ДИОД ДЛЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВЫПРЯМИТЕЛЯ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
DIODE FOR ROTARY RECTIFIER OF SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE

Область техники
[1] Изобретение относится к области электротехники, в частности, к бесщеточным синхронным электрическим машинам, содержащим вращающиеся выпрямители, а более точно, к используемым во вращающихся выпрямителях полупроводниковым диодам, в которых полупроводниковый элемент заключен в герметичный корпус.
[2] В контексте настоящего изобретения под электрической машиной понимается электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую и наоборот, а именно генераторы электрического тока и электродвигатели. Обращая внимание на тот факт, что изобретение может быть использовано в любой из указанных электрических машин, авторы изобретения полагают, что основным направлением для использования изобретения являются генераторы электрического тока, а именно – бесщеточные высокооборотные синхронные генераторы, преимущественно предназначенные для применения в системах электроснабжения летательных аппаратов.
Предпосылки к созданию изобретения
[3] Диоды, используемые во вращающихся выпрямителях высокооборотных синхронных генераторов, требуют эффективного охлаждения, которое обеспечивается путем создания вокруг диодов атмосферы из жидкостно-воздушной смеси. Сочетание таких факторов воздействия на диоды, как значительная центробежная сила, обусловленная высокой частотой вращения выпрямителя, химическая активность охлаждающей жидкости, температурные перепады и т.п. способно привести к разгерметизации корпуса диода или к прерыванию электрической цепи между полупроводниковым элементом и электродным выводом, что влечет неминуемый выход диода из строя.
[4] В патентной публикации CN 204130550 U, 28.01.2015 раскрыт диод, в котором полупроводниковый элемент, прикрепленный к основанию, располагается в замкнутом пространстве между основанием и куполообразным элементом. Полупроводниковый элемент соединен с электродным выводом, выходящим из замкнутого пространства через центральное отверстие куполообразного элемента. Изолирующий элемент, препятствующий электрическому контакту между электродным выводом и куполообразным элементом, установлен в упомянутом центральном отверстии и выполнен в виде резиновой втулки. Изолирующий элемент выполняет также функции:
- уплотнителя между электродным выводом и куполообразным элементом для герметизации замкнутого пространства,
- демпфера, допускающего небольшие отклонения электродного вывода от вертикального положения без разрушения уплотнителя и вызванной этим разгерметизации замкнутого пространства.
[5] Один из недостатков описанного выше диода состоит в слабой продольной фиксации электродного вывода на куполообразном элементе. В результате этого при приложении к электродному выводу даже небольшого усилия, действующего в осевом направлении диода, электродный вывод может легко оторваться от полупроводникового элемента, и электрический контакт между ними будет прерван.
[6] Кроме того, при использовании такого диода во вращающемся выпрямителе, центробежная сила будет сжимать эластичный изолирующий элемент в ту сторону центрального отверстия, которая в радиальном направлении является внешней по отношению к оси вращения диода, что приведет к ослаблению уплотнения с противоположной стороны центрального отверстия и разгерметизации замкнутого пространства. Заметим, что диод вращающегося выпрямителя, как правило, установлен так, что его продольная ось смещена относительно оси вращения диода, совпадающей с осью вала электрической машины.
[7] В патентной публикации RU193911U1, 21.11.2019 раскрыт диод, конструкция которого в целом аналогична описанной выше с тем основным отличием, что изолирующий элемент выполнен из стекла. Поскольку в данном диоде изолирующий элемент является твердым, то его отжимания от центрального отверстия куполообразного элемента со стороны оси вращении диода не происходит. Одновременно с этим в данном диоде может быть обеспечена продольная фиксация электродного вывода на куполообразном элементе.
[8] Однако данный диод имеет существенный недостаток, который обусловлен хрупкостью стекла и малым размером той области изолирующего элемента, которая контактирует с электродным выводом в любом поперечном направлении диода. Ввиду последнего обстоятельства какое-либо воздействие на электродный вывод в поперечном направлении диода сопровождается возникновением концентрации напряжений в изолирующем элементе, а поскольку изолирующий элемент выполнен из хрупкого материала, то концентрация напряжений может вызвать растрескивание изолирующего элемента, потерю герметичности замкнутого пространства и выход диода из строя.
[9] Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в разработке такой конструкции диода для вращающегося выпрямителя, которая могла бы одновременно повысить:
- надежность герметизации замкнутого пространства, в котором расположен полупроводниковый элемент,
- надежность электрического контакта между полупроводниковым элементом и электродным выводом.
Сущность изобретения
[10] Для решения указанной технической проблемы в качестве изобретения предложен диод для вращающегося выпрямителя, содержащий полупроводниковый элемент, основание, куполообразный элемент, электродный вывод и изолирующий элемент. Полупроводниковый элемент располагается в замкнутом пространстве между основанием и куполообразным элементом. Электродный вывод, куполообразный элемент, полупроводниковый элемент и основание в указанном порядке являются элементами электрической цепи диода. Изолирующий элемент препятствует прямому электрическому контакту между куполообразным элементом и основанием. Куполообразный элемент при этом соединен с электродным выводом на своем купольном участке и соединен с полупроводниковым элементом на своем краевом участке.
[11] Технический результат изобретения состоит в том, что любое поперечное воздействие на электродный вывод распределяется через протяженный краевой участок куполообразного элемента на большой площади изолирующего элемента, а значит, концентрации напряжений, способной вызвать разрушение изолирующего элемента, не возникает. Кроме того, электродный вывод имеет жесткое прикрепление и надежный электрический контакт с куполообразным элементом без нахождения между ними каких-либо промежуточных элементов, выполненных из хрупких или эластичных материалов. В свою очередь, электрическое соединение между куполообразным элементом и полупроводниковым элементом обеспечено внутри защищенного замкнутого пространства. В результате этого никакое поперечное или продольное воздействие на электродный вывод, имеющее случайный или предсказуемый характер, не способно нарушить целостность электрической цепи между полупроводниковым элементом и электродным выводом.
[12] В первом частном случае изобретения куполообразный элемент имеет центральное отверстие, а электродный вывод выполнен в виде грибообразной вставки, содержащей штыревой и дисковый участки, при этом дисковый участок электродного вывода прикреплен к внутренней поверхности куполообразного элемента, а штыревой участок электродного вывода проходит через центральное отверстие куполообразного элемента. Данный частный случай позволяет максимизировать механическую прочность и герметичность скрепления электродного вывода и куполообразного элемента.
[13] Во втором частном случае изобретения основание имеет пьедестальную и опорную поверхности, которые обращены в сторону куполообразного элемента и лежат в плоскостях, проходящих перпендикулярно продольной оси диода. На пьедестальной поверхности размещен полупроводниковый элемент, а опорная поверхность служит опорой для куполообразного элемента. Изолирующий элемент при этом расположен между опорной поверхностью и краевым участком куполообразного элемента. Данный частный случай позволяет обеспечить оптимальное взаимное расположение полупроводникового элемента и краевого участка куполообразного элемента с точки зрения технологичности выполнения электрического соединения между ними.
[14] В развитии второго частного случая изолирующий элемент выполнен в виде керамического кольца. Благодаря тому, что керамика обладает чрезвычайно высоким электрическим сопротивлением, данное исполнение позволяет исключить протекание электрического тока напрямую между куполообразным элементом и основанием. Кроме того, ввиду высокой жесткости керамики данное исполнение позволяет произвести плотное прижатие друг к другу изолирующего элемента и основания, а также куполообразного элемента и изолирующего элемента при их скреплении, что способствует прочности скрепления и обеспечению заданной точности взаимного расположения данных элементов. Далее, керамика обладает высокой термостойкостью, благодаря чему становится возможным применение высокотемпературных методов обработки и монтажа.
[15] В другом развитии второго частного случая основание имеет стержневой и фланцевый элементы, при этом пьедестальная поверхность расположена на торцевой поверхности стержневого элемента, а опорная поверхность расположена на торцевой поверхности фланцевого элемента. В этом исполнении диод посредством своего фланцевого элемента способен опираться, например, на радиатор вращающегося выпрямителя.
[16] Одновременно с этим указанный стержневой элемент может являться первым стержневым элементом, а указанная торцевая поверхность фланцевого элемента может являться первой торцевой поверхностью фланцевого элемента. В последнем случае основание содержит второй стержневой элемент, который по отношению к первому стержневому элементу расположен с стороны второй торцевой поверхности фланцевого элемента, а на боковой поверхности второго стержневого элемента выполнена резьба. Данное исполнение предоставляет возможность закрепления диода на радиаторе вращающегося выпрямителя при помощи резьбового соединения с обеспечением надежного электрического контакта.
[17] В еще одном развитии второго частного случая на поверхности изолирующего элемента, обращенной к куполообразному элементу, выполнено электропроводящее покрытие, которое имеет электрическое соединение с полупроводниковым элементом. Краевой участок куполообразного элемента при этом находится в электрическом контакте с электропроводящим покрытием изолирующего элемента. Данное исполнение позволяет выполнить электрическое соединение между куполообразным элементом и полупроводниковым элементом   непосредственно на изолирующем элементе, который имеет высокое термическое сопротивление и который в дальнейшем не подвергается прямому тепловому воздействию при выполнении высокотемпературной сварки. В результате этого повышается надежность электрической цепи между полупроводниковым элементом и куполообразным элементом.
[18] В последнем исполнении электрическое соединение между электропроводящим покрытием изолирующего элемента и полупроводниковым элементом может быть выполнено с помощью проволочных элементов. Данное исполнение позволяет простым и надежным способом обеспечить электрическое соединение между разнесенными в пространстве полупроводниковым элементом и электропроводящим покрытием изолирующего элемента.
[19] В еще одном развитии второго частного случая между изолирующим элементом и опорной поверхностью основания размещена шайба, выполненная из материала, коэффициент температурного расширения которого лежит в диапазоне между коэффициентами температурного расширения материалов основания и изолирующего элемента. Данное исполнение позволяет сгладить взаимное смещение основания и изолирующего элемента, вызванное разностью их коэффициентов температурного расширения, и тем самым предотвратить растрескивание изолирующего элемента при осуществлении высокотемпературной пайки для закрепления изолирующего элемента на основании.
[20] В еще одном развитии второго частного случая между изолирующим элементом и краевым участком куполообразного элемента размещена токопроводящая шайба. Данное исполнение позволяет осуществить закрепление куполообразного элемента на изолирующем элементе при помощи шовно-роликовой или импульсной лазерной сварки.
Краткое описание чертежей
[21] Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 –диод, выполненный согласно изобретению, продольный разрез;
Фиг. 2 – диод, выполненный согласно изобретению, вид в изометрии;
Фиг. 3 – основание диода с установленными термокомпенсационной шайбой и изолирующим элементом, вид в изометрии;
Фиг. 4 – основание диода с установленными термокомпенсационной шайбой, изолирующим элементом и полупроводниковым элементом, вид в изометрии;
Фиг. 5 - основание диода с установленными термокомпенсационной шайбой изолирующим элементом, полупроводниковым элементом и токопроводящей шайбой, вид в изометрии.
[22] Форма и размеры отдельных элементов, отображенных на фигурах, являются условными и показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов диода и их причинно-следственную связь с заявленными техническими результатами.
Осуществление изобретения
[23] Осуществление изобретения будет показано на наилучших известных авторам примерах реализации изобретения, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[24] Диод 1 для вращающегося выпрямителя, показанный на Фиг. 1 и 2, содержит полупроводниковый элемент 10, основание 20, куполообразный элемент 30, электродный вывод 40, изолирующий элемент 50, термокомпенсационную шайбу 60 и токопроводящую шайбу 70. Электродный вывод 40, куполообразный элемент 30, полупроводниковый элемент 10 и основание 20 в указанном порядке являются элементами электрической цепи диода, в которой полупроводниковый элемент 10 способен пропускать электрический ток только в направлении от электродного вывода 40 к основанию 20.
[25] Основание 20 выполнено из меди с золотым покрытием и представляет собой соосно расположенные первый стержневой элемент 21, фланцевый элемент 22 и второй стержневой элемент 23, выполненные заодно в виде единой детали. Фланцевый элемент 22 имеет первый и второй опорные участки 221 и 225 (Фиг. 2), при этом первый и второй стержневые элементы 21 и 23 расположены соответственно со стороны первого и второго опорных участков 221 и 225.
[26] На первом опорном участке 221 находится первая торцевая поверхность 222 фланцевого элемента 22, содержащая первую опорную поверхность 223 (Фиг. 1), через которую основание 20 жестко соединяется с куполообразным элементом 30. На первой опорной поверхности 223 посредством пайки с серебросодержащим припоем, осуществленной при температуре 830-870°С в восстановительной среде, закреплена термокомпенсационная шайба 60, выполненная из молибденово-медного сплава с никелевым покрытием, а поверх нее таким же способом закреплен изолирующий элемент 50, выполненный в виде керамического кольца и далее именуемый как изолирующее кольцо 50.
[27] Изолирующее кольцо 50 выполнено из радиотехнической корундовой керамики с последующей металлизацией его плоских поверхностей путем нанесения молибденовой пасты и ее вжигания при температуре 830-850°С. Кроме того, металлизированные данным образом поверхности изолирующего кольца 50 получают никелевое покрытие. Благодаря свойствам данного керамического материала, изготовленное из него изолирующее кольцо 50 обладает высокими показателями жесткости и термостойкости, что позволяет использовать высокотемпературные способы обработки и монтажа.
[28] Молибденово-медный сплав имеет коэффициент температурного расширения, являющийся промежуточным между аналогичными коэффициентами для меди, который имеет большую величину, и для керамики, который имеет малую величину. Соответственно, закрепление изолирующего кольца 50 на медном фланцевом элементе 22, выполненное через молибденово-медную термокомпенсационную шайбу 60, позволяет избежать растрескивания изолирующего кольца 50, вызванного значительным относительным увеличением размера первого опорного участка 221 при высокотемпературной пайке.
[29] Поскольку керамика является диэлектриком, изолирующее кольцо 50 представляет собой изолирующий элемент, не пропускающий электрический ток между описанным ниже краевым участком 33 куполообразного элемента 30 и фланцевым элементом 22. Тем не менее на поверхности 51 изолирующего кольца 50, которая противоположна поверхности, контактирующей с термокомпенсационной шайбой 60 (Фиг. 3), нанесено электропроводящее покрытие 52.
[30] На втором опорном участке 225 находится вторая торцевая поверхность 226 фланцевого элемента 22, содержащая вторую опорную поверхность 227 (Фиг. 1), через которую основание 20 опирается на радиатор вращающегося выпрямителя.
[31] Радиальная поверхность 224 первого опорного участка 221 представляет собой цилиндрическую поверхность, в то время как радиальная поверхность 228 второго опорного участка 225 является призматической поверхностью с шестигранным поперечным сечением (Фиг. 2).
[32] Первый стержневой элемент 21 на своей торцевой поверхности имеет пьедестальную поверхность 211 (Фиг. 3), предназначенную для закрепления на ней полупроводникового элемента 10 (Фиг. 4). Следует отметить, что форма поперечного сечения первого стержневого элемента 21, как и форма пьедестальной поверхности 211 соответствуют форме полупроводникового элемента 10, и в диоде 1 представляют собой квадрат.
[33] Второй стержневой элемент 23 имеет цилиндрическую боковую поверхность 231 (Фиг. 3), на которой выполнена резьба (Фиг. 1), позволяющая закрепить основание 20 на радиаторе вращающегося выпрямителя при помощи резьбового соединения с обеспечением надежного электрического контакта. Затяжка данного резьбового соединения осуществляется через призматическую радиальную поверхность 228 второго опорного участка 225.
[34] Куполообразный элемент 30 представляет собой тонкостенную оболочку, выполненную из никеля, и содержит купольный участок 31 с круглым центральным отверстием 32 (Фиг. 1, на Фиг. 2 не отражено) и плоский краевой участок 33, пролегающий перпендикулярно продольной оси куполообразного элемента 30 (Фиг. 1, 2). Под купольным участком 31 понимается тот участок куполообразного элемента 30, который обращен к описанному ниже замкнутому пространству 35, т.е. по существу весь куполообразный элемент 30 за исключением краевого участка 33.
[35] С куполообразным элементом 30 соединен электродный вывод 40, выполненный из меди с никелевым покрытием. Электродный вывод 40 выполнен в виде грибообразной вставки, которая содержит дисковый участок 41 и цилиндрический штыревой участок 42 (на Фиг. 2 не показан). Штыревой участок 42 пропущен в центральное отверстие 32, а дисковый участок 42 по всему своему периметру прикреплен к внутренней поверхности купольного участка 31 посредством пайки с серебросодержащим припоем, осуществленной при температуре 830-870°С в восстановительной среде. В результате этого между куполообразным элементом 30 и электродным выводом 40 образовано прочное соединение, герметизирующее отверстие 32 и обеспечивающее надежный электрический контакт. Верхняя часть штыревого участка 42 расплющена с выполнением сквозного отверстия и представляет собой контактный участок 43. В завершение процесса сборки куполообразный элемент 30 и электродный вывод 40 получают золотое покрытие.
[36] Полупроводниковый элемент 10 закреплен на пьедестальной поверхности 211, например методом эвтектической пайки так, что между первым стержневым элементом 21 и полупроводниковым элементом 10 обеспечен электрический контакт. Тем временем, полупроводниковый элемент 10 при помощи алюминиевых проволочных элементов 11 соединен с электропроводящим покрытием 52 изолирующего кольца 50. Обратим внимание, что в предпочтительном случае электропроводящее покрытие 52 и пьедестальная поверхность 211 лежат в одной плоскости, как это показано на Фиг. 1 и 4.
[37] Далее, на электропроводящем покрытии 52 изолирующего кольца 50 посредством пайки с серебросодержащим припоем, осуществленной при температуре 830-870°С в восстановительной среде, закреплена токопроводящая шайба 70 (Фиг. 1 и 5), выполненная из молибденово-медного сплава с никелевым покрытием. В свою очередь, на токопроводящей шайбе 70 закреплен краевой участок 33 куполообразного элемента 30 (Фиг. 1 и 2), при этом между электропроводящим покрытием 52 изолирующего кольца 50 и токопроводящей шайбой 70, а также между токопроводящей шайбой 70 и краевым участком 33 куполообразного элемента 30 обеспечен электрический контакт.
[38] Размещение токопроводящей шайбы 70 между куполообразным элементом 30 и изолирующим кольцом 50 позволяет использовать шовно-роликовую или импульсную лазерную сварку для прикрепления куполообразного элемента 30 к основанию 20, что было бы невозможно при непосредственном соединении куполообразного элемента 30 и изолирующего кольца 50. Данный вид сварки обеспечивает герметичность соединения и надежный электрический контакт между соединяемыми элементами.
[39] Следует отметить, что материал токопроводящей шайбы 70 (молибденово-медный сплав) имеет коэффициент температурного расширения, являющийся промежуточным между таковыми для материалов куполообразного элемента (никель) и изолирующего кольца 50 (керамика). Соответственно, помимо указанного выше, токопроводящая шайба 70 имеет такое же предназначение, что и термокомпенсационная шайба 60, а именно предотвращение растрескивания изолирующего кольца 50 по причине значительного относительного увеличения размера краевого участка 33 куполообразного элемента 30 при высокотемпературной сварке.
[40] В контексте настоящего изложения термины «элементы жестко соединены друг с другом», «элементы жестко прикреплены друг к другу» и т.п. означают такую взаимную связь между какими-либо двумя элементами, при которой эти элементы представляют собой одно целое или, другими словами, единое тело, даже если между этими элементами расположены какие-либо промежуточные элементы. Таким образом, в диоде 1 куполообразный элемент 30 жестко закреплен на основании 20 с опорой на ее первую опорную поверхность 223, при этом данное закрепление осуществлено через токопроводящую шайбу 70, изолирующее кольцо 50 и термокомпенсационную шайбу 60. В результате этого между куполообразным элементом 30 и основанием 20 образуется замкнутое пространство 35 (Фиг. 1), в котором размещен полупроводниковый элемент 10.
[41] В контексте настоящего изложения термин «электрически соединены друг с другом», использованный в отношении каких-либо двух элементов, означает, что данные два элемента включены в электрическую цепь диода, при этом между этими двумя элементами могут быть включены иные элементы. Таким образом, признак «куполообразный элемент 30 соединен с полупроводниковым элементом 10 на своем краевом участке 33» включает в себя описанную выше конфигурацию, когда между краевым участком 33 и полупроводниковым элементом 10 в электрическую цепь включены токопроводящая шайба 70, электропроводящее покрытие 52 и проволочные элементы 11.
[42] В контексте настоящего изложения термин «имеют прямой электрический контакт друг с другом», использованный в отношении каких-либо двух элементов, означает, что данные два элемента включены в электрическую цепь диода, при этом между этими двумя элементами не включен какой-либо другой из элементов электрической цепи диода, а именно: электродный вывод, куполообразный элемент, полупроводниковый элемент и основание. Таким образом, куполообразный элемент 30 не имеет прямого электрического контакта с основанием 20, поскольку либо в электрической цепи диода между ними включен полупроводниковый элемент 10, либо электрическая цепь отсутствует ввиду диэлектрических свойств изолирующего кольца 50, расположенного между куполообразным элементом 30 и основанием 20.
[43] Далее, изолирующее кольцо 50 не обязательно должно быть выполнено из керамики. Тем не менее, другие известные твердые и термостойкие диэлектрические материалы также являются достаточно жесткими и хрупкими, как например, стекло в описанном выше известном решении. Однако независимо от материала, выбранного для изготовления изолирующего кольца 50, благодаря большой площади контакта токопроводящей шайбы 70 и изолирующего кольца 50, какие-либо механические воздействия, передаваемые со стороны электродного вывода 40 на изолирующее кольцо 50 через куполообразный элемент 30, распределяются по большой площади изолирующего кольца 50, а значит, в материале изолирующего кольца 50 не возникает концентрации напряжений, способной вызвать разрушение изолирующего кольца 50.
[44] Обратим также внимание на то, что электрическое соединение полупроводникового элемента 10 с электропроводящим покрытием 52, выполненное посредством проволочных элементов 11, расположено внутри замкнутого пространства и защищено куполообразным элементом 30. Благодаря этому, а также с учетом протяженного и надежного скрепления куполообразного элемента 30 и изолирующего кольца 50, какие-либо механические воздействия на электродный вывод 40 не создают риска прерывания электрического соединения между электродным выводом 40 и полупроводниковым элементом 10, что является принципиальным отличием диода 1 от известных решений.
[45] Далее, в диоде 1 электрический ток протекает через купольный участок 31 куполообразного элемента 30, т.е. внешняя поверхность диода 1 находится под напряжением. Тем не менее, это не ставит под сомнение безопасность использования диода 1 ввиду того, что диод 1 предназначен для использования во вращающемся выпрямителе, который располагается внутри корпуса синхронной электрической машины. Кроме того, электрический ток, проходящий через диод 1, может возникать только при условии вращения вала, на котором закреплен диод 1, а в этих условиях никакой физический контакт с диодом 1 невозможен.
[46] Следует отметить, что в диоде 1 купольный участок 31 куполообразного элемента 30 имеет форму закрытого сверху плоского цилиндра, которая позволяет надежно и герметично закрепить дисковый участок 42 электродного вывода 40, а также обеспечить достаточный объем и оптимальную конфигурацию замкнутого пространства 35. Тем не менее, купольный участок 31 куполообразного элемента 30 может иметь любую форму при том условии, что замкнутое пространство 35, образованное при соединении куполообразного элемента 30 с основанием 20, способно вместить полупроводниковый элемент 10, проволочные элементы 11 и участок электропроводящего покрытия 52 достаточный для присоединения проволочных элементов 11. Например, купольный участок 31 может также иметь форму полусферы, усеченного конуса, усеченной пирамиды, закрытого сверху высокого цилиндра, закрытой сверху призмы или иную форму.