとも１つの誘電層と、少なくとも１つの伝導層とを備えているＰＣＳを含み、ＰＣＳは、少なくとも部分的に、中心原点と、周縁とによって特徴付けられる。固定子は、中心原点からの開始半径ｒ_０からＰＣＳの周縁に向かって半径方向に延び、ＰＣＳ上に角度を付けて配置される複数の第１の伝導要素であって、各第１の伝導要素は、好ましい開始構造において始まる第１の伝導要素も含み得る。さらに、固定子は、中心原点からの半径ｒ_−１からＰＣＳの中心原点に向かって半径方向に延び、ＰＣＳ上に角度を付けて配置されている複数の第２の伝導要素を含み得る。いくつかの実施形態では、第１の伝導要素のうちの少なくとも１つは、接続構成に従って、好ましい開始構造において第２の伝導要素のうちの少なくとも１つに接続される。

図１Ａは、いくつかの実施形態による、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有するＰＣＢを含む固定子の平面図を図示する。 図１Ｂは、いくつかの実施形態による、固定子の断面図を図示する。 図２は、いくつかの実施形態による、ＰＣＢ上に半径方向に配置される複数の伝導要素を含む固定子の詳細を図示する。 図３は、いくつかの実施形態による、固定子の中心原点に近接する内側エリアの詳細を図示し、内側エリアは、ＰＣＢ上に半径方向に、かつ角度を付けて配置される複数の伝導要素を含む。 図４は、いくつかの実施形態による、固定子の中心原点に近接する内側エリアの詳細を図示し、内側エリアは、ＰＣＢ上の異なる伝導層上に半径方向に、かつ角度を付けて配置される複数の伝導要素を含む。 図５は、いくつかの実施形態による、終端構造を含む伝導要素の詳細を図示する。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、固定子内の異なる接続構成の詳細を図示し、各接続構成は、終端構造において第２の伝導要素に接続される第１の伝導要素を含む。 図７Ａ−Ｄは、いくつかの実施形態による、熱を消散させている間の固定子の熱画像を図示し、固定子は、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有する平面複合層（ＰＣＳ）を含む。 図７Ａ−Ｄは、いくつかの実施形態による、熱を消散させている間の固定子の熱画像を図示し、固定子は、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有する平面複合層（ＰＣＳ）を含む。 図７Ａ−Ｄは、いくつかの実施形態による、熱を消散させている間の固定子の熱画像を図示し、固定子は、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有する平面複合層（ＰＣＳ）を含む。 図７Ａ−Ｄは、いくつかの実施形態による、熱を消散させている間の固定子の熱画像を図示し、固定子は、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有する平面複合層（ＰＣＳ）を含む。 図８は、いくつかの実施形態による、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有する平面複合層（ＰＣＳ）を含む固定子を製造する方法におけるフローチャートを図示する。

図面では、同一または類似参照番号によって示される要素およびステップは、別様に示されない限り、同一または類似要素およびステップに関連付けられる。

本開示の実施形態は、熱がＰＣＢ固定子構造内で生じるという点において、広範囲の印刷回路基板熱管理における大部分と異なり、本開示の実施形態の目的は、固定子および周囲の構成要素を保護する目的のために、その熱を伝達することである。近年の多くの進歩は、敏感な構成要素内で生じる熱を管理することに焦点を当てており、印刷回路基板上の構造が、多くの場合、コストのかかる個別的なヒートシンク構成要素を排除する目的を伴って、ヒートシンクとして使用される。本開示の実施形態は、単相および多相（例えば、３相）モータならびに発電機に適用可能である。

図１Ａは、いくつかの実施形態による、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層１１１、１２１、および１３１とを有する平面複合構造（ＰＣＳ）１１０を含む固定子１００の平面図を図示する。伝導要素１１１、１２１、および１３１は、ＰＣＢ構造の外環において使用され得る、本開示の実施形態による熱緩和構造の一部であり得る。ＰＣＳ１１０は、少なくとも部分的に、中心原点１０１と、周縁１０２とによって特徴付けられる。固定子１００は、ＰＣＳ１１０の原点１０１から周縁１０２に向かって距離１４２（ｒ１）まで半径方向に延び、ＰＣＳ上に角度を付けて配置される複数の第１の伝導要素１１１を含み、各第１の伝導要素は、好ましい終端構造１１５において終端される。さらに、いくつかの実施形態では、固定子１００は、原点１０１からの半径１４３（ｒ２）から周縁１０２に向かって半径方向に延び、ＰＣＳ上に角度を付けて配置される複数の第２の伝導要素１２１を含む。故に、第１の伝導要素１１１は、原点１０１から周縁１０２への半径方向ｒと垂直である角度方向θに沿って、互いから間隔を置かれる。同様に、第２の伝導要素１２１も、方向θに沿って、互いから間隔を置かれる。いくつかの実施形態では、第１の伝導要素１１１の少なくとも１つは、接続構成に従って、好ましい終端構造１１５において第２の伝導要素１２１の少なくとも１つに接続される。

固定子１００は、図１Ａの平面図に図示されるものに類似する複数の層を含み得る。複数の層は、一連のコイルまた巻線を提供するように配列され得、それらは、通常直列に接続され、モータまたは発電機の極を形成する。そして、極は、典型的には、群に分離され、少なくとも１つの群は、モータに供給される（または発電機によって発生させられる）電流の各相のためのものである。集合的に、外部電気回路によって適切に制御されると、ＰＣＳ１１０内の導体１１１、１５１、および１５２の配列は、回転電流密度および関連付けられた磁場を生成する。この回転電流密度（および磁場）は、トルクを周囲磁気構造または電流密度に及ぼすことができる。半径方向構造（「活性エリア」）を伴う印刷回路基板の部分は、この相互作用に関与するように設計された固定子の部分である。故に、固定子１００の活性エリアは、伝導要素１５１および１５２を通して結合される伝導要素１１１を含み、回転電流を形成し得る。いくつかの実施形態は、ＰＣＳ１１０の中心原点１０１を通過するシャフトに固定された２組の希土類磁石を含み、それは、コンパクトな高効率軸方向磁場同期電気機械を形成する。非均質磁場と相互作用する、回転電流密度を含む活性エリアに加え、固定子１００は、周縁エリアにおける伝導要素１２１と、内部エリアにおける伝導要素１３１とを含み得る。故に、伝導要素１２１および１３１は、動作中、固定子１００によって発生させられる熱を消散させる。

熱消散を達成するために、固定子１００のいくつかの実施形態は、好ましい終端構造１１５と、好ましい開始構造１０５とを半径方向に配置された伝導要素１１１の両端に含む。したがって、周縁エリア内の伝導要素１２１は、終端構造１１５を通して、伝導要素１１１に結合され得る。内部エリア内の伝導要素１３１は、開始構造１０５を通して、伝導要素１１１に結合され得る。構造１０５および１１５は、熱接続、電気接続、またはその２つの組み合わせであり得る接続構成を含む。例えば、熱接続は、２つの要素間に電気接続が存在しないように、伝導要素１１１と伝導要素１２１との間に物理的間隙が存在する場合のものであり得る。しかし、２つの切断された要素１１１および１２１の近接度は、熱を一方の伝導要素から他方（１１１または１２１）に効率的に伝達するための熱構成において十分であり得る。

熱は、複数の機構によって、固定子１００内で発達させられる。１つの機構は、電流搬送導体内の抵抗損失である。この機構は、^{電流の２乗および有効抵抗に比例する電力}に寄与し^{、すなわち、Ｐ}ｊｏｕｌｅ^{＝Ｉ２Ｒ。抵抗Ｒは、}銅厚および電気抵抗率が、概して、均一であるので、固定子１００に見られるような特徴幅（例えば、面内幅）にほぼ比例し得る。１つの層を次の層に接続するビアでは、銅電気抵抗率は、平面内より幾分高い。さらに、電流の周波数が増加するにつれて、それ自身の磁場との電流の相互作用、例えば、表皮深さ効果を含むように抵抗Ｒを修正する必要があり得る。実際には、これは、伝導される電流のより高い周波数成分に対して抵抗を増加させるが、熱が固定子上で発生させられる場所を実質的に変化させない。

熱発生の第２の機構は、回転子磁石に起因する時変磁場との銅の相互作用（電流搬送または非搬送）に関連する。関連付けられた輪郭Ｃによって外接される面積Ａに対して、以下のように、輪郭に沿って電場が存在する。

ここで、面積差

の方向は、右手の法則によって、

に関連する。ＰＣＳ内の伝導性材料において、電場

は、渦電流密度および時変磁束密度

が存在する任意の場所における関連付けられた損失につながる。一般に、これらの渦電流も、

に影響を及ぼし、磁気拡散方程式につながり、損失の精密な計算は、これを考慮しなければならない。これは、固定子のこの部分が回転子のシャフトが移動する度にさらされる回転磁場に起因して、固定子アセンブリ内の半径方向活性エリアトレースに関連する。これらの損失は、モータが外部回路によって駆動されるときの任意の伝導関連損失に加えたものであり、実際、この損失機構は、固定子１００が外部回路に接続されない場合でも存在する。

固定子１００における設計考慮点は、固定子活性エリア内における伝導性と渦電流損失との間のトレードオフを伴う。伝導性損失を低減させるために、導体は、より広くなければならない（または後続層上で並列に接続される）。渦電流損失を低減させるために、時変束を捕捉する有効面積Ａは、より小さくなければならず、したがって、導体は、より狭くなければならない。

第３の熱源は、電流搬送導体からの磁場に起因する渦電流を伴う。この影響は、基板の内環および外環においてで検討することが重要であり、異なる層が、異なる機能を行う。この機構を熱緩和構造の設計において考慮することも重要である。

固定子１００内の異なる要素の寸法および割合は、所望に応じて変動し得る。いくつかの実施形態では、半径１４２（ｒ_１）は、半径１４３（ｒ_２）と等しく、間隙を１つ以上の伝導要素１１１と１２１との間にもたらさないことが望ましくあり得る。他の実施形態では、半径１４２（ｒ_１）は、半径１４３（ｒ_２）より小さく、間隙を１つ以上の伝導要素１１１と１２１との間にもたらし得る。同様に、固定子１００内の異なる要素を形成する材料も、所望に応じて、本開示の範囲内で変動し得る。故に、伝導要素１１１、１２１、１３１、１５１、および１５２のうちの少なくとも１つは、銅、または炭素（例えば、グラフェン層、またはカーボンナノチューブ層、もしくは他の炭素同素体）、または銅−炭素複合材、または他の導電性材料もしくは複合材を含み得る。伝導要素１２１、１３１は、熱伝導性材料を含み得る。

故に、本開示に準拠する実施形態では、伝導要素１１１、１２１、および１３１は、渦電流損失のための低減された面積

を有する熱導体としての役割を果たす。加えて、伝導要素１２１は、周辺エリア内のラミネートされた銅トレースの使用を通して、固定子１００の厚さ一貫性を向上させ得る。伝導要素１３１は、固定子１００の内側エリア上の熱除去トレースである。いくつかの実施形態では、伝導要素１３１は、開始構造１０５を通して伝導要素１２１に電気的に接続され得る。故に、開始構造１０５は、終端構造１１５に類似する。しかしながら、開始構造１０５は、典型的には、中心原点１０１の近傍の空間制約に起因して、角度を付けて分散される代わりに、半径方向に分散される。

図１Ｂは、いくつかの実施形態による、固定子１００の断面図を図示する。限定ではないが、例証目的のために、「Ｚ」軸が、固定子１００内の異なる層のスタックの方向に示され、垂直軸「ｒ」は、その断面に沿って示される。図に見られるように、固定子１００は、伝導層１６１ａと１６１ｂとの間に挟まれる誘電基板１６２を含み得る。ビア１２５は、伝導層１６１ａと１６１ｂとの間の電気伝導を提供する。加えて、ビア１２５は、これらの要素（例えば、銅、アルミニウム、スズ、タングステン、および派生化合物）内で典型的に使用される伝導性材料に起因して、層１６１ａと１６１ｂとの間の熱伝導も提供し得る。誘電基板１６２は、エポキシ樹脂結合剤（例えば、ＦＲ−４等）を伴う織布ファイバガラスを含む複合材料等、ＰＣＢ内で使用される任意の材料を含み得る。

故に、いくつかの実施形態では、固定子１００は、異なる伝導層１６１ａおよび１６１ｂ上に位置する、伝導要素１１１、１２１、または１３１のうちの少なくとも１つを含む（図１Ａ参照）。例えば、伝導要素１１１ａは、固定子１００の活性エリア内にあり、伝導層１６１ａ上に配置される複数の伝導要素１１１のうちの１つであり得る。対応して、伝導要素１１１ｂは、固定子１００の活性エリア内にあり、伝導層１６１ｂ上に配置される複数の伝導要素１１１のうちの１つであり得る。より一般的には、伝導要素１２１ａ（図６Ａ参照）および１３１ａは、伝導層１６１ａ上に配置される伝導要素１２１および１３１に対応する。同様に、伝導要素１２１ｂ（図６Ａ参照）および１３１ｂは、伝導層１６１ｂ上に配置される、伝導要素１２１および１３１に対応する。

複数の伝導層１６１ａおよび１６１ｂ内に配列される伝導要素１１１、１２１、および１３１は、固定子１００内の熱消散を改良し得る。典型的には、熱は、導電性要素自体を介して、偏って伝達される。例えば、銅の熱伝導性（４０１Ｗ／（ｍＫ）時）は、周囲誘電材料ＦＲ−４の熱伝導性（面内０．８１Ｗ／（ｍＫ）時）を約５００倍上回る。さらに、熱がＺ−方向に沿って流動するとき、銅は、熱伝導機構としてさらに有意となり、面外方向におけるＦＲ−４の熱伝導性の約１，４００倍を有する。固定子構造の全体的熱伝導性は、導電性要素および周囲誘電体の相対的面積に依存することに留意されたい。

図２は、いくつかの実施形態によると、ＰＣＳ１１０上に半径方向に配置される複数の伝導要素１１１、１２１、および１３１を含む固定子１００の詳細を図示する。伝導要素１５２が、ＰＣＳ１１０上に角度を付けて配置される。いくつかの実施形態では、固定子１００は中心原点１０１からの半径２４１（ｒ_３）から周縁１０２に向かって半径方向に延び、ＰＣＳ１１０上に角度を付けて配置される複数の第３の伝導要素２１１をさらに含み、第３の伝導要素のうちの少なくとも１つ２１１および第２の伝導要素のうちの少なくとも１つ１２１ｂは、一致し、それらは、異なる伝導層上に位置する。例えば、一般性を失うことなく、伝導要素２１１は、伝導層１６１ａ内に含まれ、伝導要素１２１ｂは、伝導層１６１ｂ内に含まれ得る。

いくつかの実施形態では、伝導要素１１１、１２１、および１３１間の熱結合も、電気接続をこれらの伝導要素間にもたらすことによって、有意に向上させられる。故に、いくつかの実施形態は、隙間を固定子１００の内側エリア内の伝導要素１３１と伝導要素１１１との間に提供し、例えば、伝導要素１５１のための空間を提供する。同様に、いくつかの実施形態は、隙間を伝導要素１１１と固定子１００の周辺エリア内の伝導要素１２１との間に提供し、例えば、伝導要素１５２のための空間を提供する。より一般的には、本開示に準拠する固定子１００の実施形態は、依然として、２つを分離する誘電材料の小間隙を通して良好な熱結合を提供しながら、異なる電位において、電気隙間を２つの伝導要素間に提供する。さらに、ビアを通して異なる伝導層への強固な熱接続を提供することによって、このアプローチは、特に効果的となる（例えば、ビア１２５および伝導層１６２ａならびに１６２ｂ、図１Ｂ参照）。伝導要素が、第１の伝導層上で中断される場合でも、伝導層を横断してビア区分が、熱除去を第１の伝導層から第２の伝導層に提供する。

伝導要素１１１と伝導要素１３１との間の電気および熱結合は、伝導要素１１１のうちの１つの始点を開始構造１０５に接触する中心原点１０１から距離１４１（ｒ_０）に含む。伝導要素１３１のうちの１つの始点は、中心原点１０１から距離２４２（ｒ_−１）にある。伝導要素１１１の反対端は、中心原点１０１から距離１４２（ｒ_１）における終端構造１１５上で終了する。

図３は、いくつかの実施形態による、半径方向に配置される複数の伝導性要素１１１および１３１と、ＰＣＳ１１０上に角度を付けて配置される伝導要素１５１とを含む固定子１００の中心原点１０１の近位の内側エリアの詳細を図示する。中心原点１０１の近傍の空間制約に起因して、いくつかの実施形態では、ある伝導要素１３１のみが、開始構造１０５を通して、対応する伝導要素１１１に熱的および／または電気的に結合され得る。この配列は、中心原点１０１の近傍の隣接する伝導要素１３１間の望ましくない電気接触を回避する。

図４は、いくつかの実施形態による、半径方向に配置される複数の伝導性要素１１１を含む、固定子１００の中心原点１０１の近位の内側エリアの詳細を図示する。伝導要素１５１は、角度を付けて配置される。伝導要素４３１ａおよび４３１ｂは、ＰＣＳ上の異なる伝導層上に配置される。ＰＣＳ１１０の内側エリアの非常に制約された空間内の熱および電気伝導の問題に対処するために、伝導要素４３１ａは、多層ＰＣＳ１１０の異なる層上で伝導要素４３１ｂと交互する。開始構造１０５内の内側ビアは、伝導要素１１１を通して熱を消散させる。熱除去トレース４３１ａおよび４３１ｂを別個の伝導層内に互い違いにすることによって、それらは、同一伝導層上の隣接する伝導要素間の所望の隙間を維持しながら、内向きに延びていることができる。例えば、ビアブロックを通した全ての第３の伝導要素１３１の接続等、この特徴に準拠した他の互い違い構成も、想定され得る。

図５は、いくつかの実施形態による、終端構造１１５を含む伝導要素１１１の詳細を図示する。終端構造１１５は、Ｔ形状または「ハンマーヘッド」構成を有する。いくつかの実施形態では、終端構造１１５は、ハンマーヘッド構成の代わりに、正方形パッドを含み得る。終端構造１１５は、終端構造１１５で終了する伝導性要素１１１からの渦電流および伝導性損失等、固定子１００の活性エリアと周辺エリアとの間の遷移において、異なる源からの熱の角度分布を改良する（すなわち、θ方向に沿って）。加えて、終端構造１１５は、損失が入射時変磁場に起因して生じ得る面積を低減させる（方程式１参照）。

いくつかの実施形態は、１つ以上のビアを終端構造１１５の外側部分の近傍の層間に含み、ビアは、ハンマーヘッド特徴の空間範囲と併せて、単点熱終端（例えば、開始構造１０５、図１Ａ参照）と比較して、熱の角度集中を低減させる傾向にある。終端構造１１５のハンマーヘッド特徴は、活性エリアにわたる永久磁石アセンブリからの時変磁場漏出への周辺エリアにおける固体銅要素の露出を低減させる。図２に示される具体的寸法および比率は、所望のモータまたは発電機設計を含む要因に応じて、最適化を受け得る。さらに、固定子１００内の２つの基本材料間の熱伝導性の偏った比率（例えば、伝導要素１１１、１２１、および１３１のための銅対誘電基板１６２内のＦＲ−４）は、固定子１００および終端構造１１５に実質的に準拠する終端構造１１５の異なる設計が、熱消散のために等しく効果的であり得ることを示唆する。

図６Ａ−Ｉは、いくつかの実施形態による、異なる接続構成６１５ａ、６１５ｂ、６１５ｃ、および６１５ｄ（集合的に、以降、接続構成６１５と称される）の詳細を図示する。接続構成６１５は、終端構造１１５において第２の伝導要素１２１ａ、ｂに接続される、第１の伝導要素１１１ａ、ｂを含む。終端構造１１５は、伝導要素１１１ａ、ｂと伝導要素１２１ａ、ｂとの間の熱および電気結合を形成するビア１２５を含む。３次元軸（Ｚ、ｒ、θ）は、図１Ａ−Ｂおよび図２−４に示されるものと一貫する。図中の要素の軸標識および具体的向きは、例証目的のためだけに選定され、描写される異なる実施形態を限定するものと見なされるべきではない。

図６Ａは、いくつかの実施形態による、接続構成６１５ａの斜視図を示す。接続構成６１５ａは、伝導要素１１１ａ、ｂおよび１２１ａ、ｂを２つの異なる伝導層（例えば、伝導層１６１ａおよび１６１ｂ、図１Ｂ参照）内に含み、終端構造１１５において電気および熱結合を形成する。より具体的には、接続構成６１５ａは、電気および熱結合を伝導要素１１１ａ、ｂと伝導要素１２１ａ、ｂとの間に提供する。

図６Ｂは、図６Ａに図示される伝導要素１１１ａ、ｂおよび１２１ａ、ｂの長さに沿った接続構成６１５ａの断面図である。図６Ｂは、伝導要素１１１ａ、ｂから伝導要素１２１ａ、ｂへ、最終的には、ヒートシンク６２０への接続構成６１５ａ内の熱流動を図式的に示す。いくつかの実施形態では、伝導要素１２１ａおよび１２１ｂは、少なくとも部分的に一致するが、ＰＣＳ１１０の反対伝導層内に位置することが望ましい。故に、伝導要素１１１ａ、ｂから伝導要素１２１ａ、ｂへの熱流動は、伝導要素１１１ａ、ｂおよび１２１ａ、ｂの半径方向経路に沿って向上させられる。

図６Ｃは、伝導要素１１１ａ、ｂおよび１２１ａ、ｂを同一伝導層内に含み、終端構造１１５において電気および熱結合を形成する、接続構成６１５ａの平面図を示す。終端構造１１５は、４つのビア１２５を有するハンマーヘッド特徴を含み、向上させられた熱消散および電気接続を層間に提供する。

図６Ｄは、伝導要素１１１ａ、ｂ、１２１ａ、ｂ、および１５２ａを２つの異なる伝導層内に含み、終端構造１１５において電気および熱結合を形成する、接続構成６１５ｂの斜視図を示す。より具体的には、接続構成６１５ｂは、終端構造１１５内のビア１２５を通して、電気および熱結合を伝導要素１１１ａ、ｂと伝導要素１２１ｂとの間に提供する。さらに、接続構成６１５ｂは、熱結合を同一伝導層上の伝導要素１１１ａと伝導要素１２１ａとの間に提供し、電気接続をそれらの間に提供しない。接続構成６１５ｂを含む実施形態は、伝導要素１５２ａが、伝導要素１１１ａまたは１２１ａのうちのいずれか１つとして異なる電位で動作するとき、望ましくあり得る。接続構成６１５ｂを含む、いくつかの実施形態は、伝導要素１２１ａが、伝導要素１１１ａとして異なる電位で動作するとき、望ましくあり得る。

図６Ｅは、図６Ｄに図示される伝導要素１１１ａ、ｂおよび１２１ａ、ｂの長さに沿った接続構成６１５ｂの断面図である。図６Ｅは、伝導要素１１１ａ、ｂから伝導要素１２１ａ、ｂへ、そこからヒートシンク６２０の中への熱流動も図式的に示す。伝導要素１２１ａおよび１２１ｂは、少なくとも部分的に、ＰＣＳ１１０の平面に沿って一致するので、熱は、２つの伝導要素間の電位における任意の差異に関係なく、伝導要素１２１ｂから伝導要素１２１ａに流動する。

図６Ｆは、伝導要素１１１ａ、ｂ、１２１ａ、ｂ、および１５２ａを２つの異なる伝導層内に含み、終端構造１１５において電気および熱結合を形成する接続構成６１５ｃの斜視図を示す。接続構成６１５ｃは、伝導要素１１１ａおよび１２１ａが、電気的に接続されない一方、伝導要素１１１ａ、ｂが、終端特徴１１５内のビア１２５を通して伝導要素１２１ｂに電気的および熱的に接続されるという点において接続構成６１５ｂに類似する。しかしながら、接続構成６１５ｃでは、終端構造１１５は、ハンマーヘッド構成を有する（図５参照）。故に、接続構成６１５ｃ内の伝導要素１１１ａ、ｂから伝導要素１２１ａ、ｂへの熱流動は、電気構成にかかわらず、伝導要素１１１ａ、ｂ、および１２１ａ、ｂの半径方向経路に沿って向上させられる。

図６Ｇは、図６Ｆに図示される伝導要素１１１ａ、ｂ（集合的に、１１１）および１２１ａ、ｂ（集合的に、１２１）の長さに沿った接続構成６１５ｃの断面図である。図６Ｇは、伝導要素１１１ａ、ｂから伝導要素１２１ａ、ｂへ、そこからヒートシンク６２０の中への熱流動も図式的に示す。

図６Ｈは、伝導要素１１１、１２１、および１５２ｂを２つの異なる伝導層内に含み、終端構造１１５において電気および熱結合を形成する接続構成６１５ｄの斜視図を示す。接続構成６１５ｄは、異なる伝導層内の伝導要素が電気的および熱的に接続される（すなわち、ビア１２５を通して、伝導要素１１１ｂおよび伝導要素１２１ａ）という点において、接続構成６１５ｂおよび６１５ｃに類似する。しかしながら、接続構成６１５ｄでは、伝導要素１５２ｂは、ＰＣＳ１１０の別の伝導層上に配置される。故に、伝導要素１１１ｂを伝導要素１２１ｂから電気的に隔離することが望ましくあり得る。

図６Ｉは、図６Ｈに図示される伝導要素１１１および１２１の長さに沿った接続構成６１５ｄの断面図である。図６Ｉは、伝導要素１１１ａ、ｂから伝導要素１２１ａ、ｂへ、そこからヒートシンク６２０の中への熱流動も図式的に示す。示されるように、接続構成６１５ｄ内の伝導要素１１１ａ、ｂから伝導要素１２１ａ、ｂへの熱流動は、電気構成にかかわらず、伝導要素１１１ａ、ｂおよび１２１ａ、ｂの半径方向経路に沿って向上させられる。

図７Ａ−Ｄは、いくつかの実施形態による、熱を消散している間の固定子７００ａおよび７００ｂ（集合的に、以降、「固定子７００」と称される）の熱画像を図示し、それぞれ、少なくとも１つの誘電基板１６２と、伝導層１６１ａおよび１６１ｂとを有するＰＣＳ１１０を含む。固定子７００ａは、伝導要素１１１および１２１を含まないが、固定子７００ｂは、それらを含む（図１Ａ−Ｂ参照）。熱画像は、固定子７００上の選択された場所に伝導性損失を介して熱を導入し、動作中のモータまたは発電機内の温度分布を模倣することによって得られる。動作中のモータまたは発電機内の熱源およびヒートシンクは、周囲磁気および機械的構成要素を含む。このアプローチは、本明細書に開示される実施形態に準拠した異なる固定子設計間の熱性能の撮像および比較を可能にする。

伝導性を介した熱の導入は、固定電力量（約２０Ｗ）を固定子７００に１０分にわたって送達するように電力供給源を構成することを含む。固定子７００は、次いで、ＦＬＩＲデジタルＩＲカメラを用いて撮像された。境界条件が、固定子７００をエンクロージャ７５０内に設置し、固定子の露出された半分を熱撮像のために利用可能なままにすることによって確立された。加えて、ＰＣＳ１１０の４つの角のうちの３つのみが、エンクロージャ７５０にしっかりとクランプ締めされた。このクランプ締め構成は、全ての他の条件が一定に保持されたまま、熱を固定子７００からエンクロージャ７５０に除去することにおける熱設計の有効性の比較を可能にする。固定子７００は、３つのＹ字状接続相のうちの２つを横断して励起された。

図７Ａは、固定子７００ａが、良好な熱接触が存在しない、左角においてより高温であり、温度が、良好に終端される場合でも、固定子７００ａを横断して非常に均一であることを示す。これは、ヒートシンクの場合の品質から独立して、熱を固定子７００ａから伝達することが困難であることを示唆する。

図７Ｂ−Ｄは、本明細書に開示されるような伝導要素１１１および１２１（図１Ａ−Ｂ、２−５、および６Ａ−Ｉ参照）を含む、固定子７００ｂのための同一試験および測定手順の結果を示す。図７Ａ−７Ｄにおける温度読み取り値は、例証にすぎず、本明細書に開示される実施形態をいかようにも限定しない。しかしながら、エンクロージャ７５０にクランプ締めされる固定子７００ｂの部分（図７Ｂ−Ｄにおけるより暗い部分）は、不良な熱終端を伴う部分（図７Ｂ−Ｄにおけるより明るい部分）より比較的に低温であることが明らかである。これは、本発明の実施形態に準拠する特徴が、熱を固定子７００ｂからエンクロージャ７５０に除去することにおいて効果的であることを示唆する。

図７Ｃでは、固定子７００ｂは、異なるパターンを良好な熱終端を伴うエリアと不良な熱終端を伴う角との間に示す。しかしながら、この場合、クランプに直に隣接する位相７１０ｃの熱の痕跡は、ほぼ完全にない。

図７Ｄは、図７Ｃにおける効果をさらに詳細に示す。基板の左側（良好にクランプ締めされる）と右側（より不良な接触）との間の差異と、角度方向と比較して（θ、境界条件が変化するにつれて）、半径方向における（ｒ、シンクに向かって）鋭い勾配がないこととに留意されたい。全体として、固定子７００ａと固定子７００ｂの熱除去有効性の比較は、本発明の実施形態のうちの１つ以上のものに説明される特徴（例えば、伝導要素１１１、１２１、および１３１）を組み込むことが、有意に優れた有効性を伴って、熱を活性領域（伝導要素１１１を含む）から除去することができることを示す。

図８は、いくつかの実施形態による、少なくとも１つの誘電層と、複数の伝導層とを有する平面複合層（ＰＣＳ）を含む固定子を製造する方法８００におけるフローチャートを図示する（例えば、固定子１００、ＰＣＳ１１０、誘電基板１６２、伝導層１６１ａ、ｂ、図１Ａ−Ｂから図６参照）。

本開示に準拠する方法は、少なくともいくつかであるが、全てではない異なる順序で行われる、方法８００に例証されるステップを含み得る。さらに、本開示に準拠する方法は、時間的に重複し、またはほぼ同時に行われる、方法８００におけるような少なくとも２つ以上のステップを含み得る。

ステップ８０２は、ＰＣＳの中心原点から第１の距離まで第１の伝導要素を誘電基板上に半径方向に配置することによって、第１の伝導層をＰＣＳ上に形成するステップを含む（例えば、伝送層１６１ａ、誘電基板１６２、および伝導要素１１１、１１１ａ、ｂ、図１Ａ−Ｂならびに図４および６Ａ−Ｉ参照）。ステップ８０４は、ＰＣＳの中心原点からの第２の距離から第２の伝導要素を半径方向に配置することによって、第１の伝導層と反対の第２の伝導層をＰＣＳ上に形成することを含む（例えば、伝送層１６１ｂおよび伝導要素１２１、１２１ａ、ｂ、１３１、１３１ａ、ｂ、２１１、図１Ａ−Ｂならびに図２、図４、および６Ａ−Ｉ参照）。ステップ８０６は、第１の伝導要素を第２の伝導要素と終端構造を通して結合することを含む（例えば、終端構造１１５、図１Ａ参照）。ステップ８０８は、第１または第２の伝送層のうちの１つにおいて、ＰＣＳの中心原点からの第３の距離から半径方向に延びている第３の伝導要素をＰＣＳ上に形成することを含む（例えば、伝導要素１２１、１２１ａ、ｂ、１３１、１３１ａ、ｂ、２１１、図１Ａ−Ｂならびに図２、図４、および６Ａ−Ｉ参照）。ステップ８１０は、第１の伝導要素を第３の伝導要素と第２の終端構造を通して結合することを含む（例えば、終端構造１０５または１１５、図１Ａ参照）。

いくつかの実施形態では、第１の伝導要素と第２または第３の伝導要素の結合は、熱結合、電気結合、または両方のうちの任意の１つを含み得る。さらに、結合は、誘電基板を通して一方の伝導層から別の伝導層に進むビアを含む始端および／または終端構造を有する接続構成を含み得る（例えば、ビア１２５および接続構成６１５、図６Ａ−Ｉ参照）。いくつかの実施形態では、第１の伝導要素は、ＰＣＳの活性エリア内にあり、少なくとも１つの第２または第３の伝導要素は、ＰＣＳの内部エリア内にある。故に、終端構造は、空間制約に起因して、ＰＣＳ上に半径方向に向けられ得る（例えば、終端構造１０５）。いくつかの実施形態では、第２または第３の伝導要素が、ＰＣＳの周縁エリア内にあるとき、終端構造は、ＰＣＳ上に角度を付けて向けられ得る（例えば、終端構造１１５）。

当業者は、本発明が、その精神および不可欠な特性から逸脱することなく、他の具体的形態で具現化され得ることを認識するであろう。前述の実施形態は、したがって、あらゆる点において、本明細書に説明される本発明の限定ではなく、例証と見なされるものとする。本発明の範囲は、したがって、前述の説明によってではなく、添付の請求項によって示され、請求項の均等性の意味および範囲内で生じる、あらゆる変更は、したがって、その中に包含されること

Claims (28)

1. 固定子であって、前記固定子は、
   少なくとも１つの誘電層および複数の伝導層を備えている平面複合構造（ＰＣＳ）であって、前記ＰＣＳは、中心原点および周縁によって少なくとも部分的に特徴付けられている、ＰＣＳと、
   前記ＰＣＳの前記中心原点から前記周縁に向かって距離ｒ_１まで半径方向に延びている複数の第１の伝導要素であって、前記複数の第１の伝導要素は、前記ＰＣＳ上に角度を付けて配置され、各第１の伝導要素は、好ましい終端構造内で終端されている、複数の第１の伝導要素と、
   前記ＰＣＳの前記周縁に向かって前記中心原点からの半径ｒ_２から半径方向に延びている複数の第２の伝導要素であって、前記複数の第２の伝導要素は、前記ＰＣＳ上に角度を付けて配置されている、複数の第２の伝導要素と
   を備え、
   前記第１の伝導要素のうちの少なくとも１つは、接続構成に従って、前記好ましい終端構造において前記第２の伝導要素のうちの少なくとも１つに接続されている、固定子。
2. ｒ_１＜ｒ_２である、請求項１に記載の固定子。
3. ｒ_１＝ｒ_２である、請求項１に記載の固定子。
4. 前記第１の伝導要素のうちの少なくとも１つは、銅、炭素、または任意の他の導電性材料を含む、請求項１に記載の固定子。
5. 前記第２の伝導要素のうちの少なくとも１つは、銅、炭素、または任意の他の熱伝導性材料を含む、請求項１に記載の固定子。
6. 前記好ましい終端構造は、ハンマーヘッド構成を含む、請求項１に記載の固定子。
7. 前記接続構成は、熱接続を備えている、請求項１に記載の固定子。
8. 前記接続構成は、電気接続を備えている、請求項１に記載の固定子。
9. 前記第１の伝導要素のうちの少なくとも１つおよび前記第２の伝導要素のうちの少なくとも１つは、異なる伝導層上に位置している、請求項１に記載の固定子。
10. 前記接続構成は、熱接続を備えている、請求項９に記載の固定子。
11. 前記熱接続は、前記ＰＣＳの周縁に向かって前記中心原点からの半径ｒ_３から半径方向に延び、前記ＰＣＳ上に角度を付けて配置されている複数の第３の伝導要素を備え、前記第３の伝導要素のうちの少なくとも１つと前記第２の伝導要素のうちの少なくとも１つとは、一致し、それらは、異なる伝導層上に位置している、請求項１０に記載の固定子。
12. ｒ_２＜ｒ_３である、請求項１１に記載の固定子。
13. 前記接続構成は、電気接続を備えている、請求項９に記載の固定子。
14. 前記電気接続は、前記伝導層のうちの１つ上で始まり、前記伝導層のうちの別のもの上で終わる少なくとも１つのビアを備えている、請求項１３に記載の固定子。
15. 固定子であって、前記固定子は、
    少なくとも１つの誘電層および少なくとも１つの伝導層を備えている平面複合構造（ＰＣＳ）であって、前記ＰＣＳは、中心原点および周縁によって少なくとも部分的に特徴付けられている、ＰＣＳと、
    前記ＰＣＳの前記周縁に向かって前記中心原点からの開始半径ｒ_０から半径方向に延びている複数の第１の伝導要素であって、前記複数の第１の伝導要素は、前記ＰＣＳ上に角度を付けて配置され、各第１の伝導要素は、好ましい開始構造において始まる、複数の第１の伝導要素と、
    前記中心原点からの半径ｒ_−１から前記ＰＣＳの中心原点に向かって半径方向に延びている複数の第２の伝導要素であって、前記複数の第２の伝導要素は、前記ＰＣＳ上に角度を付けて配置されている、複数の第２の伝導要素と
    を備え、
    前記第１の伝導要素のうちの少なくとも１つは、接続構成に従って、前記好ましい開始構造において前記第２の伝導要素のうちの少なくとも１つに接続されている、固定子。
16. ｒ_−１＜ｒ_０である、請求項１５に記載の固定子。
17. ｒ_−１＝ｒ_０である、請求項１５に記載の固定子。
18. 前記第１の伝導要素のうちの少なくとも１つは、銅、炭素、または任意の他の導電性材料を含む、請求項１５に記載の固定子。
19. 前記第２の伝導要素のうちの少なくとも１つは、銅、炭素、または任意の他の熱伝導性材料を含む、請求項１５に記載の固定子。
20. 前記好ましい開始構造は、半径方向ビアブロック構成を含む、請求項１５に記載の固定子。
21. 前記接続構成は、熱接続を備えている、請求項１５に記載の固定子。
22. 前記接続構成は、電気接続を備えている、請求項１５に記載の固定子。
23. 前記第１の伝導要素のうちの少なくとも１つと前記第２の伝導要素のうちの少なくとも１つとは、異なる伝導層上に位置している、請求項１５に記載の固定子。
24. 前記接続構成は、熱接続を備えている、請求項２３に記載の固定子。
25. 前記熱接続は、前記中心原点からの半径ｒ_−２から前記ＰＣＳの中心原点に向かって半径方向に延びている複数の第３の伝導要素であって、前記複数の第３の伝導要素は、前記ＰＣＳ上に角度を付けて配置されている、複数の第３の伝導要素を備え、前記第３の伝導要素のうちの少なくとも１つと前記第２の伝導要素のうちの少なくとも１つとは、一致し、それらは、異なる伝導層上に位置している、請求項２４に記載の固定子。
26. ｒ_−２＜ｒ_−１である、請求項２５に記載の固定子。
27. 前記接続構成は、電気接続を備えている、請求項２３に記載の固定子。
28. 前記電気接続は、前記伝導層のうちの１つ上で始まり、前記伝導層のうちの別のもの上で終わる少なくとも１つのビアを備えている、請求項２３に記載の固定子。