用于旋转变压器的旋转式整流器的制作方法

本发明涉及一种用于旋转变压器的旋转式整流器，所述旋转式整流器具有多个、优选具有至少四个半导体单元并且具有至少一个触点元件，以及涉及一种具有旋转式整流器的旋转变压器的转子。另外，本发明涉及一种用于制造用于旋转变压器的旋转式整流器的方法。

背景技术：

1、de 102020216485a1示出一种用于感应式外部激励的同步电机的电整流器。在该电整流器中，在电路板上布置有整流器电路。在此，整流二极管以靠近旋转轴线的方式布置在空心柱体的外侧上。由于小的旋转速度，靠近旋转轴线的布置是有利的。然而，由于布置在空心柱体的外侧上，离心力对整流二极管产生不利影响，并且必须通过相应的二极管壳体来保护整流二极管。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，为开头提到的类型的旋转式整流器提供改进的或者至少替代的实施方式，尤其是将半导体单元的简单装配与关于起作用的离心力的优化定位相结合。

2、根据本发明，该任务通过独立权利要求的主题来解决。对实施方式的陈述是从属权利要求的主题。

3、在当前情况下，提出一种用于旋转变压器的旋转式整流器，该旋转式整流器具有多个、优选具有至少四个半导体单元并且具有至少一个触点元件，其中，所述半导体单元如此互连，使得所施加的交流电压被整流，并且其中，至少一个浇铸料至少部分地包围半导体单元和/或触点元件，并且半导体单元布置在相对于旋转轴线倾斜且面向该旋转轴线的面上。

4、旋转变压器是如下变压器：在该变压器中，次级绕组可以相对于初级绕组自由旋转。旋转变压器有时也被称为转动变压器。但是，在此，所述旋转变压器应与三相变压器的一种特殊结构形式区分开，所述三相变压器同样有时被称为转动变压器，但是在此指的并不是三相变压器。旋转变压器的转子包含次级绕组，并且优选围绕旋转轴线旋转对称地构造。如在任意变压器中那样，在该旋转变压器中，也借助感应将能量从初级侧传输到次级侧。因此，旋转变压器可以在那里在如下任意位置使用：在所述位置处，应向旋转的构件传输电能，而不需要与不旋转的元件机械接触。

5、旋转变压器单元可以在感应式外部激励的同步电机中使用。感应式外部激励的同步电机在其转子中需要直流电压，用于产生转子磁场。该过程被称为转子激励。

6、传统地，在同步电机中，转子中的磁场通过永磁体或者通过线圈借助经由碳刷滑环触点进行的电流供应而产生。这样做的缺点是，碳刷尤其在高转数的情况下由于磨损而损耗，并且在此可能产生不期望的导电碳尘。

7、而旋转变压器可以将用于转子中的线圈中的电流的能量传输以无接触并且因此无损耗的方式传输到转子上。这样的同步电机无需具有包含稀土的永磁体，并且由于感应式能量传输也不具有如在借助滑动触点进行能量传输的情况下那样的相应损耗。

8、如果在感应式外部激励的同步电机中使用旋转变压器，则初级侧位于该感应式外部激励的同步电机的定子中并且次级侧位于该感应式外部激励的同步电机的转子中。

9、在此，能量传输以交变磁场的形式发生，该交变磁场在转子中的次级绕组中感应出交流电压。该交流电压需要被整流，以便在转子中的另外的线圈中产生磁场。为此，在转子中需要旋转式整流器。该旋转式整流器包含功率电子装置半导体结构元件，并且需要针对存在于转动的转子中的高离心力来设计。

10、旋转式整流器具有多个半导体结构元件。这可以是功率电子装置构件、尤其是整流二极管或者晶体管。半导体单元可以是单个的半导体结构元件或者半导体单元可以具有多个半导体结构元件、尤其是完整的电路。

11、除了半导体单元之外，可以存在有另外的电子构件。这可以是半导体结构元件和/或例如电阻和/或电容器。也可以存在有另外的电子电路。另外的电子构件和/或电子电路可以同样布置在相对于旋转轴线倾斜且面向该旋转轴线的面上。电子电路可以例如是rc元件和/或所谓的“阻尼器(snubber)”，用于阻尼高频振动。

12、在运行中，感应式外部激励的同步电机的转子并且因此旋转变压器的转子也可以具有在15000rpm–20000rpm的数量级上的高转速。在这些转速的情况下，非常高的离心力作用到转子的所有部件上并且因此也作用到旋转式整流器的所有部件上。因此，在构造转动变压器时重要的是，如此布置电半导体单元，使得离心力尽可能少地对这些半导体单元产生负面影响。在此有利的是，将半导体单元布置在相对于旋转轴线倾斜且面向该旋转轴线的面上。转动运动中的离心力在径向上从旋转轴线向外起作用。因此，关于离心力，如下布置是理想的：在该布置中，半导体单元通过该力进一步被压到所述半导体单元所布置的面上。例如在布置在空心柱体的内侧上时，是这种情况。在此，离心力会完全作为法向力作用到相应的半导体单元上。然而，这样的布置在半导体单元的装配方面是相对较费事的。在制造方面，理想的是布置在平坦的面上。但是，在此，离心力会完全侧向地作用到半导体单元上，并且会存在剥离、剪切或者滑脱的风险。因此，布置在倾斜面上，是在两个要求方面的最优方案。所述面相对于旋转轴线的斜度可以如此构造，使得倾斜面向外倾斜并且旋转轴线和倾斜面彼此之间成锐角。在一种有利的变型中，旋转轴线与倾斜面之间的角度为45°+/-20°。同样重要的是，该面面向旋转轴线。该面是三维体的面。面向旋转轴线的面是如下面：该面相对于旋转运动(然而不必然相对于该三维体)位于该三维体的内侧。由于该面相对于旋转轴线倾斜，因此，面的法向量和旋转轴线既不垂直也不平行。因此，面的法向量能够分解为平行于旋转轴线的分量和垂直于旋转轴线的分量。在此，垂直于旋转轴线的分量在旋转轴线的方向上定向，并且不在远离旋转轴线的方向上定向。在这样的斜度的情况下，半导体单元可以继续施加到所述面“上”，与在平坦的布置的情况下相似，但是不需要费事的用于安装在空心柱体的内侧上的方法。同时，作用到该构件上的离心力分为两个分量。垂直于倾斜面的分量用作法向力，并且有利地将该构件压到该面上，并且仅平行于倾斜面的分量产生不利影响，但是不足够大到导致构件的滑脱或者撕裂/撕脱(abreiβen)。

13、例如，半导体单元可以借助“键合(bonding)”或者夹紧或者焊接或者烧结施加在相应的面上。

14、“半导体单元布置在旋转式整流器的相应的面上”不意味着，所述半导体单元必须与相应的面直接接触。一般而言，重要的是，半导体单元朝向由导电材料构成的面电绝缘。因此，在半导体单元与相应的面之间，可以布置有绝缘层、例如电路板或者电绝缘且导热的“热垫(thermopads)”。

15、半导体单元可以在不具有附加的壳体的情况下施加在相应的面上并且通过浇铸料被保护。有利地，所有半导体单元可以布置在同一浇铸料中，即可以通过该浇铸料相互连接。

16、浇铸料可以保护半导体单元以防有害的外部影响。浇铸料可以是电绝缘且导热的。例如，可以使用基于环氧树脂、硅酮、聚氨酯或者丙烯酸盐的浇铸料。可能的是，每个半导体单元和至少一个触点元件分别被单独的浇铸料至少部分地包围。可能的是，浇铸料至少部分地包围多个半导体单元中的多个半导体单元或者所有半导体单元和至少一个触点元件。

17、触点元件适合用于，使得可以从旋转式整流器外部电接触在半导体单元内部实现的电构件。至少一个触点元件可以如此布置在浇铸料中，使得该触点元件可以至少在一侧上从该浇铸料外部被接触。一个或者多个结构元件或者结构单元可以例如经由键合引线与同一触点元件连接。

18、优选地，半导体单元是或者包含半导体结构元件和/或集成电路和/或半导体芯片和/或半导体晶片。

19、集成电路是如下电路：该电路在相对较薄的半导体薄片上实现。集成电路可以由真正的带有在其上实现的电路的半导体薄片以及壳体组成。真正的带有在其上实现的电路的半导体薄片也可以被称为芯片或者半导体芯片或者晶片或者半导体晶片。在当前情况下，由于半导体单元被浇铸材料保护，因此所述半导体单元不必然需要壳体。因此，优选地，使用芯片或者微型芯片或者半导体芯片或者晶片或者半导体晶片。

20、集成电路、半导体芯片或者半导体晶片可以具有半导体结构元件。

21、所述半导体结构元件可以是功率电子装置构件、尤其是整流二极管或者晶体管。

22、此外，集成电路、半导体芯片或者半导体晶片可以具有电容器和/或电阻。

23、也可能的是，半导体晶片实现具体的构件，例如整流二极管或者晶体管，并且另外的构件、例如电容器和/或电阻被单独实现。

24、半导体单元可以例如在陶瓷衬底上制成。在陶瓷衬底上可以并排布置有多个较小的板，所述板由导电材料、例如铜构成。半导体结构元件可以布置在较小的板上。在不同结构元件和/或较小的板之间，可以存在键合引线或者焊接连接部。

25、在运行中，在高达50a的数量级上的电流可以在半导体结构元件中流动。

26、在一种有利的变型中，存在有多个触点元件，并且所述触点元件是母线，并且每个半导体单元与所述母线中的至少一个母线连接。

27、半导体单元可以借助电线键合或引线键合经由键合引线与另外的部件连接。键合引线可以例如由铝、铜或者金构成，并且可以具有在10μm与500μm之间的直径。半导体单元也可以借助替代的导电触点与另外的部件连接。由导电材料构成的、通常细长的件被称为母线，该件的功能是，多个导体可以附接到该件上并且因此可以电连接在一起并且可以经由共同的附接端被接触。母线可以被称为直流导电轨(gleichstromschiene)。在此也可能的是，对于短的区段，交流电流经由直流导电轨流动，而这不造成不利效应。

28、触点元件如此布置，使得所述触点元件可以被旋转变压器的另外的构件简单地接触。尤其是，触点元件可以如此布置，使得用于布置在浇铸料内部的结构元件、例如半导体单元的电附接端可以被向外引导并且可以经由母线从外部被接触。相应的触点元件是有利的，因为具有相应的旋转式整流器的结构单元可以简单地被另外的元件接触。

29、符合目的地，旋转式整流器装配在承载元件上，和/或承载元件具有连接元件，所述连接元件用于与转子连接。在此，转子可以是旋转变压器的旋转部分。在此，转子可以是感应式外部激励的同步电机的转子，其中，该感应式外部激励的同步电机具有旋转变压器并且旋转变压器的旋转部分布置在该感应式外部激励的同步电机的转子中。有利的是，在一个稳健的结构单元中提供相应的旋转式整流器的所有元件。借助相应的承载元件，该结构单元可以被预制并且可以与该转子紧凑地连接。

30、能够设想的是，该承载元件由铝构成，并且该承载元件是旋转对称的。有利地，该承载元件由稳健的材料制成，可以良好地接收所作用的离心力，并且有利地可以与用于旋转变压器的转子的另外的元件连接。铝的突出之处尤其也在于，在良好的导热性的同时的高的机械强度。旋转对称的承载元件有利地适合用于布置在转子上。承载元件可以柱形地实施，其在中心具有柱形的留空部，该留空部适合用于容纳旋转变压器的旋转轴线。

31、替代地，可能的是，承载元件由其他材料构成，该材料在具有良好的导热性的同时具有足够的机械强度。

32、优选地，该连接元件是能够松脱的连接元件、尤其是螺旋连接部。例如，该承载元件可以是能够经由多个螺钉与旋转变压器的转子连接的。为此，可以不仅在承载元件中、还在转子中存在有多个螺旋孔，所述螺旋孔适合用于引入各一个螺钉。所述螺旋孔可以实施为具有或者不具有螺纹。

33、替代地，承载元件可以借助压配合施加在转子的轴上。这可以与螺旋接合组合，或者可以实现为唯一的紧固可能性。

34、在优选的实施方式中，旋转式整流器与承载元件一起作为预制的结构单元存在，并且该结构单元能够经由连接元件与转子连接。旋转式整流器的相应的预制是有利的，因为该旋转式整流器因此可以与剩余的旋转变压器分开地制成并且也可以容易更换。

35、有利地，承载元件具有至少一个留空部，并且该留空部具有至少一个面，该至少一个面相对于承载元件的旋转轴线以45°+/-40°的角度、优选以45°+/-20°的角度定向，并且半导体单元中的至少一个半导体单元布置在所述至少一个面上。该留空部可以例如在中心是圆形的，并且可以在此形成用于引入转子轴的留空部。该留空部可以沿着旋转轴线完全穿透该承载元件。该留空部可以以与平截头棱椎体(pyramidenstumpf)相似的方式实施。该留空部可以沿着旋转轴线朝向一端拓宽。该留空部可以在其薄的一端具有圆形的横截面，并且在其宽的一端具有矩形的、尤其是正方形的横截面。通过该留空部，在承载元件中产生一个或者多个斜的或倾斜的面。这些面可以相对于承载元件的旋转轴线以45°+/-40°的角度、优选以45°+/-20°的角度定向。这些面在留空部具有圆形的横截面的一端是弯曲的，并且在留空部具有矩形的横截面的一端是扁平的。所述留空部可以适合用于将半导体单元布置在所述留空部上。

36、此外，本发明涉及一种具有根据本发明的旋转式整流器的旋转变压器的转子。转子是旋转变压器的旋转部分，在该旋转部分中或上布置有次级绕组。在转子的次级绕组中感应出交流电压，该交流电压在旋转式整流器中被整流。因此，根据本发明的旋转式整流器集成到转子中或者以能够松脱的方式或者以不能够松脱的方式与转子连接。

37、此外，本发明包含一种用于制造根据本发明的用于旋转变压器的旋转式整流器的方法。该制造方法包括：

38、a)制造实心的承载元件，该承载元件具有至少一个面，所述至少一个面关于该旋转变压器的旋转轴线倾斜且面向所述旋转轴线，

39、b)将多个半导体单元安装在所述至少一个面中的至少一个面上，

40、c)对所述半导体单元进行浇铸/浇注(vergieβen)，

41、d)经由连接元件将旋转式整流器紧固在旋转变压器的转子上。

42、根据本发明的方法能够实现，完全与旋转变压器和其转子无关地在承载元件上制成旋转式整流器。在最后一个步骤中才将该旋转式整流器紧固在转子上。

43、在此，在实心的承载元件中实现一个或者多个留空部。中央的留空部具有多个倾斜地布置的面。另外，该实心的承载元件可以具有另外的留空部、例如用于布置螺钉的留空部。

44、在步骤b)中，半导体单元安装在至少一个倾斜地布置的面中的至少一个面上。在此，显示出本发明的关键性优点。半导体单元可以——如果将承载元件的旋转轴线视为垂直的轴线——直接从上方引入到该承载元件中并且紧固在倾斜地布置的面上。如果所述面同样是垂直的、即平行于旋转轴线，则需要布置在空心柱体的内侧上，这在装配方面明显是更困难的。与此不同，施加有半导体单元的面垂直于旋转轴线的布置同样是不利的。如此，虽然制造更简单，但是在运行中作用到半导体单元上的离心力如此高且成如此不利的角度，使得存在构件撕裂的危险。布置在倾斜面上将两个缺点最小化。能够从上方引入或安装在承载元件中，但是离心力在运行中不过强地对半导体单元的紧固产生负面影响。

45、在将半导体单元布置在倾斜面上之前，可以进行中间步骤a2)，在该中间步骤中，应对应布置半导体单元的部位进行再加工，以便实现较小的不平度或粗糙度。

46、在步骤b)中，除了半导体单元之外，还可以安装另外的电子构件。

47、“在步骤b)中，半导体单元布置在旋转式整流器的相应的面上”不意味着，所述半导体单元必须与相应的面直接接触。一般而言，重要的是，半导体单元朝向由导电材料构成的面电绝缘。因此，在半导体单元与相应的面之间，可以布置有绝缘层、例如电路板或者电绝缘且导热的“热垫”。

48、在步骤c)中，对半导体单元进行浇铸。该浇铸料可以例如基于环氧树脂、硅酮、聚氨酯或者丙烯酸盐。在此，铸造料可以直接铸造到承载元件中的留空部中。然后，该材料硬化。

49、在步骤d)中，完成的、稳健的构件可以紧固在旋转变压器的转子上，该构件包含承载元件上的旋转式整流器。为此，使用连接元件、例如螺钉。

50、优选地，在步骤b)中借助键合和/或夹紧和/或焊接和/或烧结来安装多个半导体单元。

51、用键合表示确定的连接工艺。

52、半导体单元的键合尤其可以是所谓的芯片键合。在此，芯片或晶片紧固在基板或者其他载体材料上。在此，芯片或晶片可以经由粘贴、焊接或者合金接合(anlegieren)与载体材料连接。然后，半导体单元可以借助引线键合或电线键合与另外的部件连接。在此，半导体单元可以直接键合到承载元件的面上或者例如键合到陶瓷衬底上。

53、在烧结的情况下，半导体单元可以在高温的情况下并且可选地在高压的情况下在使用烧结材料、例如箔或者膏的情况下与承载元件连接。

54、有利地，在步骤d)中对旋转式整流器的紧固包含借助螺旋连接部对旋转式整流器的机械紧固和旋转式整流器的半导体单元与布置在转子上的另外的电子结构元件的电连接。旋转式整流器不仅需要与转子机械连接，还需要与转子电连接。有利地，该机械连接可以经由螺旋连接部实现。替代地或者附加地，该机械连接可以经由压配合实现。例如，电连接能够以如下方式实现：半导体单元经由触点元件被接触，所述触点元件布置在浇铸部的外部并且所述触点元件与半导体单元导电地连接。