WO2003019652A2 - Verfahren zum befestigen eines elektrischen elements sowie baueinheit mit danach befestigtem elektrischen element - Google Patents

Verfahren zum befestigen eines elektrischen elements sowie baueinheit mit danach befestigtem elektrischen element Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for fastening an electrical element, in particular a diode, and a structural unit according to the type of the independent patent claim.
  • the method according to the invention for fastening an electrical element, in particular a diode, with the features of the main claim has the advantage that the pressure between the insert and the bore in the supporting body can be further reduced, and yet a good hold of the electrical element in the supporting body and also one good thermal transition between the electrical element and supporting body can be achieved.
  • the failure rates of the electrical elements are reduced because the press-in forces are reduced.
  • the stamp has a generally conical shape
  • the effect of displacing the material towards the insert is particularly well reinforced, and stamping forces can be reduced. On the one hand, this reduces the energy consumption in the manufacturing process and, on the other hand, the reliability in the displacement process is improved.
  • material can be displaced particularly in the area of the end face, ie on the end face of the insert facing away from the connecting wire. This is an area that behaves, for example, with a diode. is far from the diode chip, so that the risk of destroying it is particularly low here.
  • the position of the support body does not need to be changed in the direction of the connecting wire before and after the joining process, since both stamps press on the support body at the same time.
  • An annular support body for example, only needs to be rotated about its ring axis.
  • a uniform displacement around the insert is achieved in that the stamp and the counter-stamp are each formed in a ring.
  • a particularly uniform and central, i.e. Dl The plate thickness of the support body symmetrical displacement of the material from the support body is achieved in that both the punch and the counter-punch have a generally conical shape.
  • a structural unit for electrical machines manufactured according to the individual method steps has particularly reliable supporting bodies with electrical elements, since the electrical elements are particularly little damaged beforehand.
  • FIG. 1 show exemplary embodiments of methods according to the invention for fastening electrical elements, in particular power diodes in supporting bodies, and a structural unit for electrical machines with electrical elements pressed in by the methods.
  • FIG. 1 shows a power diode before it is pressed into a supporting body
  • FIG. 2 shows the power diode pressed into the supporting body
  • FIG. 3 shows the power diode before material is displaced towards the diode base
  • FIG. 4 shows how material is displaced towards the diode base by the stamp
  • FIG. 5 shows a variant of the method, the stamp and the counter-stamp each having a generally conical shape
  • FIG. 6 shows a rectifier assembly for electrical machines with a supporting body in which at least one diode is fastened using the method according to the invention.
  • a diode - designed as a power diode 20 - and a support body 23 is shown as an electrical element.
  • the power diode 20 consists of three different sections. The first section is the insert designed as a diode base 26, sometimes also referred to as a heat sink, the second section is the actual rectifier part 29, from which the third section extends the diode head wire 32 as a connecting wire.
  • the support body 23 has an opening 35, which is usually designed as a cylindrical bore.
  • the diode base 26 is usually designed as a cylindrical part and has an illustrated corrugation on its outer circumference.
  • the opening 35 is usually somewhat smaller in diameter than the diameter of the diode base 26, so that the power diode 20 with its diode base 26 can only be pressed into the opening 35 with considerable effort.
  • the opening 35 is also made with a smaller diameter than the diameter of the diode base 26.
  • the fit between opening 35 and Diode base 26 changed in such a way that the force required for mounting the diode base 26 in the opening 35 is reduced compared to the prior art.
  • the power diode 20 with its diode base 26 is pressed into the opening 35, so that the state shown in FIG. 2 results.
  • a stamp 40 and a counter stamp 43 are required.
  • the support body 23 with the power diode 20 is brought into contact with the counter-punch 43 with a surface 46 of the support body 23.
  • the counter-punch 43 has a generally hollow cylindrical shape, the rectifier part 29 and the diode head wire 32 extending within a hollow cylindrical part 49.
  • the support body 23 has a counter surface 52 opposite the surface 46.
  • a stamp 40 and a counter stamp 43 in turn cause the material of the support body 23 to be displaced towards the diode base 26.
  • the counter-stamp 43 is, however, designed in exactly the same way as the stamp 40, i.e.
  • the counter-punch 43 also has a generally conical or hollow-conical shape 55, which is suitable for applying a radial force with which material of the support body 23, also starting from the counter-punch 43, is displaced toward the diode base 26.
  • the support plate 23 is also first placed on the counter-punch 43 and the punch 40 is moved towards the counter-surface 52.
  • the stamp 40 penetrates with its conical shape 55 into the material of the support body 23.
  • actio is equal to "reactio” and due to the conical shape 55 of the counter-punch 43, the counter-punch 43 with its conical shape 55 also penetrates into the material of the support body 23 and thereby also displaces the material of the support body 23 from the Surface 46 forth to the diode base 26. Then, as in the exemplary embodiment according to FIGS. 3 and 4, both the punch 40 and the counter-punch 43 are lifted off the support body 23 and finally the support body 23 with the fully assembled power diode 20 is removed from the production device.
  • the punch 40 or the counter-punch 43 each have a conical or hollow-conical shape 55.
  • a rectifier unit 65 as is required for three-phase generators for motor vehicles, is shown schematically as a unit.
  • the rectifier assembly 65 has at least one support body 23 carrying a power diode 20, the at least one power diode 20 being fastened in accordance with one of the previously described methods.
  • the power diodes 20 are surrounded by the recognizable bruises 70 at several points.
  • the dimension of the opening 35 and the diameter of the diode base 26 can alternatively also be designed as a clearance fit.
  • the pressure between the diode 20 and the support body 23 is then produced only by displacing the support body material.
  • the displacement can then also be carried out according to one of the exemplary embodiments described above.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Befestigen eines elektrischen Elements, insbesondere einer Diode (20), mit einem Einsatz insbesondere Diodensockel (26), in einem Tragkörper (23) vorgeschlagen, wobei der Einsatz, insbesondere der Diodensockel (26), in eine Öffnung (35) des Tragkörpers (23) eingesetzt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt um den Einsatz herum Material des Tragkörpers (23) zum Einsatz hin verdrängt wird, um eine feste Verbindung zwischen dem elektrischen Element und dem Tragkörper (23) zu erhalten.

Description

Verfahren zum Befestigen eines elektrischen Elements sowie Baueinheit mit danach befestigtem elektrischen Element
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung eines elektrischen Elements, insbesondere einer Diode sowie eine Baueinheit nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs .
Aus der europäischen Patentschrift 0 329 722 Bl ist bekannt, dass elektrische Elemente, ausgeführt als Dioden, für Gleichrichterbaueinheiten von Drehstromgeneratoren in Auf- nahmebohrungen von Tragkörpern durch Pressen eingesetzt werden. Dazu wird in einfacher Weise in einen Tragkörper eine Bohrung eingebracht, die in Zusammenwirkung mit einem Diodensockel eine Presspassung ergibt. Der Diodensockel bzw. die Diode wird danach in diese Bohrung eingepresst. Bei dieser Ausführung ist nachteilig, dass die Bohrung verhältnismäßig klein sein muss, um einerseits einen sicheren Halt der Diode in der Bohrung zu gewährleisten und andererseits auch einen ausreichenden Wärmeübergang von der Diode zum Tragkörper zu sichern. Damit verbunden ist, dass die hohen Einpresskräfte zur Deformation des Diodensockels und damit zu einer Vorschädigung des eingebauten Diodenchips führen können. Derartig eingepresste Dioden können verhältnismäßig früh ausfallen. Desweiteren führen mechanische Toleranzen am Diodensockel und in der Bohrung zu teilweise nicht optimalen thermische Übergängen zwischen Dioden und Tragkörpern, was zu hohen Temperaturen an den Dioden und m der Folge zu Ausfallen im Betrieb fuhren kann
Vorteile der Erfindung
Das erfmdungsgemaße Verfahren zum Befestigen eines elektrischen Elements, insbesondere einer Diode, mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, dass die Pressung zwischen Einsatz und Bohrung im Tragkorper weiter verringert werden kann, und dennoch ein guter Halt des elektrischen Elements im Tragkorper und auch ein ebenso guter thermischer Übergang zwischen elektrischem Element und Tragkorper erreicht werden kann. Die Ausfallraten der elektrischen Elemente sind verringert, da die Einpresskräfte verringert sind.
Durch die m den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen s nd vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens zum Befestigen eines elektrischen Elements nach dem Hauptanspruch möglich.
Wird mittels eines Stempels Material des Tragkorpers durch eine Radialkraft zum Einsatz hm verdrängt, so ist das Verfahren einfach und kostengünstig.
Weist der Stempel eine allgemein konische Form auf, so wird der Effekt des Verdrangens des Materials zum Einsatz hin besonders gut verstärkt, Stempelkrafte können verringert werden. Dadurch sinkt einerseits der Energiemsatz beim Fertigungsverfahren und andererseits wird die Zuverlässigkeit beim Verdrangungsprozess verbessert Weist nur der Stempel eine allgemein konische Form auf, kann besonders im Bereich der Stirnflache, d.h. auf der dem Anschlussdraht abgewandten Stirnflache des Einsatzes Material verdrangt werden. Dies ist e n Bereich, der beispielsweise bei einer Diode verhalt- nismäßig weit vom Diodenchip entfernt ist, so dass die Gefahr diesen zu zerstören hier besonders gering is .
Wird die Axialkraft des Stempels von einem Gegenstempel aufgenommen, braucht die Lage des Tragkörpers vor und nach dem Fügevorgang in Richtung des Anschlussdrahtes nicht verändert werden, da beide Stempel gleichzeitig auf den Tragkörper drücken. Ein beispielsweise ringförmiger Tragkörper braucht nur um seine Ringachse gedreht zu werden.
Ein gleichmäßiges Verdrängen rund um den Einsatz wird dadurch erreicht, indem der Stempel und der Gegenstempel jeweils ringförmig ausgebildet sind.
Eine besonders gleichmäßige und zentrale, d.h. Dzgl . der Plattenstärke des Tragkörpers symmetrische Verdrängung des Materials vom Tragkörper wird dadurch erreicht, indem sowohl der Stempel als auch der Gegenstempel eine allgemein konische Form aufweisen.
Eine nach den einzelnen Verfahrensschritten hergestellte Baueinheit für elektrische Maschinen weist besonders zuverlässige Tragkörper mit elektrischen Elementen auf, da die elektrischen Elemente besonders wenig vorgeschädigt werden.
Zeichnungen
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele erfindungsgemä- ßer Verfahren zum Befestigen von elektrischen Elementen, insbesondere von Leistungsdioden in Tragkörpern sowie eine Baueinheit für elektrische Maschinen mit nach den Verfahren eingepressten elektrischen Elementen dargestellt.
Figur 1 zeigt eine Leistungsdiode vor dem Einpressen in einen Tragkörper, Figur 2 zeigt die in den Tragkörper eingepresste Leistungsdiode,
Figur 3 zeigt die Leistungsdiode vor dem Verdrängen von Material zum Diodensockel hin,
Figur 4 zeigt wie durch den Stempel Material zum Diodensok- kel hin verdrängt ist,
Figur 5 zeigt eine Variante des Verfahrens, wobei der Stempel und der Gegenstempel jeweils eine allgemein konische Form aufweisen,
Figur 6 zeigt eine Gleichrichterbaueinheit für elektrische Maschinen mit einem Tragkörper, in dem zumindest eine Diode nach dem erfindungsgemäßen Verfahren befestigt ist.
Beschreibung
In Figur 1 ist als elektrisches Element eine Diode - ausgeführt als eine Leistungsdiode 20 - und ein Tragkörper 23 dargestellt. Die Leistungsdiode 20 besteht aus drei verschiedenen Abschnitten. Der erste Abschnitt ist der als Diodensockel 26 ausgeführte Einsatz, gelegentlich auch als Kühlkörper bezeichnet, der zweite Abschnitt ist der eigentliche Gleichrichterteil 29, aus dem heraus sich als dritter Abschnitt der Diodenkopfdraht 32 als Anschlussdraht erstreckt. Der Tragkörper 23 hat eine Öffnung 35, die üblicherweise als zylindrische Bohrung ausgeführt ist. Der Diodensockel 26 ist in der Regel als zylindrisches Teil ausgeführt und weist an seinem Außenumfang eine dargestellte Riffeiung auf. Die Öffnung 35 ist üblicherweise im Durchmesser etwas kleiner als der Durchmesser des Diodensockels 26, so dass die Leistungsdiode 20 mit ihrem Diodensockel 26 nur mit erheblichem Kraftaufwand in die Öffnung 35 einzupressen ist . Bei der vorliegenden Erfindung wird im ersten Ausführungsbeispiel weiterhin die Öffnung 35 mit einem kleineren Durchmesser ausgeführt als der Durchmesser des Diodensockels 26 ist. Allerdings ist das Passmaß zwischen Öffnung 35 und Diodensockel 26 derart verändert, dass die zur Montage des Diodensockels 26 in die Öffnung 35 erforderliche Kraft gegenüber dem Stand der Technik verringert ist.
Im ersten Schritt wird die Leistungsdiode 20 mit ihrem Diodensockel 26 in die Öffnung 35 eingepresst, so dass sich der in Figur 2 dargestellte Zustand ergibt.
Anhand der Figuren 3 und 4 wird nachfolgend erläutert, wie in einem weiteren Schritt um den Diodensockel 26 herum Material des Tragkörpers 23 zum Diodensockel 26 hin verdrängt wird. Im ersten Ausführungsbeispiel ist dazu ein Stempel 40 und ein Gegenstempel 43 erforderlich. Der Tragkörper 23 mit der Leistungsdiode 20 wird dazu mit einer Oberfläche 46 des Tragkörpers 23 an den Gegenstempel 43 zur Anlage gebracht . Der Gegenstempel 43 hat eine allgemein hohlzylindrische Form, wobei der Gleichrichterteil 29 und der Diodenkopfdraht 32 sich innerhalb eines hohlzylindrischen Teils 49 erstrek- ken. Der Tragkörper 23 weist eine der Oberfläche 46 gegenüberliegende Gegenoberfläche 52 auf. Liegt der Tragkörper 23 am Gegenstempel 43 an, wird mittels des ebenfalls hohlzyl indrisch ausgeführten Stempels 40 Material des Tragkörpers 23 zum Diodensockel 26 hin verdrängt. Dazu wird der Stempel 40 auf die Gegenoberfläche 52 zu bewegt, eine allgemein konische zum Beispiel eine hohlkonische Form 55 des Stempels 40 dringt schließlich in das Material des Tragkörpers 23 ein, Figur 4, und verdrängt durch die Schrägstellung der konischen Form des Stempels 40 Material des Tragkörpers 23 in Richtung zu einer Achse 58 der Leistungsdiode 20. Durch die konische Form 55 des Stempels 40 wird eine Radialkraft erzeugt, die schließlich die Verdrängung des Materials zum Diodensockel 26 hin bewirkt. Eine allgemeine Axialkraft des Stempels 40, die zur Materialverdrängung schließlich notwendig ist, wird vom Gegenstempel 43 aufgenommen. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Figur 3 bzw. Figur 4 wird kurz auf ein zweites Ausführungsbeispiel nach Figur 5 eingegangen.
In ähnlicher Weise bewirken hier wiederum ein Stempel 40 und ein Gegenstempel 43 die Verdrängung des Materials des Tragkörpers 23 zum Diodensockel 26 hin. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel ist der Gegenstempel 43 jedoch genauso wie der Stempel 40 ausgebildet, d.h. auch der Gegenstempel 43 weist eine allgemein konische bzw. hohlkonische Form 55 auf, die dazu geeignet ist, eine Radialkraft aufzubringen mit der auch vom Gegenstempel 43 ausgehend Material des Tragkörpers 23 zum Diodensockel 26 hin verdrängt wird. In analoger Weise zum Ausführungsbeispiel nach Figur 3 und Figur 4 wird auch hier die Tragplatte 23 zunächst an den Gegenstempel 43 angelegt und der Stempel 40 auf die Gegenoberfläche 52 zubewegt. Der Stempel 40 dringt mit seiner konischen Form 55 in das Material des Tragkörpers 23 ein. Gemäß dem allgemeinen Grundsatz „actio" gleich „reactio" und aufgrund der konischen Form 55 des Gegenstempels 43 dringt auch der Gegenstempel 43 mit seiner konischen Form 55 in das Material des Tragkörpers 23 ein und bewirkt dabei auch ein Verdrängen des Materials des Tragkörpers 23 von der Oberfläche 46 her zum Diodensockel 26. Anschließend wird wie auch beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 und Figur 4 sowohl der Stempel 40 als auch der Gegenstempel 43 vom Tragkörper 23 abgehoben und schließlich der Tragkörper 23 mit der fertigmontierten Leistungsdiode 20 aus der Fertigungseinrichtung entfernt .
Prinzipiell ist nicht erforderlich, dass der Stempel 40 oder der Gegenstempel 43 jeweils eine konische bzw. hohlkonische Form 55 aufweisen. Prinzipiell ist ein Verdrängen des Materials des Tragkörpers 23 zum Diodensockel 26 hin mit einem Stempel 40 möglich, der genauso wie der Gegenstempel 43 in Figur 3 ausgebildet ist, so dass praktisch sowohl von der Oberfläche 46 als auch von der Gegenoberfläche 52 zwei im Grunde genommen stumpfe Stempel 40, 43 ein Verdrängen des Materials ermöglichen.
In Figur 6 ist schematisch als Baueinheit eine Gleichrichterbaueinheit 65 dargestellt, wie sie für Drehstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge erforderlich ist. Die Gleichrichterbaueinheit 65 weist zumindest einen eine Leistungsdiode 20 tragenden Tragkörper 23 auf, wobei die zumindest eine Leistungsdiode 20 gemäß einem der zuvor beschriebenen Verfahren befestigt ist. Die Leistungsdioden 20 sind an mehreren Stellen von den erkennbaren Quetschungen 70 umgeben.
Das Maß der Öffnung 35 und der Durchmesser des Diodensockels 26 können alternativ auch als Spielpassung ausgelegt sein. Die Pressung zwischen der Diode 20 und dem Tragkörper 23 wird dann erst durch das Verdrängen des Tragkörpermaterials hergestellt. Das Verdrängen kann dann ebenfalls gemäß einem der voraus beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Befestigen eines elektrischen Elements, insbesondere einer Diode, mit einem Einsatz, insbesondere Diodensockel (26) , in einem Tragkörper (23) , wobei der Einsatz in eine Öffnung (35) des Tragkörpers (23) eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einem weiteren Schritt um den Einsatz herum Material des Tragkörpers (23) zum Einsatz hin verdrängt wird, um eine feste Verbindung zwischen dem elektrischen Element und dem Tragkörper (23) zu erhalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mittels eines Stempels (40) zum Einsatz hin durch eine Radialkraft verdrängt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stempel (40) eine allgemein konische Form (55) aufweist .
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Axialkraft des Stempels (40) von einem Gegen- Stempel (43) aufgenommen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Stempel (40, 43) ringförmig ausgebildet ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstempel (43) ebenfalls eine allgemein konische Form (55) aufweist und dadurch ebenfalls durch eine Radialkraft Material zum Einsatz hin verdrängt wird.
7. Baueinheit für elektrische Maschinen mit zumindest einem zumindest ein elektrisches Element, insbesondere eine Diode (20) tragenden Tragkörper (23), dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine elektrische Element nach einem der Verfahrensschritte gemäß der Ansprüche 1 bis 6 befestigt ist.
8. Baueinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (23) an zumindest einer Stelle um das elektrische Element herum eine Quet- schung aufweist .
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