CN112368913A - 主动冷却式线圈 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线圈系统，所述线圈系统包括第一线圈，所述第一线圈具有大量层叠在彼此上方的平面线圈(1‑6)。为了提高这种线圈系统中的能量密度，作出以下规定：在每种情况下，位于彼此正上方的两个平面线圈(1‑6)竖直层叠在彼此之上并具有横向偏移，使得在每种情况下，至少部分地将第一平面线圈(1)的一个线匝和布置在所述第一平面线圈正上方的第二平面线圈(2)的两个线匝部分重叠地布置，所述线圈系统包括无源导体轨道结构(7)，所述无源导体轨道结构与所述线圈系统的所有载流平面线圈(1‑6)直流隔离，并且具有大量导体轨道(23)，所述导体轨道层叠在彼此之上并且形成第一梳状结构，所述第一梳状结构在所述第一线圈的至少一个边缘区域处接合至第二梳状结构中，所述第二梳状结构由位于彼此上方的所述平面线圈(1‑6)的外线匝的横向偏移产生，以及每个平面线圈(1‑6)的所述外线匝与所述无源导体轨道结构(7)的横向绝缘距离(15)的尺寸确定为使得所述第一线圈相对于所述无源导体轨道结构(7)基本绝缘。

Description

主动冷却式线圈

技术领域

本发明涉及一种线圈系统，该线圈系统包括第一线圈，该第一线圈具有层叠在彼此上方的平面线圈。本发明进一步包括一种用于生产这种线圈系统的方法。根据伺服驱动领域的要求，这种线圈系统可例如用于紧凑且轻便的电动机。这些电动机可为线性电动机，也可为旋转电动机。

背景技术

术语“平面线圈”一般涵盖仅在一个平面中延伸的绕组。若干竖直位于彼此上方的平面线圈可彼此电连接，以便形成一种圆柱线圈。在下文中，术语“扁平线圈”也用作术语“平面线圈”的同义词。

从例如DE102008062575A1已知一种具有由大量按层布置在彼此上方的平面线圈组成的线圈的线圈系统。在该文献中公开的线圈系统以多层板的形式实现并且形成线性电动机的初级部分。该多层板的各层在很大程度上填充有可通电的绕组。位于彼此上方的线匝竖直电连接至所谓的通孔，因此各自形成用于线性电动机的相的螺线管线圈。以这种方式，可实现用于线性电动机的特别轻且紧凑的初级部分，该初级部分特别适合用于高动态应用的转子。

图1示出了现有技术中已知的平面线圈1-6的布置的多层板的垂直于表面的剖视图，这些平面线圈按层堆叠在彼此上方并且连接以形成一种螺线管线圈。在该多层板的每一层级中，存在平面线圈1-6的示例，各自具有三个线匝。这些线匝从内侧到外侧或从外侧到内侧延行。例如，第一平面线圈1的绕组从外侧缠绕到内侧，并且经由电通孔电连接至位于其下方的第二平面线圈2的第二绕组。该第二平面线圈2继而从内侧缠绕到外侧，并且继而经由另一个电通孔(在此未示出)连接至所示多层板的第三层级中的第三平面线圈3。以这种方式，形成了在多层板的六个层级上延伸的圆柱线圈或螺线管。

多层板技术特别适合于以紧凑且轻便的设计实现高功率应用。这样的一个示例是已经提到的DE102008062575A1的线性电动机的初级部分，其实现为多层板。由于在此类应用中存在高电流，因此热量排除是一个特殊的挑战。多层板的能量密度越高，设计可以越紧凑，但对多层板热量排除的要求越高。如在图1中可看出，为了从多层板上排除热量，必须将平面线圈的内线匝中产生的热量横向消散到多层板的外边缘，然后再将其传导至板的表面。每个平面线圈的各个线匝之间都需要绝缘间隙，由于技术原因，该间隙必须为几百微米左右。由纤维增强塑料制成的板材料或通常用于隔离各层的预浸料层均不具有良好的热导率。因此，在这种板叠堆内的横向热传输代表特殊的挑战。

在DE102015222400A1中公开了在这种多层板形式的层叠线圈系统中的改进的横向热消散。该文献教导了一种具有根据本权利要求1的前序部分的特征的线圈系统并且代表了最接近的现有技术。按层竖直位于彼此上方的扁平线圈各自横向偏移地布置，以便在垂直于多层板的表面的横截面中，扁平线圈的导体轨道部分始终竖直地、与另一个扁平线圈的两个导体轨道部分部分重叠地布置，该两个导体轨道部分垂直接近所述扁平线圈。

部分重叠使得能够跨层进行横向热传输。这意味着，在导体轨道部分中产生的热量有可能通过传递至另一个具有横向偏移的平面线圈的竖直相邻导体轨道部分而横向到达边缘区域。图2示出了这种叠置状结构，其可实现跨层的横向热传输。箭头示出了热传输如何从平面线圈3传递至位于该平面线圈上方的平面线圈2，平面线圈2相对于平面线圈3具有横向偏移，即导致某种形式的叠置。

两个平面线圈2、3仅利用大约50μm至200μm的非常薄的预浸料层彼此分开。由于工艺工程的原因，不能将平面的平面线圈的两个线匝之间的横向间隙最小化。横向上，线匝之间的间隙最小为200μm。(这些间隙比未在图中按比例显示。)

例如，典型的导体轨道的横向宽度为1mm，而导体轨道的厚度例为如100μm。在导体轨道无横向偏移的情况下，利用横向方向上的线匝之间的间隙和导体轨道的厚度来确定横向方向上的热导率。由于叠置，该导热率与另一导热率并联连接，该另一导热率包括在垂直方向上的跨层热传输。对于这一点决定性的热阻主要取决于部分重叠的竖直相邻平面线圈的线匝之间的间隙以及代表重叠区域的导体轨道宽度的比例。例如，如果线匝的横向间隙和位于彼此上方的平面线圈的竖直间隙均为200μm并且与相邻平面线圈的导体轨道竖直重叠的1mm宽导体轨道的面积延伸超过总导体轨道宽度的400μm，则如果导体轨道的厚度为100μm，那么竖直方向上的热导率是横向方向上的四倍。通过位于彼此上方的平面线圈的叠置布置，与完全重叠(即无叠置)的平面线圈的布置相比，这导致热导率高出四倍以上。

因此，叠置能够实现具有明显更好的热导率的跨层横向热传输，因为竖直绝缘间隙对应于线匝之间的横向绝缘间隙的不到五分之一。

DE102015222400A1还公开了一种无源导体轨道结构7，该无源导体轨道结构以梳状方式接合在堆叠并叠置的平面线圈1-6的外导体轨道部分中。该导体轨道结构7未通电。该导体轨道结构与多层板上的所有载流元件都直流隔离。无源导体轨道结构7的任务是将在横向方向上以已经描述的方式穿过多层板传导的热量竖直传输至多层板的一个或两个表面。位于彼此上方的无源导体轨道结构7的导体通过所谓的热通孔8彼此连接，以便能够沿竖直方向在无源导体轨道之间进行热交换，从而将热量传输至一个或多个表面。然后可在一个或多个表面上设置有冷却元件，以便进一步消散热量。

发明内容

本发明的目的是在由平面线圈构成的这种线圈系统中进一步提高能量密度，这些平面线圈以叠置状方式位于彼此上方。

该目的通过一种具有权利要求1的特征的线圈系统来实现。此外，该目的通过一种具有根据权利要求17的特征的方法来实现。

在从属权利要求中可找到本发明的有利实施例。

根据本发明的线圈系统包括第一线圈，该第一线圈具有大量层叠在彼此上方的平面线圈。为了改善横向热传输，提供了现有技术中已知的上述叠置。在这种情况下，术语叠置应理解为是指一种布置，其中在每种情况下，位于彼此正上方的两个平面线圈竖直层叠在彼此之上并具有横向偏移，使得在每种情况下，至少部分地将第一平面线圈的一个线匝和布置在第一平面线圈正上方的第二平面线圈的两个线匝部分重叠地布置。因此，平面线圈的导体轨道部分被位于其下方的平面线圈的两个线匝的导体轨道部分部分覆盖。当然，平面线圈的最上端以及平面线圈的相应外线匝除外，这些平面线圈特别螺旋状延行并且层叠在彼此上方。根据本发明的线圈的导体轨道的叠置还允许各个导体轨道部分(例如，供给管线部分)不会与竖直相邻线圈的两个导体轨道部分部分地竖直重叠。然而，属于线圈的大部分导体轨道都满足上述叠置原理，因此能够通过跨层热传输以相对低的热阻实现横向热传输。

位于彼此上方的平面线圈的横向偏移导致第一线圈在最外线匝的区域中具有一种梳状结构。这种梳状结构是通过位于彼此上方的两个外线匝的竖直偏移而形成的。

根据本发明的线圈系统还包括无源导体轨道结构，该无源导体轨道结构与线圈系统的所有载流绕组直流隔离。该无源导体轨道结构还包括大量层叠在彼此上方的导体轨道。这些导体轨道层叠在彼此上方，使得它们也形成梳状结构。无源导体轨道结构的第一梳状结构接合在第二梳状结构中，该第二梳状结构由位于彼此上方的绕组的外线匝形成。这两个梳状结构彼此直流隔离。因此，第一梳状结构与第二梳状结构电绝缘。

本发明的理念基于实现载流螺旋形堆叠绕组与无源导体轨道结构的基本绝缘。特别地，无源导体轨道结构的另外的绝缘是不必要的，以满足根据DIN EN 60664-1的基本绝缘的要求。根据本文中引用的DIN EN 60664-1，基本绝缘应理解为在危险电压下对各部分进行基本保护的绝缘。因此，基本绝缘对于直接接触保护至关重要，与功能绝缘不同。功能绝缘仅可确保导电部分之间的绝缘，这仅是装备的预期功能所必需的。

为此目的，必须将每个绕组的外线匝与无源导体轨道结构之间的横向间隙选择为足够大。例如，需要至少1.2mm的横向间隙才能承受4kV的测试电压。例如，使用这样的测试电压，可测试针对400V的三相输入侧电源设计的印刷电路板电动机。例如，当经由具有中间电压电路的标准B6桥接电路供电时，这会产生730V的中间电路电压。另一方面，在竖直方向上，在彼此接合的无源导体轨道结构的导体轨道与线圈的外线匝之间仅需要200μm厚的预浸料层，以确保对无源导体轨道结构的基本保护。

由于无源导体轨道结构仍然被位于彼此上方的平面线圈的外线匝部分地竖直覆盖，因此热量仍然可从载流绕组传递至无源导体轨道结构。如上所述，在竖直方向上，在无源导体轨道结构的梳状联锁元件与外线匝之间的薄的绝缘预浸料层足以确保基本绝缘。这个小的绝缘间隙使得从第一线圈到无源导体轨道结构的良好热传递成为可能。

然而，如上所述，横向方向上的绝缘间隙更为关键。可将该绝缘间隙选择为足够大，而不会显著损害到无源导体轨道结构的热传递。例如，可选择无源导体结构与第一线圈的外线匝之间的横向绝缘间隙，使得其在任何时候都不小于位于彼此正上方的平面线圈之间的竖直间隙的6倍，特别是10倍。以这种方式，借助于无源导体轨道结构在线圈系统的边缘区域中实现了基本绝缘，该无源导体轨道结构以极好的方式热连接至载流线圈。然而，无源导体轨道结构可与载压元件基本绝缘并且因此特别也可以被接触。由于无源导体轨道结构的导体与平面线圈的外线匝在竖直方向上有足够的重叠，因此平面内热传输的热阻主要由无源轨道结构与平面线圈的外线匝之间的横向间隙决定，并且必须较大以确保基本绝缘。热传输主要发生在各层之间，因为一方面必须在竖直方向上克服明显较小的绝缘间隙，另一方面，由于导体轨道在在梳状结构内的充分重叠，也有较大的区域可用于通过绝缘层进行热传输。

可进一步改善从线圈系统的热量排除，因为线圈系统包括用于液体冷却剂的冷却通道。可使这种液体冷却剂特别靠近第一载流线圈，因为冷却通道沿着第一线圈的边缘区域延行并且利用无源导体轨道结构与第一线圈电绝缘。由于无源导体轨道结构已经与第一线圈基本绝缘，但仍然完美地热连接至第一线圈，因此液体冷却剂对无源导体轨道结构的有效冷却也导致了第一线圈的有效冷却。这也通过无源结构的背离第一线圈的外线匝的侧代表冷却通道的侧壁来实现。以这种方式，可使液体冷却剂与无源导体轨道结构直接接触，这导致很少的热量传递至第一线圈。

通过由梳状无源导体轨道结构接合线圈的外线匝来实现基本保护，可在线圈和无源导体轨道结构之间结合高的电绝缘强度和良好的导热性。冷却管道与线圈系统的主动的发热部分的连接相应地是有效的。

实现了热传递的进一步改进，因为冷却通道的面向液体冷却剂的表面是镀铜的，其中冷却通道的镀铜表面流电连接至层叠在彼此上方的无源导体轨道结构的大量导体轨道。这进一步优化了液体冷却剂和无源导体轨道结构之间的热传递热阻。根据关于接触保护的现行规定，特别是根据DIN EN 60664-1，这是可能的，因为无源导体轨道结构与第一线圈基本绝缘。

可实现第一线圈可产生的磁通密度的增加，因为大量层叠在彼此上方的平面线圈被铁芯穿过。例如，该铁芯可由SMC材料组成。层叠在彼此上方的绕组可利用薄的预浸料层彼此绝缘。

如果在层叠在彼此上方的平面线圈的叠堆的上侧和下侧上设置有预浸料覆盖层，则这可在每种情况下在表面上实现线圈系统的基本绝缘。如果第一线圈也被特别是由SMC材料制成的铁芯穿过，则可在叠堆的上侧和下侧上使用预浸料层，以确保铁芯与平面线圈的最内线匝之间的绝缘间隙小于实现基本绝缘所需的绝缘间隙。整个叠堆的基本绝缘已经通过顶部和底部的预浸料层得到了保证。减小铁芯和每个平面线圈的最内线匝之间的间隙，进一步增大了所提出的线圈系统可能产生的最大可能磁通密度。特别地，如果在第一线圈的边缘区域中设置有冷却通道，该冷却通道与第一线圈的无源导体轨道结构分开，则顶部预浸料层和底部预浸料层也不会对来自线圈系统的热量排除产生负面影响，因为热量排除并非主要在上侧和下侧上进行，而是在至少一个冷却通道在其上延行的至少一个端面上进行。

线圈系统可设计为多层板，其中绕组和每一层的无源导体轨道结构的导体轨道布置在多层板的共同单板上。第一步，生产单板并进行金属化。然后，通过蚀刻得到用于形成相应平面线圈的期望导体轨道和每个单独层的无源导体轨道结构。也可在每个单板上提供用于引导液体冷却剂的冷却通道的空间。然后将单板层叠在彼此上方以形成叠堆，使得在彼此层叠的平面线圈之间产生期望的横向偏移，以便形成叠置结构。每个单板的无源导体轨道也横向偏移层叠在彼此上方，使得能够形成第一梳状结构。

出于绝缘的目的，例如在各个单板之间布置预浸料层。通过烘烤以这种方式堆积的板叠堆，预浸料层既用作绝缘层，又用作导体轨道之间的粘合层。

然后引入电通孔以将竖直相邻的平面线圈彼此电连接。然后可将冷却通道铣削至多层板中。这在无源导体轨道结构的背离第一线圈的侧上发生。在冷却通道被铣削之后，冷却通道可在其内侧进行金属化，特别是镀铜。衬在冷却通道上的这种铜层有利地流电连接至无源导体轨道结构的先前施加的导体轨道。因此使以这种方式产生的无源导体轨道结构与冷却通道的内衬之间的热阻最小。

线圈系统的一种替代实施例规定，绕组和多个层的无源导体轨道结构的导体轨道是由同一金属片材，特别是铜片材通过分离工艺生产的，并且在位于彼此正上方的每两个绕组之间布置有绝缘层。

每一层的无源导体轨道结构的平面线圈和导体轨道是例如从金属片材冲压出的。使用冲压线圈代替某一结构作为多层板可节省大量成本。预浸料继而可用作各个冲压线圈之间的绝缘层和粘合层。层叠在彼此正上方的绕组可利用由导电材料制成的销彼此电连接，该销穿过存在于绕组之间的绝缘层，特别是预浸料层。

当从位于彼此上方的各个线圈上切下金属片材始终相同时，形成由冲压线圈对线圈系统的特别有利和简单的生产。因此，可想到一种实施例，其中绕组和一个位于彼此上方的四个层的无源导体轨道结构的导体轨道具有相同的金属片材切口。在位于彼此上方的四个层内的所述金属片材切口布置在第二层中，作为第一层的镜像金属片材切口。在第三层中，将第一层的金属片材切口旋转180度。在第四层中，将第一层的金属片材切口镜像并且旋转180度。这将形成四层叠堆，从而形成期望的叠置。可根据需要经常重复四个层的这种布置。在此描述的顺序并非强制性的。

当然，线圈系统也可包括多于一个线圈。如果例如除了第一线圈之外还设置有第二线圈，则该第二线圈与第一线圈横向偏离地布置。该第二线圈还包括平面线圈，这些平面线圈堆叠在彼此上方并且彼此横向偏移，因此，它也符合叠置原则。在第一线圈与第二线圈之间沿横向方向的热传递通过以下这一事实得到确保，即第一线圈的外线匝和第二线圈的外线匝以梳状方式接合并且因此竖直重叠。因此，热量再次在位于彼此上方的导体轨道部分之间沿竖直方向从第一线圈的外线匝传递至第二线圈的外线匝，以便随后能够进一步横向传输。

例如，以这种方式，可借助于这种线圈系统来实现电动机的初级部分。例如，该电动机可以是线性电动机，该线性电动机除了所述初级部分之外还具有次级部分，该次级部分经由气隙与初级部分间隔开并且特别地配备有永磁体。

在一种用于生产根据一些前述实施例所述的线圈系统的方法中，首先生产各个层，各自包括平面线圈和无源导体轨道，该无源导体轨道在每个相应层中与平面线圈的外线匝横向偏移，即利用横向绝缘间隙与平面线圈电绝缘。例如，该层可以是对应地进行了金属化和蚀刻的印刷电路板。然而，也可想到的是，所描述的结构例如是由铜片材冲压而成的。

然后将这些单独的层布置在彼此上方以形成叠堆。这种布置形成了叠置结构，该叠置结构导致叠堆中的横向热传输。在每个相应的层之间施加绝缘层。此外，层叠在彼此上方的无源导体轨道形成第一梳状结构，该第一梳状结构在第一线圈的边缘区域中接合至第二梳状结构中，该第二梳状结构是利用位于彼此上方的绕组的外线匝的横向偏移而产生的。

根据本发明，必须确保在无源导体轨道结构和每个绕组的外线匝之间保持横向间隙，这使得第一线圈在其中两个梳状结构彼此接合的边缘区域中发生基本绝缘。当然，还必须经由中间预浸料层竖直地保证基本绝缘。

堆叠在彼此上方的两个层可利用绝缘层(例如，预浸料层)彼此分开。然而也可考虑的是，特别是在冲压线圈方面，为此目的而使用的金属片材切口被粉末涂覆。然而，在将各个层层叠在彼此上方之后，仍然必须在各个平面线圈之间进行电连接。为此，例如可使用导电销，该导电销被打入穿过绝缘层的对应孔中。

附图说明

下面使用在附图中示出的示例性实施例更详细地解释本发明。

在附图中：

图1示出了现有技术中已知的具有竖直位于彼此上方的平面线圈的线圈，

图2示出了现有技术中已知的具有竖直位于彼此上方的平面线圈的线圈，其中提供了竖直相邻导体轨道部分的横向偏移，

图3示出了具有呈两块多层板形式的线圈系统的本发明的实施例，该两块多层板堆叠在彼此上方，具有基本绝缘的冷却通道，

图4示出了具有竖直层叠在彼此上方的冲压平面线圈的线圈系统，

图5示出了具有竖直层叠在彼此上方的冲压平面线圈的图4的线圈系统的剖视图，

图6示出了根据图4和图5的线圈系统的金属片材切口，

图7示出了在围绕垂直于附图平面的轴线旋转180°之后的根据图6的金属片材切口，

图8示出了在围绕枢轴中心轴线镜像后的根据图6的金属片材切口，

图9示出了在围绕枢轴中心轴线镜像后的根据图7的金属片材切口，

图10示出了设计为印刷电路板的线圈系统的剖视图，该线圈系统的顶部和底部具有铁芯和预浸料层，

图11示出了设计为印刷电路板的另一个线圈系统的剖视图，该线圈系统具有大量横向相邻线圈，这些横向相邻线圈具有竖直层叠在彼此上方的平面线圈，以及

图12示出了根据本发明实施例的具有设计为多层板的初级部分的线性电动机。

具体实施方式

图1示出了现有技术中已知的具有平面线圈1-6的线圈，这些平面线圈竖直位于彼此上方。多层板由总共三块单板组成，这些单板层叠在彼此上方，利用两个预浸料层9彼此分开。该板叠堆中的第一板被金属化，在第一板的上侧具有第一平面线圈1，在第一板的下侧具有第二平面线圈2。在该第一板下方的是第二板，在第二板的上侧具有第三平面线圈3，在第二板的下侧具有第四平面线圈4。在底部的是第三板，在第三板的上侧具有第五平面线圈5，在第三板的下侧具有第六平面线圈6。使用现有技术中已知的制造技术来制造这三块板。这些板的构造相同。然后将这些板堆叠在彼此上方，并利用具有电绝缘性质的预浸料9将它们彼此分开。然后烘烤以这种方式形成的板叠堆，以便预浸料层9将三块单板彼此机械地连接并使它们彼此电绝缘。预浸料层9仅在一些点处被通孔(在此未示出)穿过，该通孔串联地连接竖直位于彼此上方的平面线圈1-6。

如开始时已经提到的那样，对于多层板或利用其实现的线圈系统的这种结构，横向方向上的热导率相对较低，因为出于制造原因，必须在每个平面中在绕组的横向相邻线匝之间保持相对较大的绝缘间隙。导体轨道的厚度(其也决定了多层板的某一层内的横向热导率)在约100μm的范围内。该电绝缘间隙导致相对较大的热阻。

图2中所示的并且也从现有技术中已知的线圈(其中平面线圈1-6也竖直位于彼此上方)对于改善横向热传输是有利的。然而，为了改善热传输，在此提供了竖直直接相邻导体轨道部分的横向偏移。以这种方式，可能更容易在横向方向上传输板内部的热量，因为现在可在单板之间进行跨层热传递，其热阻由平面线圈之间的竖直绝缘间隙以及竖直相邻平面线圈的各个导体轨道部分的重叠区域决定。该热阻显著低于板层内的热阻，这是由于以下这一事实，即与各个线匝之间的横向间隙相比，预浸料层9相对较薄，以及与导体轨道的竖直厚度相比，导体轨道的重叠区域相对较大。以对应的方式，与从一个线匝到多层板的同一平面上的横向相邻线匝的热传递相比，从层的导体轨道部分通过预浸料层9到竖直相邻导体轨道部分的热传递与显著更低的热传递热阻相关联。这种热传输在图2中通过箭头示出。

无源导体轨道结构7位于图2所示的多层板的横向边缘上。该无源导体轨道结构以梳状方式接合绕组2、4、6的外线匝。无源导体轨道结构7与多层板上的所有载流导体轨道电绝缘。由于无源导体轨道结构7的梳状布置，可发生从平面线圈2、4、6的外线匝沿竖直方向到无源导体轨道结构7的导体轨道的热传递，其中该热传递必须仅克服由预浸料层9引起的在竖直方向上的相对较低的热阻。多层板被无源通孔8穿过，该无源通孔与位于多层板的上侧的冷却元件10接触。因此，来自无源导体轨道结构7的各个导体轨道的热量利用热通孔8在竖直方向上传导至冷却元件10。

如果用户在操作期间可接触到冷却元件10(在此仅示意性地示出)或者冷却元件与例如液体冷却剂接触，则必须在冷却元件10与无源导体轨道结构7或热通孔8之间提供基本绝缘，以便确保适当的接触保护。然而，这种基本绝缘(图2中未示出)导致高的热阻，这会阻止热量从无源导体轨道结构7传输至冷却剂。

图3示出了具有呈两块多层板11、12形式的线圈系统的本发明的实施例，该两块多层板堆叠在彼此上方，各自具有基本绝缘的冷却通道13。两块多层板11、12的构造相同。具有相同设计的上部多层板12已置于旋转了180°的下部多层板11上。由预浸料9制成的绝缘层位于两块多层板11、12之间。

平面线圈1-6具有与结合图2已说明的相同的叠置布置。堆叠在彼此上方的螺旋形绕组1-6的外绕组也以梳状方式接合在无源导体轨道结构7中。冷却通道13横向邻近于该无源导体轨道结构7定位，该无源导体轨道结构已被铣削至多层板11、12中并且已在其内侧进行了金属化，然后再将多层板11、12层叠在彼此上方。施加到每个相应冷却通道13的内侧的金属化层14流电连接至无源导体轨道结构7，以便导体轨道结构7很好地热连接至每个相应冷却通道13的内壁。液体冷却剂流过冷却通道13，以便有效地消散经由无源导体结构7引入的热量。

这种非常有效的热传递的决定性因素是，无源导体轨道结构7基本绝缘于线圈系统的载压绕组1-6。这使得无源导体轨道结构7与冷却通道13的内壁的金属化层14的低阻连接成为可能。在该示例中，基本绝缘通过以下这一事实得到确保，即无源导体轨道结构7与第一线圈的外线匝之间的横向绝缘间隙15在任何点上都不小于绕组1-6的竖直间隙的六倍，这些绕组位于彼此正上方。当然，这预示着由预浸料层9确保的竖直绝缘间隙也满足基本绝缘的要求，即其足够厚以保证基本绝缘并防止意外接触。

图4示出了具有冲压平面线圈17的线圈系统，这些线圈竖直层叠在彼此上方。每个平面线圈17都已连同无源导体轨道16一起从金属片材，特别是铜片材冲制而成。位于彼此上方的无源冲制导体轨道16以梳状方式接合在冲制线圈17的外线匝中。金属片材切口，其与所得的冲压绕组17和冲压无源导体轨道16一起堆叠在彼此上方，设计成使得可继而在一个端面处形成冷却通道13。示出的形成冷却通道13的布置也位于线圈系统的相对的端面端(在此未示出)上。

在此，在各个冲压绕组17之间也存在预浸料层。将预浸料层置于冲压绕组之间，然后再将这些绕组17堆叠在彼此上方。然后在烘箱中烘烤整个叠堆，以便形成彼此电绝缘的冲压绕组17的机械复合材料。

在确定冲制绕组的线匝之间以及冲制绕组17与冲制无源导体轨道16之间的间隙的尺寸时，重要的标准是再次确保与冷却通道13的基本绝缘。

为了增大所示的线圈系统可能产生的磁通密度，螺旋形冲制绕组17被SMC材料制成的铁芯18轴向穿过。

为了从各个堆叠的冲制绕组17以螺线管线圈的方式实现线圈系统，必须将位于彼此上方的冲制绕组17彼此电连接。这通过在竖直相邻的冲压绕组17之间有针对性地引入电通孔19来实现。在图5中可以更清楚地看到这些电通孔19，图5是图4的线圈系统的剖视图。电通孔19为金属销，特别是铜销，其被引入对应的孔中。在适当位置钻穿绕组叠堆后，首先将导电销钉打入钻孔中，钻孔穿过整个绕组叠堆。为了实现所示的在两个竖直相邻的冲压绕组17之间的特定电连接，随后钻出每个导电销的不希望的部分，以便电通孔19仅保持在期望的位置。

图6至图9示出了金属片材切口20，在此基础上构造了图4和图5所示的线圈系统。在所有附图中示出了相同的金属片材切口20。图7示出了在围绕垂直于附图平面的旋转轴线旋转180°之后的根据图6的金属片材切口。图8示出了已在竖直中心轴线y轴上镜像之后的根据图6的金属片材切口。图9中的金属片材切口对应于图7中的金属片材切口，但也在竖直中心轴线上镜像。参照图6中的图示，图9中所示的金属片材切口对应于根据图6的金属片材切口围绕正交于x平面和y平面延行的旋转轴线旋转180°，并随后在竖直延行的中心轴线y轴上镜像。

现在可以非常容易地通过在图6至图9所示的层中顺序地堆叠金属片材切口20来构造图4和图5所示的线圈系统。这意味着根据图6的金属片材切口之后是根据图7的金属片材切口，在根据图7的金属片材切口上继而放置根据图8的金属片材切口，最后根据图9的金属片材切口将所得叠堆朝向顶部闭合。在金属片材切口20之间放置预浸料层以便绝缘。

由于金属片材切口20相对于其纵向轴线Y或相对于其横向轴线X无轴向对称性，因此当金属片材切口20层叠在彼此上方时发生期望的叠置，这导致了线圈系统内的有利的横向热传输。

在金属片材切口20的前端处，通过虚线标记冷却通道的位置。仅在将各个金属片材切口20层叠在彼此上方且随后金属化之后，才将其铣削至所得叠堆中。

当然，线圈系统可包括多于四个冲压平面线圈。然后，如结合图6至图9所述，金属片材切口20的布置序列顺序地继续进行。这意味着根据图9的金属片材切口之后是根据图6的另一金属片材切口，该根据图6的另一金属片材切口继而被根据图7的金属片材切口覆盖，依此类推。只要保持期望的叠置，也可改变层叠的顺序。

金属片材切口20的位置在图6至图9中用参考符号21表示，其中在金属片材切口20层叠在彼此上方之后形成孔21。在这些层胶合后，这些孔将电触点与冷却通道分开。

图10示出了根据本发明的示例性实施例的穿过印刷电路板22的剖视图。该剖面平行于印刷电路板22的平面穿过印刷电路板22的内层。印刷电路板22的内层具有多个导体轨道23，该多个导体轨道设计为螺旋状延行，以便在该层内形成多个绕组1。借助于每个绕组1，可产生垂直于印刷电路板22的平面(在此为切割平面)取向的磁场。磁场在由导体轨道23形成的每个相应螺旋的中心处具有其最大值。

导体轨道23由金属材料，优选由含铜材料，特别优选由铜形成。导体轨道23被电介质材料24包围，该电介质材料使螺旋形导体轨道23的各个部分彼此电绝缘。电介质材料24优选地为FR4材料。

除了图10所示的印刷电路板22的位置之外，印刷电路板22还具有另外的层。在这方面，印刷电路板22为多层印刷电路板，其也称为多层板。印刷电路板22可具有四个、八个、十个、十二个、十四个或更多个层，其中在每个层中都布置有导体轨道。其他层的导体轨道也具有螺旋结构，以便在这些层中也形成平面线圈。分别相邻的层的导体轨道23经由所谓的通孔19(垂直于板的平面的导电连接)彼此连接。例如，在图10所示的层中，设置有将导体轨道3连接至相邻层的导体轨道的通孔19，以便形成在垂直于板平面的方向上延伸的绕组1。

在印刷电路板22内也布置有由铁磁材料或亚铁磁材料制成的多个单独的铁芯18。每个铁芯18都在垂直于印刷电路板22的层的方向上延伸。铁芯18由金属片材和/或压制粉末材料层形成。铁芯18的材料为铁、铁磁合金或铁氧体。铁芯18设置在螺旋形导体轨道23内，形成绕组1。由绕组1产生的磁通量被铁芯18捆绑，并且增加了磁通密度。

铁芯18完全设置在印刷电路板22内，并且与印刷电路板22的周围电绝缘。铁芯18经由平行于印刷电路板22的层布置的第一电介质层(例如，印刷电路板22的电介质覆盖层)绝缘。印刷电路板22的第一表面上的相应铁芯18可经由第一电介质层与环境绝缘。此外，印刷电路板22具有第二电介质层，该第二电介质层也平行于印刷电路板22的层布置。在印刷电路板22内在第一电介质层和第二电介质层之间布置有铁芯18。在这方面，每个铁芯18均利用印刷电路板22的第一表面上的第一电介质层和利用与第一表面相对的第二表面上的第二电介质层与环境绝缘。

第一电介质层和第二电介质层由FR4材料形成。FR4材料的热导率优选地为至少0.5W/(mK)，特别优选地为至少1W/(mK)，以便可利用第一电介质层和第二电介质层更好地将在线圈操纵期间发生的欧姆热损失消散到外部。

第一电介质层和第二电介质层提供铁芯18与印刷电路板22的周围的基本绝缘。铁芯18完全布置在印刷电路板22内使得例如电动机的紧凑设计成为可能；此外，这还允许将在印刷电路板22内侧在相应的铁芯18和相关联的绕组1之间提供的绝缘设计得较弱，从而提高绕组1和由堆叠绕组或其中使用了印刷电路板22的电动机产生的线圈的性能。这些优点将在下面参考图11进行详细说明。

图11示出了用于电动机的印刷电路板22的第二示例性实施例。与图10所示的示例性实施例相比，图11仅示出了一个铁芯18。与根据图110的印刷电路板一样，该另一个示例性实施例的印刷电路板22可具有由铁磁或亚铁磁材料制成的若干个单独的铁芯18。在印刷电路板22的第一表面上设置有第一电介质层25，该第一表面在下文称为上侧。在印刷电路板1的与第一表面相对的第二表面上布置有第二电介质层26，该第二表面在下文中称为下侧。因此，在印刷电路板22内在第一电介质层25和第二电介质层26之间布置有铁芯18。第一电介质层25在印刷电路板22的上侧上形成覆盖层，并且第二电介质层26在印刷电路板22的下侧上形成覆盖层。

图11中的图示还示出了印刷电路板22的某一层，该层具有螺旋形导体轨道23。除了所示的层之外，还可存在另外的层，这些层特别具有螺旋形导体轨道23，这些导体轨道电连接至所示层的导体轨道23。为了使导体轨道23与铁芯18电绝缘，设置了该层的绝缘区27。绝缘区27由电介质材料例如由FR4材料形成。选择绝缘区27的材料和/或绝缘区27的尺寸，使得与绝缘区相比，第一电介质层25和第二电介质层26具有更大的击穿电压和/或更大的绝缘电阻。因此，第一电介质层25和第二电介质层26可使得线圈和铁芯与周围环境的基本绝缘成为可能。绕组的导体轨道23和铁芯18之间的绝缘必须仅满足功能绝缘的较低要求。可任选地规定，绝缘区27以及第一电介质层25和第二电介质层26由相同的电介质材料形成并且绝缘区27的第一厚度D1小于第一电介质层25的第二厚度D2并且小于第二电介质层26的第三厚度D3。任选地，绝缘区27可由与第一电介质层25和第二电介质层26不同的电介质材料形成，其中绝缘区27的第一厚度D1大于第一电介质层25的第二厚度D2并且大于第二电介质层26的第三厚度D3。例如，绝缘区27的第一厚度D1可在200μm至300μm的范围内，并且第一电介质层25的第二厚度D2和第二电介质层26的第三厚度D3可在110μm至190μm的范围内，优选地在140μm至160μm的范围内，特别优选为150μm。

图12示意性地示出了具有初级部分28的线性电动机，该初级部分可构造为多层板。这种初级部分28非常紧凑和轻便，以便特别适合于高度动态应用。该初级部分28与次级部分29进行电磁相互作用。次级部分29包括嵌入在软铁床上的永磁体30。初级部分28和次级部分29利用气隙31彼此间隔开。通过使初级部分28中存在的螺线管线圈适当地通电，可实现初级部分28的平移、高动态运动。

附图标记说明

1-6 平面线圈

7 无源导体轨道结构

8 热通孔

9 预浸料层

10 冷却元件

11 下部多层板

12 上部多层板

13 冷却通道

14 金属化层

15 横向绝缘间隙

16 冲压无源导体轨道

17 冲压绕组

18 铁芯

19 电通孔

20 金属片材切口

21 孔

22 印刷电路板

23 导体轨道

24 电介质材料

25 第一电介质层

26 第二电介质层

27 绝缘区

28 初级部分

29 次级部分

30 永磁体

31 气隙。

Claims (19)

1.一种线圈系统，所述线圈系统包括第一线圈，所述第一线圈具有大量层叠在彼此上方的平面线圈(1-6)，

在每种情况下，位于彼此正上方的两个平面线圈(1-6)竖直层叠在彼此之上并具有横向偏移，使得在每种情况下，至少部分地将第一平面线圈(1)的一个线匝和布置在所述第一平面线圈正上方的第二平面线圈(2)的两个线匝部分重叠地布置，

所述线圈系统包括无源导体轨道结构(7)，所述无源导体轨道结构与所述线圈系统的所有载流平面线圈(1-6)直流隔离，并且具有大量导体轨道(23)，所述导体轨道层叠在彼此之上并且形成第一梳状结构，

所述第一梳状结构在所述第一线圈的至少一个边缘区域处接合至第二梳状结构中，所述第二梳状结构由位于彼此上方的所述平面线圈(1-6)的外线匝的横向偏移产生，

其特征在于，每个平面线圈(1-6)的所述外线匝与所述无源导体轨道结构(7)的横向绝缘间隙(15)的尺寸确定为使得所述第一线圈相对于所述无源导体轨道结构(7)基本绝缘。

2.根据权利要求1所述的线圈系统，其中所述两个梳状结构相对于彼此布置，使得在所述无源导体轨道结构(7)与所述第一线圈的所述外线匝之间的所述横向绝缘间隙(15)在任何时候都不小于位于彼此正上方的所述平面线圈(1-6)的竖直间隙的6倍。

3.根据权利要求1或2所述的线圈系统，其中所述线圈系统包括用于液体冷却剂的冷却通道(13)，所述冷却通道沿着所述第一线圈的所述边缘区域延行并且经由所述无源导体轨道结构(7)与所述平面线圈(1-6)的外线匝之间的所述横向绝缘间隙(15)与所述第一线圈以电的方式基本绝缘。

4.根据权利要求3所述的线圈系统，其中所述无源导体轨道结构(7)的背离所述第一线圈的所述外线匝的侧代表所述冷却通道(13)的侧壁。

5.根据权利要求4所述的线圈系统，其中所述冷却通道(13)的面向所述液体冷却剂的表面是镀铜的，其中所述冷却通道(13)的所述镀铜表面流电连接至层叠在彼此上方的所述无源导体轨道结构(7)的所述大量导体轨道。

6.根据前述权利要求中任一项所述的线圈系统，其中层叠在彼此上方的所述大量平面线圈(1-6)被铁芯(18)穿过。

7.根据权利要求6所述的线圈系统，其中所述铁芯(18)由SMC材料组成。

8.根据前述权利要求中任一项所述的线圈系统，其中在位于彼此正上方的每两个平面线圈(1-6)之间布置有预浸料层(9)。

9.根据前述权利要求中任一项所述的线圈系统，所述线圈系统各自在层叠在彼此上方的所述平面线圈(1-6)叠堆的上侧和下侧上具有预浸料覆盖层(25、26)，这使得所述线圈系统基本绝缘。

10.根据前述权利要求中任一项所述的线圈系统，其中所述线圈系统设计为多层板(11、12、22)并且其中所述平面线圈(1-6)和每一层的所述无源导体轨道结构(7)的所述导体轨道布置在所述多层板(11、12、22)的共同单板上。

11.根据权利要求1至9中任一项所述的线圈系统，其中所述平面线圈(1-6)和若干层的所述无源导体轨道结构(7)的所述导体轨道由同一金属片材，特别是铜片材通过分离工艺生产而成，并且其中在位于彼此正上方的每两个平面线圈(1-6)之间布置有绝缘层(9)。

12.根据权利要求11所述的线圈系统，其中所述平面线圈(1-6)和每一层的所述无源导体轨道结构(7)的所述导体轨道由所述金属片材冲制而成。

13.根据权利要求11或12所述的线圈系统，其中所述平面线圈(1-6)和位于彼此正上方的四个层的所述无源导体轨道结构(7)的所述导体轨道具有同一金属片材切口(20)，其中在位于彼此上方的所述四个层内的所述金属片材切口(20)布置在：

第二层中，作为所述第一层的镜像金属片材切口(20)，

第三层中，作为所述第一层的旋转了180°的金属片材切口(20)，并且

第四层中，作为所述第一层的旋转了180°镜像金属片材切口(20)。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的线圈系统，其中层叠在彼此正上方的所述平面线圈(1-6)通过由导电材料制成的销(19)电连接，所述销穿过存在于所述平面线圈(1-6)之间的所述绝缘层(9)。

15.根据前述权利要求中任一项所述的线圈系统，所述线圈系统具有第二线圈，所述第二线圈与所述第一线圈横向偏移地布置并且还包括层叠在彼此上方并且彼此横向偏移的平面线圈(1-6)，其中所述第一线圈的外线匝和所述第二线圈的外线匝以梳状方式啮合。

16.一种电动机，所述电动机具有：初级部分(28)，所述初级部分包括根据前述权利要求中任一项所述的线圈系统；以及次级部分(29)，所述次级部分经由气隙(31)与所述初级部分(28)间隔开。

17.一种用于生产线圈系统的方法，所述方法具有以下方法步骤：

生产各个层，所述各个层具有：

平面线圈(1-6)，以及

无源导体轨道，所述无源导体轨道在每一层中与所述相应平面线圈(1-6)的外线匝横向偏移，所述无源导体轨道利用横向绝缘间隙(15)与所述相应平面线圈(1-6)电绝缘，

将所述各个层层叠在彼此上方以形成叠堆，使得

在每种情况下，位于彼此正上方的两个平面线圈(1-6)竖直层叠在彼此之上并具有横向偏移，使得在每种情况下，至少部分地将第一平面线圈(1)的一个线匝和布置在所述第一平面线圈(1)正上方的第二平面线圈(2)的两个线匝部分重叠地布置，

并且位于彼此上方的所述无源导体轨道形成第一梳状结构，其中所述第一梳状结构在所述第一线圈的至少一个边缘区域处接合至第二梳状结构中，所述第二梳状结构由位于彼此上方的所述平面线圈(1-6)的外线匝的横向偏移产生，

其中每个平面线圈(1-6)的所述外线匝与所述无源导体轨道结构(7)的所述横向间隙的尺寸确定为使得所述第一线圈相对于所述无源导体轨道结构(7)基本绝缘。

18.根据权利要求17所述的方法，其中在堆叠在彼此上方的每两个层之间布置有绝缘层(9)，并且位于彼此上方的平面线圈(1-6)层利用导电销(19)彼此连接，所述导电销穿过每个相应的绝缘层(9)。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中用于液体冷却剂的冷却通道(13)被铣削至所述叠堆中，所述冷却通道沿着所述第一线圈的边缘区域延行并且利用所述无源导体轨道结构(7)与所述第一线圈电绝缘。

Images