СТРУКТУРЫ И СПОСОБЫ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ В СТАТОРАХ С ПЕЧАТНЫМИ ПЛАТАМИ
THERMAL CONTROL STRUCTURES AND METHODS IN STATORS WITH PRINTED CIRCUIT BOARDS

Перекрестные ссылки на родственные заявки
[0001] Настоящее изобретение относится и заявляет преимущество по отношению к предварительной патентной заявке США № 62/236,407, озаглавленной STRUCTURES TO REDUCE LOSSES IN PRINTED CIRCUIT BOARD WINDINGS, и к предварительной патентной заявке США № 62/236,422, озаглавленной STURCTURES FOR THERMAL MANAGEMENT IN PRINTED CIRCUIT BOARD STATORS, обе для Стивена Р. Шава, поданные 2 октября 2015 года, содержимое которых, таким образом, содержится по ссылке в своей полноте, для всех целей.
Уровень техники
Область техники изобретения
[0002] Варианты осуществления, описанные в данном документе, в целом, относятся к области термического управления в устройствах на печатных платах. Более конкретно, варианты осуществления, которые раскрыты в данном документе, относятся к области термического управления в статорах, выполненных на печатных платах, для электромоторов и генераторов.
Связанный уровень техники
[0003] В настоящее время электромоторы и другие электронные устройства, оперирующие с высокими токами через электрические выводы на печатной плате (PCB), сталкиваются с множеством проблем, получающихся в результате большого рассеяния тепла в PCB. Некоторые из проблем включают в себя деформацию подложки, что ведет к механической поломке и деструктивным механическим помехам с ротором мотора или генератора. Кроме того, высокотемпературные градиенты в PCB могут вести к структурному повреждению PCB, такому как расслоение или локализованная поломка электрических выводов или диэлектрического материала в подложке. Редкоземельные магниты, типично используемые в машинах на печатных платах с воздушным зазором, также являются чувствительными к температуре. Если температура магнита превышает определенное значение, магниты могут деградировать и терять свое магнитное поле.
[0004] Электрические машины на печатных платах, построенные без отличительных признаков, описанных в этом описании изобретения, т.е. текущего уровня техники, применяют множество стратегий, чтобы управлять теплом.
В совокупности, эти стратегии ограничивают коммерческое применение и конкурентоспособность базовой конструкции статора с печатной платой. Эти стратегии включают в себя a) превышение номинального размера машины относительно желаемого механического работающего фрагмента, так что структура машины действует как теплоотвод, b) активное охлаждение машины, c) введение компрометирующих эффективность отличительных признаков, таких как более крупные воздушные зазоры между ротором и статором, d) ограничение машины применениями в прерывистом режиме работы и/или e) оборудование машины термочувствительными контроллерами.
Сущность изобретения
r
r
1
2
[0005] В первом варианте осуществления статор включает в себя планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и множество проводящих слоев, PCS характеризуется, по меньшей мере, частично, центральной начальной точкой и периферией. Статор может также включать в себя множество первых проводящих элементов, протягивающихся радиально на расстояние  от центральной начальной точки по направлению к периферии PCS и расположенных под углом на PCS, каждый первый проводящий элемент заканчивается предпочтительной оконечной структурой, и множество вторых проводящих элементов, протягивающихся радиально от радиуса  от центральной начальной точки по направлению к периферии PCS и расположенных под углом на PCS. Дополнительно, согласно некоторым вариантам осуществления, по меньшей мере, один из первых проводящих элементов соединяется, по меньшей мере, с одним из вторых проводящих элементов в предпочтительной оконечной структуре согласно конфигурации соединения.
0
-1
r
[0006] Во втором варианте осуществления статор включает в себя PCS, содержащую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и, по меньшей мере, один проводящий слой, PCS характеризуется, по меньшей мере, частично, центральной начальной точкой и периферией. Статор может также включать в себя множество первых проводящих элементов, протягивающихся радиально от начального радиуса r от центральной начальной точки по направлению к периферии PCS и расположенных под углом на PCS, каждый первый проводящий элемент начинается в предпочтительной начальной структуре. Дополнительно, статор может включать в себя множество вторых проводящих элементов, протягивающихся радиально от радиуса от центральной начальной точки по направлению к центральной начальной точке PCS и расположенных под углом на PCS. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, один из первых проводящих элементов соединяется, по меньшей мере, с одним из вторых проводящих элементов в предпочтительной начальной структуре согласно конфигурации соединения.
Краткое описание чертежей
[0007] Фиг. 1A иллюстрирует вид сверху статора, включающего в себя PCS, имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и множество проводящих слоев, согласно некоторым вариантам осуществлениям.
[0008] Фиг. 1B иллюстрирует вид в поперечном разрезе статора, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0009] Фиг. 2 иллюстрирует подробности статора, включающего в себя множество проводящих элементов, расположенных радиально на PCS, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0010] Фиг. 3 иллюстрирует подробности внутренней области, близкой к центральной начальной точке статора, включающего в себя множество проводящих элементов, расположенных радиально и под углом на PCS, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0011] Фиг. 4 иллюстрирует подробности внутренней области, близкой к центральной начальной точке статора, включающего в себя множество проводящих элементов, расположенных радиально, под углом и на различных проводящих слоях на PCS, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0012] Фиг. 5 иллюстрирует подробности проводящего элемента, включающего в себя оконечную структуру, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0013] Фиг. 6A-I иллюстрируют подробности различных конфигураций соединения в статоре, каждая конфигурация соединения включает в себя первый проводящий элемент, соединенный со вторым проводящим элементом в оконечной структуре, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0014] Фиг. 7A-D иллюстрируют тепловые изображения статора, включающего в себя планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и множество проводящих слоев, во время рассеивания тепла, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0015] Фиг. 8 иллюстрирует блок-схему последовательности операций в способе производства статора, включающего в себя планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и множество проводящих слоев, согласно некоторым вариантам осуществления.
[0016] На чертежах элементы и этапы, обозначенные одинаковыми или аналогичными ссылочными номерами, ассоциируются с одинаковыми или аналогичными элементами и этапами, пока не указано иное.
Подробное описание изобретения
[0017] Варианты осуществления настоящего изобретения отличаются от большинства в широкой области термического управления печатной платой в том смысле, что тепло возникает в структуре PCB-статора, и задачей вариантов осуществления изобретения является перенос этого тепла с целью защиты статора и окружающих компонентов. Множество преимуществ в последние годы фокусируются на управлении теплом, которое возникает в чувствительном компоненте, и на решениях, когда структуры на печатной плате используются в качестве теплоотвода, зачастую с целью устранения дорогостоящего дискретного компонента теплоотвода. Варианты осуществления этого изобретения применимы к одно- и многофазным (например, трехфазным) моторам и генераторам.
1
2
[0018] Фиг. 1A иллюстрирует вид сверху статора 100, включающего в себя планарную многослойную структуру (PCS) 110, имеющую, по меньшей мере, один диэлектрический слой и множество проводящих элементов 111, 121 и 131, согласно некоторым вариантам осуществления. Проводящие элементы 111, 121 и 131 могут быть частью структуры смягчения теплового воздействия в соответствии с вариантом осуществления изобретения, которая может быть использована во внешнем кольцевом пространстве PCB-структуры. PCS 110 характеризуется, по меньшей мере, частично, центральной начальной точкой 101 и периферией 102. Статор 100 включает в себя множество первых проводящих элементов 111, протягивающихся радиально на расстояние 142 (r) от центральной начальной точки 101 по направлению к периферии 102 PCS 110 и расположенных под углом на PCS, каждый первый проводящий элемент заканчивается в предпочтительной оконечной структуре 115. Дополнительно, в некоторых вариантах осуществления статор 100 включает в себя множество вторых проводящих элементов 121, протягивающихся радиально от радиуса 143 (r) от центральной начальной точки 101 по направлению к периферии 102 расположенных под углом на PCS. Соответственно, первые проводящие элементы 111 отделяются друг от друга в угловом направлении, θ, перпендикулярном радиальному направлению, r, от центральной начальной точки 101 к периферии 102. Аналогично, вторые проводящие элементы 121 отделяются друг от друга по направлению θ. В некоторых вариантах осуществления, по меньшей мере, один из первых проводящих элементов 111 соединяется, по меньшей мере, с одним из вторых проводящих элементов 121 в предпочтительной оконечной структуре 115 согласно конфигурации соединения.
[0019] Статор 100 может включать в себя множество слоев, аналогичных иллюстрированным в двухмерном виде на фиг. 1A. Множество слоев могут быть выполнены с возможностью предоставлять последовательность катушек или обмоток, которые соединяются, обычно последовательно, чтобы формировать полюса мотора или генератора. Полюса затем типично разделяются на группы, по меньшей мере, с одной группой для каждой фазы тока, подаваемого к мотору (или генерируемого генератором). В совокупности, когда правильно управляется посредством внешней электрической схемы, компоновка проводников 111, 151 и 152 на PCS 110 создает вращающую плотность тока и ассоциированное магнитное поле. Эта вращающая плотность тока (и магнитное поле) могут оказывать крутящий момент на окружающую магнитную структуру или плотность тока. Часть печатной платы с радиальными структурами ("активная область") является частью статора, предназначенной, чтобы участвовать в этом взаимодействии. Соответственно, активная область статора 100 может включать в себя проводящие элементы 111, соединенные через проводящие элементы 151 и 152, чтобы формировать вращающий ток. Некоторые варианты осуществления включают в себя два набора редкоземельных магнитов, прикрепленных к валу, проходящему через центральную начальную точку 101 PCS 110, которые формируют компактную, высокоэффективную с осевым полем синхронную электрическую машину. В дополнение к активной области, включающей в себя плотность вращающего тока, которая взаимодействует с неоднородным магнитным полем, статор 100 может включать в себя проводящие элементы 121 в периферийной области и проводящие элементы 131 во внутренней области. Соответственно, проводящие элементы 121 и 131 рассеивают тепло, создаваемое статором 100, во время работы.
[0020] Чтобы добиваться рассеивания тепла, некоторые варианты осуществления статора 100 включают в себя предпочтительные оконечные структуры 115 и предпочтительные начальные структуры 105 на одном из двух концов радиально расположенных проводящих элементов 111. Таким образом, проводящие элементы 121 в периферийной области могут быть соединены с проводящими элементами 111 через оконечные структуры 115. Проводящие элементы 131 во внутренней области могут быть соединены с проводящими элементами 111 через начальные структуры 105. Структуры 105 и 115 включают в себя конфигурацию соединения, которая может быть тепловым соединением, электрическим соединением или сочетанием обоих. Например, тепловое соединение может быть соединением, где существует физический зазор между проводящим элементом 111 и проводящим элементом 121, так что не существует электрической связности между двумя элементами. Кроме того, близость двух разъединенных элементов 111 и 121 может быть достаточной в тепловой конфигурации, чтобы эффективно передавать тепло от одного проводящего элемента другому (111 или 121).
joule
2
[0021] Тепло вырабатывается в статоре 100 посредством множества механизмов. Одним механизмом является потеря на сопротивление в токонесущих проводниках. Этот механизм вносит долю мощности, равную квадрату тока и эффективного сопротивления, т.е. P=IR.Сопротивление R может быть приблизительно пропорциональным ширине детали (например, ширине в плоскости), как видно в статоре 100, так как толщина меди и электрическое удельное сопротивление, в целом, является единообразным. В сквозном соединении, которое соединяет один слой со следующим, удельное электрическое сопротивление меди отчасти выше, чем на плоскости. Также, так как частота тока увеличивается, может быть необходимо модифицировать сопротивление R, чтобы включать в него взаимодействие тока с его собственным магнитным полем, например, эффект глубины проникновения поля. Практически, это увеличивает сопротивление для высокочастотных компонентов проводимого тока, но существенно не изменяет то, где тепло формируется на статоре.
[0022] Второй механизм формирования тепла относится к взаимодействию меди (несущей ток или нет) с изменяющимся по времени магнитным полем вследствие магнитов ротора. Для области A, ограниченной ассоциированным контуром C, существует электрическое поле вдоль контура, так что:
[0023] где направление дифференциальной области  относится к  по правилу правой руки. В проводящем материале на PCS электрическое поле  ведет к плотности вихревого тока и ассоциированным потерям везде, где существует изменяющаяся по времени плотность  магнитного потока.В целом, эти вихревые токи также оказывают влияние , приводящее к уравнению магнитной диффузии, и точное вычисление потери должно принимать это во внимание. Для дорожек радиальной активной области в узле статора, вследствие вращающего магнитного поля, уместно, что этот фрагмент статора раскрывается всякий раз, когда вал ротора двигается. Эти потери существуют в дополнение к любым связанным с проводимостью потерями, когда мотор приводится в действие посредством внешней схемы, и, в действительности, этот механизм потери существует, даже если статор 100 не соединяется с внешней схемой.
[0024] Принятие во внимание конструкции в статоре 100 подразумевает компромисс между проводимостью и потерями вихревых токов в активной области статора. Чтобы уменьшать потери проводимости, проводники должны быть шире (или соединены параллельно на последующих слоях). Чтобы уменьшать потери вихревых токов, эффективные области A, захватывающие изменяющийся по времени поток, должны быть меньше, таким образом, проводники должны быть более узкими.
[0025] Третий источник тепла подразумевает вихревые токи вследствие магнитного поля от токонесущих проводников. Этот эффект является важным для рассмотрения во внутреннем и внешнем кольцевом пространствах платы, где различные слои выполняют различные функции. Также, важно учитывать этот механизм в проектировании структур смягчения теплового воздействия.
r
r
r
1
2
1
2
[0026] Размеры и пропорции различных элементов в статоре 100 могут изменяться по желанию. В некоторых вариантах осуществления может быть желательно, чтобы радиус 142 () был равен радиусу 143 (r), приводя в результате к отсутствию зазора между одним или более проводящими элементами 111 и 121. В других вариантах осуществления радиус 142 () может быть меньше радиуса 143 (), приводя в результате к зазору между одним или более проводящими элементами 111 и 121. Аналогично, материалы, формирующие различные элементы в статоре 100, могут варьироваться по желанию, в рамках настоящего изобретения. Соответственно, по меньшей мере, один из проводящих элементов 111, 121, 131, 151 и 152 может включать в себя медь, или углерод (например, графеновый слой, или слой углеродных нанотрубок, или другие углеродные аллотропы), или медно-угольный композитный материал, или другой электропроводный материал или композитный материал. Проводящие элементы 121, 131 могут включать в себя теплопроводный материал.
[0027] Соответственно, в вариантах осуществления, согласующихся с настоящим изобретением, проводящие элементы 111, 121 и 131 действуют как проводники тепла, имеющие уменьшенные площади  для потери на вихревые токи. Дополнительно, проводящие элементы 121 могут улучшать согласованность толщины статора 100 посредством использования наслоенных медных дорожек в периферийной области. Проводящие элементы 131 являются дорожками для удаления тепла во внутренней области статора 100. В некоторых вариантах осуществления проводящие элементы 131 могут быть электрически соединены с проводящими элементами 121 через начальные структуры 105. Соответственно, начальные структуры 105 являются аналогичными оконечным структурам 115. Однако, начальные структуры 105 типично радиально распределяются вместо распределения под углом вследствие пространственных ограничений рядом с центральной начальной точкой 101.
[0028] Фиг. 1B иллюстрирует вид в поперечном разрезе статора 100, согласно некоторым вариантам осуществления. Без ограничения и в иллюстративных целях ось 'Z' показана в направлении наложения различных слоев в статоре 100, а перпендикулярная ось 'r' показана в его поперечном сечении. Как видно, статор 100 может включать в себя диэлектрическую подложку 162, расположенную между проводящими слоями 161a и 161b. Сквозное соединение 125 обеспечивает электропроводность между проводящими слоями 161a и 161b. Кроме того, сквозное соединение 125 может также обеспечивать теплопроводность между слоями 161a и 161b благодаря проводящему материалу, который типично используется в этих элементах (например, медь, алюминий, олово, вольфрам и производные смеси). Диэлектрическая подложка 162 может включать в себя любой материал, используемый во множестве PCB, такой как композитный материал, включающий в себя тканое стекловолокно с эпоксидным полимерным связующим веществом (например, FR-4 и т.п.).
[0029] Соответственно, в некоторых вариантах осуществления статор 100 включает в себя, по меньшей мере, один из проводящих элементов 111, 121 или 131 (см. фиг. 1A), расположенных на различных проводящих слоях 161a и 161b. Например, проводящий элемент 111a может быть одним из множества проводящих элементов 111 в активной области статора 100 и располагаться на проводящем слое 161a. Соответственно, проводящий элемент 111b может быть одним из множества проводящих элементов 111 в активной области статора 100 и располагаться на проводящем слое 161b. Более обобщенно, проводящие элементы 121a (см. фиг. 6A) и 131a соответствуют проводящим элементам 121 и 131, расположенным на проводящем слое 161a. Аналогично, проводящие элементы 121b (см. фиг. 6A) и 131b соответствуют проводящим элементам 121 и 131, расположенным на проводящем слое 161b.
[0030] Проводящие элементы 111, 121 и 131, размещенные во множестве проводящих слоев 161a и 161b, могут улучшать рассеяние тепла в статоре 100. Типично, тепло непропорционально переносится через сами электропроводные элементы. Например, тепловая проводимость меди (при 401 Вт/(м K)) почти в пятьсот (500) раз больше тепловой проводимости окружающего диэлектрического материала FR-4 (при 0,81 Вт/(м K) в плоскости). Дополнительно, когда тепло протекает в Z-направлении, медь является даже более значимой в качестве механизма проведения тепла, имея почти в 1400 раз большую теплопроводность, чем у FR-4 в направлении вне плоскости. Отметим, что общая теплопроводность структуры статора зависит от относительных областей электропроводных элементов и окружающего диэлектрика.
3
[0031] Фиг. 2 иллюстрирует подробности статора 100, включающего в себя множество проводящих элементов 111, 121 и 131, расположенных радиально на PCS 110, согласно некоторым вариантам осуществления. И проводящие элементы 152, расположенные под углом на PCS 110. В некоторых вариантах осуществления статор 100 дополнительно включает в себя множество третьих проводящих элементов 211, протягивающихся радиально от радиуса 241 (r) от центральной начальной точки 101 по направлению к периферии 102 и расположенных под углом на PCS 110, при этом, по меньшей мере, один из третьих проводящих элементов 211 и, по меньшей мере, один из вторых проводящих элементов 121b являются совпадающими и располагаются на различных проводящих слоях. Например, и без потери общности, проводящие элементы 211 могут быть включены в проводящий слой 161a, и проводящие элементы 121b могут быть включены в проводящий слой 161b.
[0032] В некоторых вариантах осуществления тепловое взаимодействие между проводящими элементами 111, 121 и 131 улучшается значительно посредством создания также электрического соединения между этими проводящими элементами. Соответственно, некоторые варианты осуществления предоставляют зазоры между проводящими элементами 131 и проводящими элементами 111 во внутренней области статора 100, например, чтобы предоставлять пространство для проводящих элементов 151. Аналогично, некоторые варианты осуществления предоставляют зазоры между проводящими элементами 111 и проводящими элементами 121 в периферийной области статора 100, например, чтобы предоставлять пространство для проводящих элементов 152. Более конкретно, варианты осуществления статора 100, согласующиеся с настоящим изобретением, предоставляют электрически безопасные расстояния между двумя проводящими элементами, которые имеют различные электрические потенциалы, в то же время все еще обеспечивая хорошую тепловую связь через небольшой зазор из диэлектрического материала, разделяющий обоих. Кроме того, обеспечивая прочные тепловые соединения для различных проводящих слоев через сквозное соединение, этот подход является особенно эффективным (например, сквозное соединение 125 и проводящие слои 162a и 162b, см. фиг. 1B). Даже если проводящий элемент прерывается на первом проводящем слое, сквозное соединение сквозь проводящие слои обеспечивает удаление тепла с первого проводящего слоя на второй проводящий слой.
0
-1
1
[0033] Электрическое и тепловое соединение между проводящими элементами 111 и проводящими элементами 131 включает в себя начальную точку одного из проводящих элементов 111 на расстоянии 141 (r) от центральной начальной точки 101, касающейся начальной структуры 105. И начальная точка одного из проводящих элементов 131 на расстоянии 242 (r) от центральной начальной точки 101. Противоположный конец проводящего элемента 111 заканчивается на оконечной структуре 115 на расстоянии 142 (r) от центральной начальной точки 101.
[0034] Фиг. 3 иллюстрирует подробности внутренней области, близкой к центральной начальной точке 101 статора 100, включающего в себя множество проводящих элементов 111 и 131, расположенных радиально, и проводящих элементов 151, расположенных под углом на PCS 110, согласно некоторым вариантам осуществления. Вследствие пространственных ограничений рядом с центральной начальной точкой 101, в некоторых вариантах осуществления только некоторые проводящие элементы 131 могут быть термически и/или электрически соединены с соответствующими проводящими элементами 111 через начальную структуру 105. Это размещение устраняет создание нежелательного электрического контакта между соседними проводящими элементами 131 рядом с центральной начальной точкой 101.
[0035] Фиг. 4 иллюстрирует подробности внутренней области, близкой к центральной начальной точке 101 статора 100, включающей в себя множество проводящих элементов 111, расположенных радиально, согласно некоторым вариантам осуществления. Проводящий элемент 151 располагается под углом. И проводящие элементы 431a и 431b располагаются на различных проводящих слоях на PCS. Чтобы устранять проблему тепловой и электрической проводимости в сильно ограниченном пространстве внутренней области PCS 110, проводящие элементы 431a чередуются с проводящими элементами 431b на других слоях многослойной PCS 110. Внутреннее сквозное соединение в начальных структурах 105 рассеивает тепло через проводящие элементы 111. Размещая в шахматном порядке дорожки 431a и 431b для удаления тепла в отдельных проводящих слоях, они могут протягиваться внутрь, в то же время поддерживая желаемый зазор между соседними проводящими элементами на одном и том же проводящем слое. Другие конфигурации разнесения, согласующиеся с этим признаком, могут быть предусмотрены, например, соединяющие каждый третий проводящий элемент 131 через блок сквозного соединения.
[0036] Фиг. 5 иллюстрирует подробности проводящего элемента 111, включающего в себя оконечную структуру 115, согласно некоторым вариантам осуществления. Оконечная структура 115 имеет Т-образную или "в молотообразную" конфигурацию. В некоторых вариантах осуществления оконечная структура 115 может включать в себя квадратную контактную площадку вместо молотообразной конфигурации. Оконечная структура 115 улучшает угловое распределение (т.е. в направлении θ) тепла от различных источников в переходе между активной и периферийной областями статора 100, таких как потери на вихревые токи и потери проводящего материала от проводящих элементов 111, заканчивающихся в оконечной структуре 1,15. Кроме того, оконечная структура 115 уменьшает область, в которой потери могут возникать вследствие характерных изменяющихся по времени магнитных полей (см. Ур. 1).
[0037] Некоторые варианты осуществления включают в себя одно или более сквозных соединений между слоями рядом с внешними фрагментами оконечной структуры 115, которые в соединении с пространственной протяженностью молотообразного элемента имеют тенденцию уменьшать угловую концентрацию тепла, по сравнению с одноточечным тепловым окончанием (например, начальная структура 105, см. фиг. 1A). Молотообразная деталь оконечной структуры 115 уменьшает подвергание сплошных медных элементов в периферийной области утечке изменяющегося по времени магнитного поля от узла постоянного магнита над активной областью. Конкретные размеры и соотношения, показанные на фиг. 2, могут быть подвергнуты оптимизации в зависимости от факторов, включающих в себя желаемую конструкцию мотора или генератора. Кроме того, диспропорциональное соотношение теплопроводности между двумя основными материалами в статоре 100 (например, меди для проводящих элементов 111, 121 и 131 в сравнении с FR-4 в диэлектрической подложке 162) подсказывает, что различные конструкции оконечной структуры 115, которые практически согласуются со статором 100 и оконечной структурой 115, могут быть одинаково эффективными для рассеяния тепла.
[0038] Фиг. 6A-I иллюстрируют подробности различных конфигураций 615a, 615b, 615c и 615d соединения (в совокупности называемых далее в данном документе конфигурациями 615 соединения), согласно некоторым вариантам осуществления. Конфигурации 615 соединения включают в себя первые проводящие элементы 111a,b, соединенные со вторыми проводящими элементами 121a,b в оконечной структуре 115. Оконечная структура 115 включает в себя сквозное соединение 125, формирующее тепловое и электрическое соединение между проводящими элементами 111a,b и проводящими элементами 121a,b. Трехмерные оси (Z, r, θ) согласуются с трехмерными осями, показанными на фиг. 1 A-B и фиг. 2-4. Обозначение осей и конкретная ориентация элементов на чертежах выбираются только в иллюстративных целях и не должны считаться ограничивающими различные изображенные варианты осуществления.
[0039] Фиг. 6A показывает общий вид конфигурации 615a соединения, согласно некоторым вариантам осуществления. Конфигурация 615a соединения включает в себя проводящие элементы 111a,b и 121a,b в двух различных проводящих слоях (например, проводящем слое 161a и 161b, см. фиг. 1B), формирующих электрическое и тепловое соединение в оконечной структуре 115. Более конкретно, конфигурация 615a соединения предусматривает электрическое и тепловое связывание между проводящими элементами 111a,b и проводящими элементами 121a,b.
[0040] Фиг. 6B является видом в поперечном разрезе конфигурации 615a соединения, по длине проводящих элементов 111a,b и 121a,b, иллюстрированных на фиг. 6A. Фиг. 6B также показывает схематично поток тепла в конфигурации 615a соединения от проводящих элементов 111a,b к проводящим элементам 121a,b и, в конечном счете, к теплоотводу 620. В некоторых вариантах осуществления желательно, чтобы проводящие элементы 121a и 121b были, по меньшей мере, частично совпадающими, но располагались в противоположных проводящих слоях PCS 110. Соответственно, тепловой поток от проводящих элементов 111a,b к проводящим элементам 121a,b улучшается по радиальному пути проводящих элементов 111a,b и 121a,b.
[0041] Фиг. 6C показывает вид сверху конфигурации 615a соединения, включающей в себя проводящие элементы 111a,b и 121a,b в одном и том же проводящем слое, формирующие электрическую и тепловую связь в оконечной структуре 115. Оконечная структура 115 включает в себя молотообразную деталь, имеющую четыре (4) сквозных соединения 125, чтобы обеспечивать улучшенное рассеяние тепла и электрическое соединение между слоями.
[0042] Фиг. 6D показывает общий вид конфигурации 615b соединения, включающей в себя проводящие элементы 111a,b, 121a,b и 152a в двух различных проводящих слоях, формирующих электрическую и тепловую связь в оконечной структуре 115. Более конкретно, конфигурация 615b соединения обеспечивает электрическую и тепловую связь между проводящими элементами 111a,b и проводящим элементом 121b через сквозное соединение 125 в оконечной структуре 115. Дополнительно, конфигурация 615b соединения предоставляет тепловую связь между проводящим элементом 111a и проводящим элементом 121a на одном и том же проводящем слое, и без электрического соединения между ними. Варианты осуществления, включающие в себя конфигурацию 615b соединения, могут быть желательны, когда проводящий элемент 152a работает с отличающимся электрическим потенциалом от одного из двух проводящих элементов 111a или 121a. Некоторые варианты осуществления, включающие в себя конфигурацию 615b соединения, могут быть желательны, когда проводящий элемент 121a работает с отличающимся электрическим потенциалом от проводящего элемента 111a.
[0043] Фиг. 6E является видом в поперечном разрезе конфигурации 615b соединения по длине проводящих элементов 111a,b и 121a,b, иллюстрированных на фиг. 6D. Фиг. 6E также показывает схематично тепловой поток от проводящих элементов 111a,b к проводящим элементам 121a,b в теплоотвод 620. Так как проводящие элементы 121a и 121b, по меньшей мере, частично совпадают в плоскости PCS 110, тепло протекает от проводящего элемента 121b к проводящему элементу 121a независимо от какого-либо различия в электрическом потенциале между двумя проводящими элементами.
[0044] Фиг. 6F показывает общий вид конфигурации 615c соединения, включающей в себя проводящие элементы 111a,b, 121 a,b и 152a в двух различных проводящих слоях и формирующей электрическую и тепловую связь в оконечной структуре 115. Конфигурация 615c соединения аналогична конфигурации 615b соединения, в которой проводящие элементы 111a и 121a электрически не соединяются, в то время как проводящие элементы 111a,b электрически и термически соединяются с проводящим элементом 121b через сквозное соединение 125 в оконечной детали 115. Однако в конфигурации 615c соединения оконечная структура 115 имеет молотообразную конфигурацию (см. фиг. 5). Соответственно, тепловой поток от проводящих элементов 111a,b к проводящим элементам 121a,b в конфигурации 615c соединения улучшается по радиальному пути проводящих элементов 111a,b и 121a,b независимо от электрической конфигурации.
[0045] Фиг. 6G является видом в поперечном разрезе конфигурации 615c соединения по длине проводящих элементов 111a,b (в совокупности, 111) и 121a,b (в совокупности 121), иллюстрированных на фиг. 6F. Фиг. 6G также показывает схематично тепловой поток от проводящих элементов 111a,b к проводящим элементам 121a,b в теплоотвод 620.
[0046] Фиг. 6H показывает общий вид конфигурации 615d соединения, включающей в себя проводящие элементы 111, 121 и 152b в двух различных проводящих слоях, формирующие электрическую и тепловую связь в оконечной структуре 115. Конфигурация 615d соединения аналогична конфигурациям 615b и 615c соединения в том, что проводящие элементы в различных проводящих слоях являются электрически и термически соединенными (т.е. проводящий элемент 111b и проводящий элемент 121a, через сквозное соединение 125). Однако в конфигурации 615d соединения проводящий элемент 152b располагается на другом проводящем слое PCS 110. Соответственно, может быть желательно электрически изолировать проводящий элемент 111b от проводящих элементов 121b.
[0047] Фиг. 6I является видом в поперечном разрезе конфигурации 615d соединения по длине проводящих элементов 111 и 121, иллюстрированных на фиг. 6H. Фиг. 6I также показывает схематично тепловой поток от проводящих элементов 111a,b к проводящим элементам 121a,b в теплоотвод 620. Как показано, тепловой поток от проводящих элементов 111a,b к проводящим элементам 121a,b в конфигурации 615d соединения улучшается по радиальному пути проводящих элементов 111a,b и 121a,b независимо от электрической конфигурации.
[0048] Фиг. 7A-D иллюстрируют тепловые изображения статоров 700a и 700b (в совокупности называемых далее в данном документе 'статорами 700'), соответственно, включающих в себя PCS 110, имеющую, по меньшей мере, одну диэлектрическую подложку 162 и проводящие слои 161a и 161b, в то же время рассеивая тепло, согласно некоторым вариантам осуществления. Статор 700a не включает в себя проводящие элементы 111 и 121, в то время как статор 700b включает (см. фиг. 1 A-B). Тепловые изображения получаются посредством привнесения тепла через потерю на электропроводность диэлектрика в выбранных местоположениях на статорах 700, чтобы моделировать распределение температуры в работающем моторе или генераторе. Источники и поглотители тепла в работающем моторе или генераторе включают в себя окружающие магнитные и механические компоненты. Этот подход предоставляет возможность формирования изображений и сравнения тепловой характеристики между различными конструкциями статора, согласующимися с вариантами осуществления, раскрытыми в данном документе.
[0049] Привнесение тепла через проводимость включает в себя конфигурирование источника питания, чтобы доставлять фиксированную величину мощности (приблизительно 20 Вт) статорам 700 в течение 10 минут. Изображения статоров 700 были затем сформированы с помощью цифровой IR-камеры FLIR. Пограничные условия были установлены посредством размещения статоров 700 в оболочке 750, оставляющей раскрытой половину статора, доступного для формирования теплового изображения. Дополнительно, только три из четырех углов PCS 110 были прижаты прочно к оболочке 750. Эта конфигурация прижатия предоставляет возможность сравнения эффективности тепловых конструкций в удалении тепла со статоров 700 на оболочку 750 со всеми другими условиями, сохраняемыми постоянными. Статоры 700 возбуждались между двумя из трех соединенных звездой фазами.
[0050] Фиг. 7A показывает, что статор 700a является более горячим в левом углу, где нет хорошего теплового контакта, температура является совершенно единообразной между концами статора 700a, даже где он полностью оканчивается. Это предполагает, что независимо от качества теплоотводящего корпуса трудно переносить тепло со статора 700a.
[0051] Фиг. 7B-D показывают результат того же испытания и процедуры измерения для статора 700b, включающего в себя проводящие элементы 111 и 121, которые раскрыты в данном документе (см. фиг. 1A-B, 2-5 и 6A-I). Показатели температуры на фиг 7A-7D являются исключительно иллюстративными и не означают ограничение вариантов осуществления, раскрытых в данном документе. Однако, обнаруживается, что части статора 700b, которые прижимаются к оболочке 750 (более темные фрагменты на фиг. 7B-D), являются относительно более холодными, чем части с плохим тепловым окончанием (более яркие фрагменты на фиг. 7B-D). Это наводит на мысль, что отличительные признаки, согласующиеся с вариантами осуществления настоящего изобретения, являются эффективными в устранения тепла со статора 700b на оболочку 750.
[0052] На фиг. 7C статор 700b показывает отличающийся характер между областями с хорошим тепловым окончанием и углом с плохим тепловым окончанием. Однако, в этом случае, тепловая сигнатура фаз 710c непосредственно рядом с зажимом почти полностью отсутствует.
[0053] Фиг. 7D показывает действие на фиг. 7C более подробно. Отметим различие между левым фрагментом платы (хорошо прижат) и правой стороной (плохой контакт) и отсутствие резкого градиента в радиальном направлении (r, по направлению к поглотителю), относительно углового направления (θ, когда пограничное условие изменяется). В общем, сравнение эффективности устранения тепла статора 700a со статором 700b показывает, что внедрение отличительных признаков, описанных в одном или более вариантах осуществления этого изобретения (например, проводящих элементов 111, 121 и 131) может устранять тепло из активной области (которая включает в себя проводящие элементы 111) со значительно большей эффективностью.
[0054] Фиг. 8 иллюстрирует блок-схему последовательности операций способа 800 для производства статора, включающего в себя планарную многослойную структуру (PCS), имеющую, по меньше мере, один диэлектрический слой и множество проводящих слоев, согласно некоторым вариантам осуществления (например, статор 100, PCS 110, диэлектрическую подложку 162, проводящие слои 161a, b, см. с фиг. 1 A-B по фиг. 6).
[0055] Способы, согласующиеся с настоящим изобретением, могут включать в себя, по меньшей мере, некоторые, но не все этапы, иллюстрированные в способе 800, выполняемые в различной последовательности. Кроме того, способы, согласующиеся с настоящим изобретением, могут включать в себя, по меньшей мере, два или более этапов как в способе 800, выполняемые перекрывающимися по времени или почти одновременно.
[0056] Этап 802 включает в себя формирование первого проводящего слоя на PCS посредством радиального расположения первого проводящего элемента на диэлектрической подложке вплоть до первого расстояния от первой начальной точки PCS (например, проводящего слоя 161a, диэлектрической подложки 162 и проводящих элементов 111, 111a,b, см. фиг. 1A-B и фиг. 4 и фиг. 6A-I). Этап 804 включает в себя формирование второго проводящего слоя, противоположного первому проводящему слою на PCS посредством радиального расположения второго проводящего элемента, протягивающегося радиально от второго расстояния от центральной начальной точки PCS (например, проводящего слоя 161b и проводящих элементов 121, 121a,b, 131, 131a,b, 211, см. фиг. 1A-B, фиг. 2 и фиг. 4 и 6A-I). Этап 806 включает в себя соединение первого проводящего элемента со вторым проводящим элементом через оконечную структуру (например, оконечную структуру 115, см. фиг. 1A). Этап 808 включает в себя формирование третьего проводящего элемента на PCS, протягивающегося радиально от третьего расстояния от центральной начальной точки PCS в одном из первого или второго проводящих слоев (например, проводящих элементов 121, 121a,b, 131, 131a,b, 211, см. фиг. 1A-B, фиг. 2 и фиг. 4 и 6A-I). Этап 810 включает в себя связывание первого проводящего элемента с третьим проводящим элементом через вторую оконечную структуру (например, оконечные структуры 105 или 115, см. фиг. 1A).
[0057] В некоторых вариантах осуществления связывание первого проводящего элемента со вторым или третьим проводящими элементами может включать в себя любое из теплового связывания, электрического связывания или обоих. Кроме того, связывание может включать в себя конфигурацию соединения, имеющую начальную и/или оконечную структуры, включающие в себя сквозное соединение, которое проходит сквозь диэлектрическую подложку от одного проводящего слоя к другому проводящему слою (например, сквозное соединение 125 и конфигурации 615 соединения, см. фиг. 6A-I). В некоторых вариантах осуществления первый проводящий элемент находится в активной области PCS, а, по меньшей мере, один из второго или третьего проводящих элементов находится во внутренней области PCS. Соответственно, оконечная структура может быть радиально ориентирована на PCS вследствие пространственных ограничений (например, оконечной структуры 105). В некоторых вариантах осуществления, когда второй или третий проводящий элемент находится в периферийной области PCS, оконечная структура может быть ориентирована под углом на PCS (например, оконечная структура 115).
[0058] Специалист в области техники признает, что изобретение может быть осуществлено в других конкретных формах без отступления от духа или его неотъемлемых характеристик. Вышеупомянутые вариант осуществления, следовательно, должны рассматриваться во всех отношениях скорее иллюстративными, чем ограничивающими изобретение, описанное в данном документе. Рамки изобретения, таким образом, указываются посредством прилагаемой формулы изобретения вместо предшествующего описания, и все изменения, которые подпадают под значение диапазон эквивалентности формулы изобретения, следовательно, предназначаются, чтобы заключаться в них.