DE102005021726A1

DE102005021726A1 - Modul für einen bürstenlosen Elektromotor und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE102005021726A1
Application number: DE200510021726
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Martin Dipl.-Ing. Steigerwald
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-11-16
Also published as: WO2006119938A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Modul (11) für einen bürstenlosen, mehrphasigen Elektromotor. Das Modul (11) besitzt einen Tragkörper (12) aus Kunststoff, der Stecker (19-22), Träger (25-27) zur Befestigung eines Hall-Sensors besitzt, die über Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Erfindungsgemäß wird das Modul (11) unter Verwendung einer MID-Technologie hergestellt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Modul für einen bürstenlosen Elektromotor mit einem Tragkörper, Steckern, einem Aufnahmeelement für einen Sensor, insbesondere einen Hall-Sensor, und Leiterbahnen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls für einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Hintergrund der Erfindung

Aus der Druckschrift DE 103 15 871 A1 der Anmelderin ist ein bürstenloser Gleichstrommotor bekannt, bei dem ein Gehäuse des Gleichstrommotors mit einem Deckel axial verschlossen ist. Der Deckel ist integral mit einem Steckermodul ausgebildet, welches einen Tragkörper aufweist, der aus einem warmfesten Kunststoff besteht. Leiterbahnen, die als Träger elektrischer Signale dienen und Stecker mit Anschlüssen für Phasen eines Stators des Gleichstrommotors verbinden, sowie Stecker für Anschlüsse mit Hall-Sensoren sind von einem Stanzgitter gebildet, die (allseitig) von dem Kunststoff des Tragkör pers umspritzt sind. Das Steckermodul kann zusätzlich einen Zentrierbund für einen Lagersitz aufweisen und Verstärkungsringe für die Aufnahme von Kräften von Befestigungsschrauben.

Weiterer Stand der Technik ist beispielsweise aus den Druckschriften DE 297 24 873 U1 und DE 198 15 964 A1 bekannt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Modul für einen bürstenlosen Elektromotor zu schaffen, das hinsichtlich

– der Herstellungsmöglichkeiten,
– der Integration und Bereitstellung der Leiterbahnen,
– der Bauraumgröße,
– der Komplexität der Geometrie des Moduls,
– der Kosten

verbessert ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 7.

Erfindungsgemäß verfügt das Modul über einen Tragkörper, der mit Kunststoff gebildet ist. Ein derartiger Tragkörper ist auf einfache Weise und kostengünstig unter den bekannten Herstellungsverfahren herstellbar, wobei vorzugsweise ein Spritzgussverfahren Einsatz findet. Der Tragkörper dient der Aufnahme, der Befestigung und der Abstützung der weiteren, im Folgenden genannten Bauelemente, wobei der Kunststoff geeignet für den jeweiligen Einsatzzweck gewählt sein kann, beispielsweise temperaturbeständig und/oder öl- oder schmiermittelbeständig ist. Weiterhin besitzt das erfindungsgemäße Modul Stecker, die elektrische Verbindungen des Moduls mit benachbarten Bauelementen ermöglichen. Beispielsweise können die Stecker einer elektrischen Leistungsversorgung für Phasen des Stators des Elektromotors dienen. Weiterhin kann eine Spannungsversorgung für dem Modul zugeordnete Sensoren über die Stecker erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann über die Stecker ein elektrisches Signal von dem Modul "abgegriffen" werden, welches von dem Modul zugeordneten Sensoren erzeugt wird.

Zusätzlich besitzt das erfindungsgemäße Modul mindestens eine Aufnahmeeinrichtung zur Anbindung eines Sensors, in der ein Sensor bspw. stoffschlüssig, formschlüssig, reibschlüssig oder über eine Rast- oder Schnappverbindung aufgenommen und gehalten werden kann.

Leiterbahnen des erfindungsgemäßen Moduls sind mit den Steckern, Sensoren und elektrischen Bauelementen des Moduls verbunden oder verbindbar.

Erfindungsgemäß ist das Modul unter Verwendung einer MID-Technologie hergestellt. Für eine derartige Herstellung können verschiedene Materialien eingesetzt werden, bei denen es sich beispielsweise um Hochtemperatur- oder Konstruktionsthermoplaste handelt, die mit unterschiedlichsten Oberflächenbeschichtungen versehen werden. Die Materialien für den Tragkörper werden dabei hinsichtlich der Verarbeitungs- und Gebrauchstemperaturen, eines Schlammschutzes, den mechanischen und elektrischen Eigenschaften, die Spritz- und Metallisierbarkeit sowie hinsichtlich der Kosten ausgewählt. Als Materialien für den Tragkörper finden insbesondere Polypropylen, Acrylnitryl-Butadienstyrol, Polycarbonat, Polyethylenterephtalat, Polybutylenterephtalat, Polyamid, Polyphenylensulfid, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid und Flüssigkristallpolymer Einsatz, die auch als "commodity thermoplastics", "technical thermoplastics" oder "HT-thermoplastics" bezeichnet werden. Die Oberflächen für die MID-Technologie können mit in der Leiterplattentechnik üblichen Oberflächen versehen werden, beispielsweise Zinn, Blei, Gold (galvanisch oder chemisch) oder Nickel. Erfindungsgemäß können die Tragkörper, die her kömmlich geformte Leiterplatten ersetzen, beliebig geformt werden durch Einsatz der MID-Technologie. Weiterhin sind völlig neue Funktionen ermöglicht, wobei auch eine Miniaturisierung der Module möglich ist. Dadurch, dass in den Tragkörper weitere Bauelemente einstückig integriert werden, können zusätzliche mechanische Bauteile eingespart werden, was den Herstellungsaufwand minimiert, die Montage vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht. Für eine MID-Technologie verwendete Werkstoffe sind u. U. ohne Zusätze flammhemmend, können leicht recycelt werden und sind damit umweltverträglich. Durch eine Verwendung einer MID-Technologie können in den Tragkörper, abweichend zu üblichen Leiterplatten, zusätzliche Bauteile und Funktionen integriert werden. Hierbei handelt es sich beispielsweise um Verstärkungsrippen oder Versteifungen, Kühlrippen, Buchsen zur Aufnahme von Bauelementen oder Steckern, Verschraubungselemente, Gehäusefunktionen, Schnappverbindungen zur Anbindung an weitere Bauelemente, Schalter, Abschirmflächen, Dichtelemente, Integration passiver Bauteile und/oder aktiver Bauteile wie beispielsweise Mikrocontroller, Operationsverstärker, Lagersitze u. ä. Darüber hinaus kann unter Verwendung der MID-Technologie eine vereinfachte und/oder verbesserte Leiterbahnentflechtung erfolgen, wobei an Kreuzungspunkten einzelner Leitungsbahnen, u. U. unter Einsatz eines "Jumpers", gezielt elektrische Verbindungen vermieden werden können oder aber durch elektrische Kontakte Kreuzungspunkte oder Verzweigungspunkte geschaffen werden können.

Für die Ausführungsform gemäß dem Stand der Technik finden Stanzgitter Einsatz, die beidseitig mit Kunststoff umspritzt werden müssen, zumindest in Teilbereichen. Hierdurch ergibt sich eine vergrößerte Dickenabmessung eines Moduls, da das Stanzgitter auf eine Grundschicht aufgebracht wird und mit einer Deckschicht aus Kunststoff versehen wird, so dass sich ein dreischichtiger Aufbau ergibt. Erfindungsgemäß wird die Leiterbahn über die MID-Technologie auf eine Kunststoffschicht des Tragkörpers aufgebracht, ohne dass eine zusätzliche dritte Schicht, beispielsweise aus Kunststoff, zwingend erforderlich ist. Handelt es sich bei der Leiterbahn um eine Folie, die auf den Tragkörper aufgeprägt wird, so kann diese mit einer Dicke von z. B. 30-50 μm hergestellt sein, so dass sich eine insgesamt sehr geringe Dickenabmessung ergibt. Hierdurch kann das Modul besser oder dichter an zugeordnete Bauelemente des Elektromotors montiert werden.

Weiterhin erfordert für die Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik die Verbindung des Stanzgitters, dass das Blech des Stanzgitters umgeformt werden muss, um die Kontur des Stanzgitters an die zugeordnete Kontur der Leiterplatte anzupassen. Für einen komplexen Aufbau der Kontur sind hierzu aufwendige Umformprozesse erforderlich, für die eine mangelnde Präzision zu einer unzureichenden Anbindung des Stanzgitters an eine darunter liegende Leiterplatte führen kann. Die Verwendung einer MID-Technologie ist unabhängig von der Kontur des Substrats, so dass der Herstellungsaufwand von der Komplexität der Kontur nicht oder nur unwesentlich abhängt.

Unter der MID-Technologie ("molded interconnect devices") werden spritzgegossene Kunststoffteile verstanden, welche elektrische Leiterbahnen tragen und die je nach Kontur des Tragkörpers zwei- oder dreidimensionale Leiterplatten darstellen. Unter Verwendung der MID-Technologie können elektrische Verbindungen auch aus einer existierenden Ebene herausgeführt werden unter beliebigen Winkeln, so dass den Leiterbahnen elektrische Bauelemente in unterschiedlichste Bauraumrichtungen zugeordnet werden können. Zur Erzeugung feiner zwei- oder dreidimensionaler Leiterbahnen werden erfindungsgemäß vorzugsweise folgende Verfahren eingesetzt:

– Laser-Direct-Structuring,
– Laser-Substractive-Structuring,
– 2-Komponenten-Spritzguss,
– ein Heißprägen,
– ein Maskenbelichtungsverfahren,
– eine Hinterspritzung von Folien.

Bei einem Laser-Direct-Structuring wird der mit einem Metallkomplex versehene Kunststoff mit einem Laser beschrieben. Dies führt zu einer örtlichen Akti vierung des Metallkomplexes. Der Kunststoff lässt sich anschließend an die örtliche Aktivierung in chemischen Bädern metallisieren.

Abweichend hierzu wird bei dem Laser-Substractive-Structuring zunächst eine Fläche des Kunststoffkörpers chemisch aktiviert und metallisiert. Die Strukturierung erfolgt dann durch Laserablation und/oder Belichtung mit anschließenden Ätzprozessen, wodurch die Leiterbahnen getrennt werden.

Bei einem 2-Komponenten-Spritzguss werden in einem zweistufigen Spritzverfahren zwei verschiedene Kunststoffe so ineinander gespritzt, dass an der Oberfläche das Muster der Leiterbahn aus den zwei Komponenten entsteht. Für den Fall, dass für einen ersten Kunststoff ein chemisch gut metallisierbarer Kunststoff gewählt wird, während für den zweiten Kunststoff ein nicht aktiver Kunststoff eingesetzt wird, erzeugt eine chemische Metallabscheidung an den Kunststoffen direkt eine entsprechende Leiterbahnstruktur.

Anschließend an die zuvor dargelegte Verwendung der MID-Technologie erfolgt eine Montage weiterer elektrischer und/oder mechanischer Bauelemente. Als Montagetechniken kann ein Drahtbonden (thermosonic bonden, Ultraschall-Bonden) oder ein "Flip-Chip" (klebend mit isotrop leitendem Klebstoff, anisotrop leitendem Klebstoff und nicht leitendem Klebstoff; Löten, bspw. bleihaltiges Lot mit oder ohne Flussmittel, bleifreies Lot mit oder ohne Flussmittel) eingesetzt werden. Hauptunterschiede zwischen Drahtbonden und Flip-Chip liegen im Platzbedarf, Prozessablauf und Stabilitätsanforderungen. Das Drahtbonden braucht durch die nach außen geführten Drähte viel Platz, weist einen sequentiellen Verbindungsprozess jedes einzelnen Anschlusses auf und zeigt eine gute Stabilität durch die "beweglichen" elektrischen Drahtverbindungen. Hauptvorteil des Flip-Chip-Anbindungsprozesses ist die Platzersparnis und die parallele Verbindung aller Anschlüsse in einem Schritt.

Beim Drahtbondprozess werden die Chipanschlusspads des auf das Substrat geklebten Chips mit einem sehr feinen Metalldraht (meist Au oder Al mit Durchmessern im Bereich 25-70 μm) mit den Leiterbahnen auf dem Substrat verbunden.

Diese Verbindungen erfolgen durch lokales Verschweißen des Drahtes mit der darunterliegenden Metallisierung. Die erforderliche Energie wird entweder rein durch Ultraschallschwingungen des Bondtools oder noch durch zusätzliche Erwärmung eingebracht. Während sich Al-Drähte rein mit Ultraschall bei Raumtemperatur bonden lassen, sind für Au-Drähte Temperaturen von über 100°C erforderlich, was den Einsatz auf den Kunststoffsubstraten durch ihre schlechte Wärmeleitung und leichtere Verformbarkeit bei höheren Temperaturen erschwert.

Die Übertragung des auf planaren Substraten etablierten Drahtbondprozesses auf MID-Teile zeigt sich im Wesentlichen in zwei Punkten als kritisch. Um eine gute Bondbarkeit zu erreichen, sind eine gute Ultraschallübertragung und nicht zu raue Metallschichten erforderlich. Die gute Ultraschalleinbringung erfordert eine "harte" Auflage des Bondtools. Dazu bedarf es einerseits einer guten Fixierung des Bauteiles selbst, was bei diesen meist kleinen MID-Bauteilen zu recht aufwendigen Halterungen führen kann. Andererseits wird eine genügende Steifigkeit des Bauteiles selbst benötigt, was durch die Art des verwendeten Kunststoffes, das Layout und die Metallisierung beeinflusst wird.

Die Forderung nach glatten Metallschichten steht im Widerspruch zur guten Haftung der Metallschicht auf der Kunststoffoberfläche. Nur eine gewisse Rauhigkeit garantiert eine genügende Haftfestigkeit. Außerdem führen die verschiedenen Metallisierungsverfahren zu unterschiedlich rauen Oberflächen. LDS-Schichten sind momentan noch kaum industriell bondbar, jedoch werden durch Variation von Laserparametern und Metallisierung laufend starke Verbesserungen erzielt. Beim Zwei-Komponenten-Spritzguss- und Laser-Substractive-Structering-Verfahren wird der entsprechende Kunststoff direkt chemisch aktiviert und metallisiert, was die Erzeugung bondbarer Schichten mit genügend kleiner Rauigkeit erlaubt.

Beim Drahtbonden bringt die Verwendung von Spritzgussteilen als Montagesubstrate auch Vorteile. Es können z. B. einfach Kavitäten erzeugt werden, in welchen die Chips mechanisch gut geschützt sind und der Glob Top einfach und platzsparend aufgebracht werden kann. Glob Top ist das Vergussmaterial, mit welchem Chip und Bonddrähte eingegossen werden, um diese zu stabilisieren und zu schützen. Bei planaren Substraten ist dazu häufig ein Zweischrittverfahren notwendig, bei dem um den Chip herum zuerst ein Damm aufgebracht wird, welcher dann das weite Zerfließen des über den Chip und Drähte verteilten Glob Tops verhindert.

Bei den Flip-Chip-Techniken wird der Chip umgedreht, und die dann auf der Unterseite liegenden elektrischen Anschlüsse direkt mit den geometrisch korrespondierenden Leiterbahnen verbunden. Die mechanische Befestigung muss somit im gleichen räumlichen Bereich wie die elektrischen Verbindungen erfolgen. Bei den meisten Verfahren (Löten und ICA = Isotropic Conductive Adhesive, isotrop leitender Klebstoff) erfolgen die beiden Schritte getrennt, indem zuerst die elektrischen Verbindungen durch kleine Hügel aus Lot oder leitfähigem Kleber erzeugt und im Prozess (löten oder aushärten) die Kontakte hergestellt werden. Im zweiten Schritt werden dann Chip und Anschlüsse mit einem Underfill noch mechanisch stabilisiert und geschützt. Beim ACA- und NCA-Prozess (ACA = Anisotropic Conductive Adhesive, Anisotrop leitender Klebstoff und NCA = NonConductive Adhesive, Nichtleitender Klebstoff) sind diese zwei Schritte in einem vereint, indem der auf der gesamten Chipfläche aufgebrachte Kleber beim Aushärteprozess beide Funktionen erzeugt. In beiden Fällen sind elektrisch leitende Erhöhungen (Bumps) auf den Chippads und/oder den Leiterbahnen notwendig, um die elektrische Kontaktierung zu gewährleisten. Beim ACA-Prozess enthält der Kleber wenige leitfähige Partikel, welche nur dort zu einer leitfähigen Verbindung führen, wo sie beim Montageprozess durch die Bumps "eingeklemmt" werden. Der NCA ist ein elektrisch nicht leitender Kleber, welcher beim Aushärten mit Druck und Wärme den direkten mechanischen und elektrischen Kontakt der Bumps zur Gegenmetallisierung gewährleistet.

Für die NCA-Flip-Chip-Montage auf den MID-Substraten können insbesondere Chips verwendet werden, welche mit so genannten Au Stud-Bumps versehen sind. Letztere werden mittels eines Standard Au-Drahtbondprozesses erzeugt, indem der Draht nach dem Setzen des ersten Bonds gleich abgeschnitten wird. In einem zweiten Schritt werden alle Drahtstücke auf gleiche Höhe gedrückt.

Auf dem MID-Substrat werden Leiterbahnen erzeugt, welche unter dem Chip zu den entsprechenden Anschluss-Pads führen. Diese können auf MIDs auch in Mulden hinein oder um Kanten herumführen, so dass Chips versenkt oder räumlich dreidimensional angeordnet werden können. Der NCA-Montageprozess hat den Vorteil eines einstufigen Prozesses: Kontaktierung, Fixierung und erster Schutz in einem Schritt. Nach dem Aufbringen des Klebers an der Chipposition wird der umgedrehte Chip so in den Kleber gedrückt, dass die Stud-Bumps auf die entsprechenden Leiterbahnen gepresst werden und den elektrischen Kontakt erzeugen. Unter Aufrechterhaltung des Drucks und Temperaturen im Bereich 150-200°C härtet der Kleber je nach Typ innerhalb von 10-30 Sekunden aus. Die bei der Aushärtung auftretenden Schrumpfkräfte bewirken sowohl eine stabile elektrische als auch eine mechanische Verbindung des Chips. Des Weiteren ist auch die bereits nach unten gerichtete Chipoberfläche eingegossen und somit beschützt.

Entsprechend einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Modul mindestens einen Träger auf. Der Träger ist in einem Endbereich stoffschlüssig mit dem Tragkörper verbunden. Vorzugsweise ist der Träger integral mit dem Tragkörper ausgebildet und beispielsweise in dem Spritzgussverfahren gemeinsam mit dem Tragkörper hergestellt. Alternativ kann ein Träger mit dem Tragkörper verklebt oder verschmolzen sein. Die Träger können bereits während der Fertigung auf Maß und Orientierung gebracht werden oder in einem nachgeschalteten Fertigungsschritt, so dass unabhängig von einer Montage der Träger gemäß dem Stand der Technik die Maßhaltigkeit und Orientierung der Träger zueinander und zu dem Modul auf einfache Weise gewährleistet ist.

In dem dem Tragkörper gegenüberliegenden Endbereich weist der Träger eine Aufnahmeeinrichtung für einen Sensor auf. In die Aufnahmeeinrichtung ist ein Sensor, insbesondere ein Hall-Sensor, einsetzbar, wobei der Sensor durch die Aufnahmeeinrichtung und den Träger gegenüber dem Tragkörper in einer festen Position gehalten ist. Die Verbindung zwischen Aufnahmeeinrichtung und Sensor kann über ein Befestigungsmittel gesichert sein, formschlüssig, reibschlüssig erfolgen oder der Sensor kann in dem Träger verrasten oder einschnappen. Der Träger kann des Weiteren über geeignete Führungskanäle oder Halterungen für Leitungen verfügen, die mit dem Sensor verbunden sind. Hierbei können die Kanäle eine Schutzfunktion gegenüber mechanischen Einwirkungen oder eine Kontamination mit Schmutz oder Öl gewährleisten.

Mehrere Träger sind im Wesentlichen parallel zueinander orientiert, so dass diese parallel zu einer Längsachse des Elektromotors angeordnet werden können.

Die Träger dienen einerseits dafür, die Sensoren beabstandet von dem Tragkörper an einem Messort zu positionieren. Beispielsweise können sich die Träger in geeigneten Nuten eines Stators des Elektromotors erstrecken bis in Bereiche, in denen ein zu erfassendes Magnetfeld vorliegt. Des Weiteren kann eine Wechselwirkung von weiteren elektrischen Bauelementen und den Leiterbahnen mit dem Sensor vermieden werden dadurch, dass der Sensor über den Träger von dem Tragkörper weg verlagert ist. Die Träger sind auch vorteilhaft hinsichtlich einer dynamischen Beanspruchung oder eines Vibrationsschutzes des Sensors und können hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Biegesteifigkeit, derart ausgelegt werden, dass sich eine vorteilhaftes Schwingungsverhalten einstellt.

Für eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Moduls weist der Tragkörper Zentrierelemente auf. Diese können beispielsweise in Form von Zentrierbohrungen bestehen, in die Pass- oder Zentrierstifte von benachbarten Bauteilen, wie beispielsweise ein Stator des Elektromotors o. ä. eintreten. Alternativ oder zusätzlich kann der Tragkörper Zentrierstifte aufweisen, die in geeignete Passbohrungen der benachbarten Bauteile eintreten.

Für eine Weiterbildung der Erfindung ist der Tragkörper in Draufsicht ungefähr U-förmig mit einem Grundschenkel und zwei Seitenschenkeln oder "brückenartig" ausgebildet. Demgemäß umgibt der Tragkörper, abweichend zum Stand der Technik gemäß DE 103 15 871 A1 die Längsachse des Elektromotors nicht vollständig in Umfangsrichtung, sondern lediglich für einen Umfangswinkel von ungefähr 180°. Dieser Ausgestaltung der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrun zugrunde, dass, insbesondere für einen dreiphasigen Gleichstrommotor, bei dem jede Phase auf in Umfangsrichtung gegenüberliegende Wicklungen geführt ist, die Hall-Sensoren nicht über einen Umfangswinkel 360° verteilt sein müssen, sondern dass es ausreichend sein kann, wenn die Hall-Sensoren über einen Winkel < 180° verteilt sind. Demgemäß kann das Modul gegenüber dem Stand der Technik mit halber Umfangserstreckung ausgebildet sein, wobei die Hall-Sensoren abweichend zum Stand der Technik auf der den Anschlüssen zugewandten Seite von der Längsachse des Elektromotors angeordnet sind.

Weiterhin erstrecken sich die Stecker in der Ebene des U von dem Grundschenkel vertikal zu diesem, während sich die Träger vertikal zu dem Tragkörper erstrecken. Die Grundschenkel und die Seitenschenkel definieren innenliegend eine Ausnehmung, durch die die Längsachse des Elektromotors hindurchtritt und die einen Durchmesser besitzt, welcher mit dem Außendurchmesser eines Rotors oder einer dem Rotor zugeordneten Welle des Elektromotors korreliert.

Eine verbesserte, multifunktionale Ausgestaltung des Moduls ergibt sich, wenn eine zusätzliche Aufnahmeeinrichtung für einen Temperatursensor vorgesehen ist.

Vorzugsweise kann das Modul zusammen mit SMD-Hall-Sensoren verwendet werden, beispielsweise wenn das axiale Streufeld des Hauptmagneten oder ein zusätzlicher axial angeordneter Sensormagnet abgetastet werden soll. In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Träger und Sensoren auf der Seite der Leiterbahnen angeordnet sind, u. U. gemeinsam mit einer geeigneten Beschaltung für den Hall-Sensor. Hierdurch kann eine zweiseitige Bestückung des Moduls mit einer notwendigen Durchkontaktierung von der einen auf die andere Seite vermieden werden.

Alternativ können die bedrahteten Hall-Sensoren und ggf. Temperatursensoren mittels einer "through hole"-Montage durch den Tragkörper hindurchgeführt werden, so dass sich die Träger und Sensoren auf der Seite des Tragkörpers befinden, die den Leiterbahnen gegenüberliegt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Moduls für einen Elektromotor ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 8. Zunächst wird ein Tragkörper mit den Trägern einstückig in einem Spritzgussverfahren aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, siehe beispielsweise die zuvor angeführten Materialien, hergestellt. Die Leiterbahnen werden unter Verwendung mindestens einer MID-Technologie auf den Tragkörper aufgebracht, vgl. die zuvor genannten Verfahren. Stecker, die elektrische Verbindungen des Moduls mit benachbarten Bauelementen ermöglichen, beispielsweise elektrische Anschlüsse für Sensoren, elektrische Leistungsversorgungen, werden an dem Tragkörper befestigt. Hierfür kann bereits beim Spritzgussverfahren eine geeignete Aufnahme in dem Tragkörper vorgesehen werden. Alternativ oder zusätzlich können derartige Aufnahmen nachträglich in den Tragkörper eingebracht werden. Anschließend werden die Leiterbahnen und/oder Tragkörper mit elektrischen Bauelementen bestückt, und Sensoren werden in den Trägern, beispielsweise formschlüssig, reibschlüssig, über eine Rastverbindung oder über eine Schnappverbindung, über Befestigungsmittel oder stoffschlüssig, befestigt. Die Leiterbahnen, die Stecker, die Sensoren und/oder die elektrischen Bauelemente werden elektrisch miteinander verbunden. Eine derartige Verbindung kann durch Verdrahten, Verlöten, Verkleben, beispielsweise mit einem SMD-Kleber, erfolgen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
1 eine Inneneinsicht eines als Deckel ausgebildeten Moduls gemäß dem Stand der Technik;
2 eine Seitenansicht des Moduls gemäß dem Stand der Technik entsprechend 1;
3 ein erfindungsgemäßes Modul bei im Wesentlichen 1 entsprechender Blickrichtung (Draufsicht);
4 das erfindungsgemäße Modul gemäß 3 in Seitenansicht und
5 das erfindungsgemäße Modul gemäß 3 und 4 in Unteransicht.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Das in 1 dargestellte Steckermodul 1 besteht aus warmfestem Kunststoff, mit dem ein ebenfalls warmfestes Stanzgitter umspritzt ist. Das Stanzgitter dient als Strombahn und verbindet Stecker 2 mit Anschlüssen 5 für Phasen des Stators eines nicht dargestellten bürstenlosen Gleichstrommotors (BLDC-Motor).
Eine weitere Verbindung besteht zwischen anderen Steckern 3 und nicht dargestellten anderen Anschlüssen 6 für Hall-Sensoren 4, die der elektrischen Kommutierung des BLDC-Motors dienen. Die Stecker 2, 3 und die Anschlüsse 5, 6 sind Bestandteile des Stanzgitters. Die Hall-Sensoren 4 und die anderen Anschlüsse 6 sind durch Schweißen warmfest verbunden.
Das Modul 1 besitzt einen Zentrierbund 7, der zu dessen Zentrierung gegenüber einem nicht dargestellten Motorgehäuse des BLDC-Motors dient. In diesem Motorgehäuse ist der Stator des BLDC-Motors ebenfalls zentriert angeordnet. Da das Modul 1 und der Stator gegenüber dem Motorgehäuse auch drehfixiert sind, ist eine exakte Dreh- und Radiallage der Anschlüsse 5, 6 gewährleistet.
In dem Modul 1 ist koaxial zu dem Zentrierbund 7 ein Lagersitz 8 angeordnet, in dem ein Motorlager eingepresst oder eingeklebt ist. Zur Stabilisierung des Bereichs von Durchgangslöchern 9 gegen die Schraubenkraft von Befestigungsschrauben sind nicht dargestellte, umspritzte oder gefügte Verstärkungsringe vorgesehen. Die Stecker 2, 3 sind Elemente des Anschlussmoduls 10.
Abweichend zu dem in den 1 und 2 dargestellten Modul 1 ist das erfindungsgemäße Modul 11 mit einem Tragkörper 12 gebildet, der ungefähr U-förmig ausgebildet ist mit einem Grundschenkel 13, von dem sich senkrecht und parallel zwei Seitenschenkel 14 und 15 erstrecken. Der Tragkörper 12 bildet innenliegend eine kreisförmige Ausnehmung 16, durch die ein Rotor oder eine Welle hindurchtritt und die ungefähr koaxial zur Längsachse des Elektromotors orientiert ist. Der Tragkörper ist ungefähr plattenförmig ausgebildet mit einer im Bereich des Grundschenkels 13 randseitig angeordneten durchgehenden Verdickung 17. In der Verdickung 17 sind parallele Aufnahmen 18 vorgesehen, in denen Stecker 19-21 gehalten sind sowie Stecker 22, wobei die Stecker 19-21 einen Anschluss einer Leistungsversorgung für die unterschiedlichen Phasen des Elektromotors ermöglichen, während die Stecker 22 eine Spannungsversorgung und/oder einen Abgriff der Signale von Temperatursensoren und/oder Hall-Sensoren ermöglichen.
Der Tragkörper 12 besitzt in Umfangsrichtung um die Längsachse des Elektromotors verteilte Zentrierbohrungen 23, 24, mittels welchen das Modul 11 eindeutig gegenüber benachbarten Bauteilen und gegenüber der Längsachse festgelegt werden kann.
Des Weiteren sind fest mit dem Tragkörper 12 drei Träger 25, 26, 27 verbunden, die sich vertikal zur Zeichenebene und zu dem Tragkörper 12 erstrecken und in Umfangsrichtung bei gleichem Abstand von der Längsachse, jeweils um einen Umfangswinkel von ungefähr 60° zueinander versetzt, angeordnet sind. Die Träger 25-27 sind langgestreckt mit ungefähr rechteckigem Querschnitt, wobei die Längserstreckung zwei- bis dreimal so groß ist wie der maximale Querschnitt der Träger 25-27. In dem dem Tragkörper 12 gegenüberliegenden Endbereich besitzen die Träger 25-27 jeweils eine Aufnahmeeinrichtung 28, 29, 30, mittels denen jeweils ein Hall-Sensor gegenüber den Trägern 25-27 und damit gegenüber dem Tragkörper gehalten werden kann. Auf der den Trägern 25-27 gegenüberliegenden Seite besitzt der Tragkörper 12 Leiterbahnen 31 und elektrische Bauelemente 32, die funktionsgerecht miteinander, mit den Hall-Sensoren und den Steckern 19-21 sowie den Steckern 22 verbunden sind. Ein weiterer Träger 33 mit Aufnahmeeinrichtung 34 kann einen Temperatursensor 35 halten, wobei der Träger 33 in Umfangsrichtung ungefähr gegenüberliegend zu dem Träger 25 angeordnet ist mit ungefähr demselben Abstand von der Längsachse.
5 zeigt die Unterseite des Moduls 11 mit Leiterbahnen 31 und elektrischen Bauelementen 32. Die Leiterbahnen 31 sind auf dem Tragkörper 12 aus Kunststoff mittels der MID-Technologie (molded interconnect devices) beispielsweise mit einem Heißprägen, einem Laserstrukturieren und/oder dem 2-Komponenten-Spritzgießen hergestellt worden. In den Tragkörper 12 bzw. die Leiterbahnen 31 sind Kontakte für den Temperatursensor und die Hall-Sensoren integriert, so dass diese mit den Leiterbahnen 31 verlötet werden können. Das Modul 11 ist sowohl für einen bürstenlosen Walzenläufermotor als auch für einen bürstenlosen Scheibenläufermotor einsetzbar. Es sind Varianten für 1-, 2-, 4-phasige o. ä. Elektromotoren möglich. Des Weiteren ist abweichend zu der dargestellten Ausführungsform eine abweichende Anzahl von Hall-Sensoren denkbar, und zwar sowohl für eine 3-phasige Ausführung als auch für eine andersphasige Ausführung. Weiterhin kann die elektrische Beschaltung durch Widerstände und Kondensatoren entfallen bzw. variieren. Beispielsweise können neben passiven Bauteilen auch aktive Bauelemente, wie beispielsweise Mikrocontroller, Operationsverstärker u. ä. zum Einsatz kommen. Die Hall-Sensoren können einerseits durch Hall-Sensor-Aufnahmen in den Trägern 25-27 und/oder zusätzliche Kunststoffabdeckungen geschützt werden. Die Anordnung der Steckerpins ist variabel. Außerdem sind die unterschiedlichen Funktionsebenen variabel, d. h. abweichend zu den für die dargestellten Ausführungsformen ersichtlichen Konturen sind komplexere, dreidi mensionale Strukturen denkbar. Schließlich ist auch die Integration von Nebenfunktionen wie beispielsweise eines Lagersitzes, Dichtringen u. ä., denkbar.

1: Modul
2: Stecker
3: Stecker
4: Hall-Sensor
5: Anschluss
6: Stecker
7: Zentrierbund
8: Motorlager
9: Durchgangsloch
10: Anschlussmodul
11: Modul
12: Tragkörper
13: Grundschenkel
14: Seitenschenkel
15: Seitenschenkel
16: Ausnehmung
17: Verdickung
18: Aufnahme
19: Stecker
20: Stecker
21: Stecker
22: Stecker
23: Zentrierbohrung
24: Zentrierbohrung
25: Träger
26: Träger
27: Träger
28: Aufnahmeeinrichtung
29: Aufnahmeeinrichtung
30: Aufnahmeeinrichtung
31: Leiterbahn
32: elektrisches Bauelement
33: Träger
34: Aufnahmeeinrichtung
35: Temperatursensor

Claims

Modul für einen bürstenlosen Elektromotor mit – einem mit Kunststoff gebildeten Tragkörper (12), – Steckern (19-22), die elektrische Verbindungen des Moduls (11) mit benachbarten Bauelementen ermöglichen, – mindestens einer Aufnahmeeinrichtung (28, 29, 30) zur Anbindung eines Sensors und – Leiterbahnen (31), welche mit den Steckern (19-22), den Sensoren und elektrischen Bauelementen des Moduls (11) verbunden oder verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (11) unter Verwendung einer MID-Technologie hergestellt ist.
Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Träger (25-27) vorgesehen sind, die – in einem Endbereich stoffschlüssig mit dem Tragkörper (12) verbunden sind, – in einem gegenüberliegenden Endbereich eine Aufnahmeeinrichtung (28-30) für einen Sensor aufweisen und – im Wesentlichen parallel zueinander orientiert sind.
Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Tragkörper (12) Zentrierelemente (Zentrierbohrungen 23, 24) aufweist.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Tragkörper (12) in Draufsicht ungefähr U-förmig mit einem Grundschenkel (13) und zwei Seitenschenkeln (14, 15) oder brückenartig ausgebildet ist, – sich die Stecker (19-22) in der Ebene des U von dem Grundschenkel (13) vertikal zu diesem erstrecken, – sich die Träger (25-27) vertikal zu der Ebene des U des Tragkörpers (12) erstrecken und – der Grundschenkel (13) und die Seitenschenkel (14, 15) innenliegend eine Ausnehmung (16) definieren, welche mit dem Außendurchmesser eines Rotors oder einer dem Rotor zugeordneten Welle des Elektromotors korreliert.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Aufnahmeeinrichtung (34) für einen Temperatursensor vorgesehen ist.
Modul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (25-27) und Sensoren auf der Seite des Tragkörpers (12) angeordnet sind, auf der sich die Leiterbahnen (31) befinden.
Modul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Träger (25-27) und Sensoren auf der den Leiterbahnen (31) gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Modules (11) für einen Elektromotor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – ein Tragkörper (12) mit Trägern (25-27) wird einstückig in einem Spritzgussverfahren aus einem temperaturbeständigen Kunststoff hergestellt, – Leiterbahnen (31) werden unter Verwendung mindestens einer MID-Technologie auf den Tragkörper (12) aufgebracht, – Stecker (19-22), die elektrische Verbindungen des Moduls (11) mit benachbarten Bauelementen ermöglichen, werden an dem Tragkörper (12) befestigt, – Leiterbahnen (31) und/oder Tragkörper (12) werden mit elektrischen Bauelementen (32) bestückt, – die Leiterbahnen (31), die Stecker (19-22), die Sensoren und/oder die elektrischen Bauelemente (32) werden elektrisch miteinander verbunden.
Verfahren zur Herstellung eines Modules nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren an den Trägern (25-27, 33) befestigt werden.