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Herkömmliche elektrische Antriebe werden mit einem Elektromotor realisiert, der zumindest mit einem Stator, einem Rotor und einem Gehäuse gebildet ist, wobei sie häufig auch eine Steuerelektronik, deren Bauteile zumeist auf einer Leiterplatte oder einem keramischen Schaltungsträger angeordnet sind, sowie einen Kabelbaum oder einen Kabelstrang zur Verbindung von Steuereinheit und Motor, der auch die Verbindung durch Stecker, Schrauben oder eine Lötverbindung umfasst, aufweisen können. Je nach Anzahl der Leitungen können der Kabelbaum und die dadurch entstehenden Kosten beträchtliche Ausmaße annehmen.
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Die Steuereinheit, die durch Bauteile auf einem Schaltungsträger realisiert ist, muss zudem in ein der Anwendung angepasstes Gehäuse gefasst werden. Dieses wird, je nach Platzangebot, in relativer Nähe zum Motor angebracht. Außerdem muss es die Steuereinheit selbst vor äußeren Einflüssen mechanischer, thermischer und chemischer Natur schützen und ggf. ausgehende Strahlung (EMV) abschirmen. Durch das Gehäuse, die Befestigung und evtl. benötigte Dämpfungs- oder Kühlungsmaterialien entstehen weitere Kosten. Auch kommt es bei entsprechend langen Kabelbäumen zu Leitungsverlusten und Zuverlässigkeitsproblemen.
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Bei bestimmten Anwendungen ist es möglich, die Steuereinheit möglichst nahe am elektrischen Motor zu befestigen. Dies hält den Kabelbaum kurz, die Leitungsverluste klein und die Kosten gering. Nicht in allen Fällen ist jedoch eine Befestigung nahe dem Motor, oder gar am Motorblock selbst, möglich. Zudem muss für die Befestigung immer eine angepasste Lösung (durch Schrauben, Klemmen, Verschweißen, oder dgl.) gefunden werden. Je nach Anwendung und zur Verfügung stehendem Bauraum müssen demnach individuell angepasste Gehäuse und Verkabelungslösungen entwickelt werden.
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Hierdurch besteht für jede neue Anwendung eine neue Anforderung an physikalische oder chemische Belastung der Steuereinheit. Der anfallende Entwicklungsaufwand für jede neue Anwendung oder jeden neuen Kunden erzeugt trotz gleicher Leistungsanforderungen an das System/den Motor immer wieder aufs Neue erhebliche Entwicklungs- und Anpassungskosten.
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In Lindner, Mathias [et al.]: „Dreidimensionaler Siebdruck als material-, energie- und kosteneffiziente Fertigungsmethode für Komponenten elektromagnetischer Energiewandlungssysteme” in Internationaler ETG-Kongress 2013: Energieversorgung auf dem Weg nach 2050; Beiträge des internationalen ETG-Kongresses vom 5. bis 6. November 2013 in Berlin. Berlin: VDE-Verl., 2013. (ETG-Fachbericht; 139) – ISBN 978-3-8007-3550-1 ist ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stators eines Elektromotors bekannt, wobei die Struktur aus zumindest einem Weicheisenkern und zumindest einer elektrisch leitenden Wicklung besteht und die Struktur mittels eines 3D-Fertigungsverfahrens hergestellt wird.
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Die Druckschrift Borges, Malte: „Laser schreibt dreidimensionale Leiterbahnen – Kunststoffoberflächen per Laserstrahl selektiv aktivieren zum Metallisieren” in: Elektronik Sonderausgabe Räumliche elektronische Baugruppen 2011; www.elektroniknet.de; S. 12–16 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer dreidimensionalen Leiterplatte, welche über flexible Bereiche verfügt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, das eine schnelle Herstellung eines Prototypen für einen Elektromotor mit kompaktem Design ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Demgemäß wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Stators eines Elektromotors mit einer Leiterplatte, die mit einer Anzahl n von Teilleiterplatten gebildet ist, die über flexible Bereiche miteinander verbunden sind und die zu einem n-Eck geformt werden, und einer um diese angebrachte Struktur aus zumindest einem Weicheisenkern und zumindest einer elektrisch leitenden Wicklung, die Struktur mittels eines 3D-Fertigungsverfahrens hergestellt. Die Erfindung besteht also in der Kombination zweier bekannter Technologien zu einer neuen, hybriden Fertigungstechnologie.
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Es existieren bereits Strategien zur Herstellung von 3D-Leiterplatten, welche i. d. R. auf dem Tiefenfräsen einer mehrlagigen Leiterplatte und dem anschließenden Biegen an den Frässtellen basieren. Durch diese Technologie können organische Schaltungsträger in fast beliebige Formen und Teilformen gebracht werden. Auch kugel- oder zylinderförmige Leiterplatten kann man so erzeugen. Es ist Teil der Erfindung, die Steuereinheit eines Elektromotors in eine solche Zylinderform zu bringen.
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Der zweite Schritt, hin zu einem Stator eines Motors besteht nun darin, ein formendes Fertigungsverfahren, ein sogenanntes 3D-Druck- oder 3D-Sinterverfahren zu nutzen, um die als Bestandteil des Stators fungierende Leiterplatte mit dem elektrisch und magnetisch wirksamen und stabilisierenden Material zu ummanteln. Ein solches Material kann sowohl elektrisch leitendes (z. B. Stahl, Aluminium, Kupfer, Weicheisen), als auch elektrisch isolierendes Material (Kunststoff, Keramik, Kohlenstoff, usw.) sein.
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Mittels der 3D-Fertigung kann nun die typische Ankerform eines Elektromotors entstehen mit der als Steuereinheit und ggf. Spule dienenden Leiterplatte im Inneren der Form. Das auf die Leiterplatte aufgetragene Material dient neben der Funktion als Weicheisenkern und Spulen als Ankergehäuse und zur Übertragung der beim Betrieb entstehenden Kräfte. Weiterhin agiert der Anker als Gehäuse für die Leiterplatte. Durch den Einsatz und die Kombination von verschiedenen Materialien kann die Steuereinheit optimal vor mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen geschützt werden. Ein zusätzliches Gehäuse samt Befestigungskonzept entfällt. Kabelbäume oder Steckverbindungen vom und zum Motor sind durch die Integration unnötig. Der Einsatz von ferromagnetischen Materialien im Anker erlaubt zudem, das erzeugte Magnetfeld in gewünschter Weise zu leiten (vgl. Weicheisenkern), damit eine gezielte Erregung des Motors möglich ist. Weiterhin kann durch den gezielten Auftrag und die Strukturierung des aufgebrachten Materials die Entwärmung der Steuereinheit realisiert werden. Gute thermische Leiter (z. B. Kupfer) werden so in die Ankerstruktur eingebaut, dass sie in direkten Kontakt mit Leistungsbauteilen (also heißen Bauteilen) auf dem Schaltungsträger kommen. Sie entwärmen damit die Schaltung.
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Die Wicklungen im Stator werden also ins Material gedruckt und direkt auf entsprechende Anschlüsse auf dem Schaltungsträger aufgebracht z. B. angeschweißt.
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In einer vorteilhaften Ausbildung wird eine möglicherweise nötige isolierende Schicht um die zumindest eine Spulenwicklung mittels eines 3D-Fertigungsverfahrens ausgebildet.
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In einer besonders vorteilhaften Ausbildung der Erfindung werden bei der Herstellung der Struktur mittels des 3D-Fertigungsverfahren auch Kühlkanäle gefertigt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung wird um die zumindest eine Wicklung und/oder den Weicheisenkern und/oder die Kühlkanäle eine stabilisierende Gehäusestruktur gefertigt.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Leiterplatte eine mehrlagige Leiterplatte und in zumindest einer der Lagen sind Bahnen aus elektrisch gut leitendem Material ausgebildet und derart angeordnet, dass sie nach der Biegung der Leiterplatte zu einem n-Eck und nach einer Verbindung der Enden der Bahnen zumindest eine Spulenwicklung ergeben, wobei durch die Anzahl der Bahnen in einer Leiterplattenlage die Anzahl der Spulenwindungen der sich dadurch ergebenden Spulenwicklung bestimmt wird.
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In einer Weiterbildung wird zumindest eine Spulenwicklung in der Gehäusestruktur mit der zumindest einen Spulenwicklung in der Leiterplatte elektrisch verbunden.
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Die so entstandene Struktur des Stators agiert demnach sowohl als Steuereinheit (mit Steuer-, Mess- und Kontrollfunktion), als auch als Magnetfeld-erzeugendes Element eines Elektromotors (kreisförmige Wicklungen, welche ein Magnetfeld erzeugen). Kabelbaum, Steck- oder Schraubverbindungen, und auch Gehäuse samt Befestigungslösung entfallen hier komplett.
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Durch die erfindungsgemäße Fertigungstechnik lässt sich sowohl die Form der Motorteile, als auch das Design der integrierten Leitungsbahnen optimieren. Höhere Wicklungsdichten, Nutfüllgrade oder erhöhte Stromtragfähigkeit bei besserer Entwärmung können (angepasst an die Applikation) am Computer simuliert und anschließend gefertigt werden. Die 3D-Sinter/Drucktechnologie ermöglicht hierbei völlig neue und vorher aus Fertigungssicht nicht-realisierbare Formgebungen und Wirkungsgrade. Die direkte Anbindung des Schaltungsträgers an die Leitungsbahnen und somit verminderte Leitungsverluste und das Entfallen von Verbindungsstellen können den Wirkungsgrad eines solchen Motors weiter erhöhen. Zudem entsteht durch den Wegfall des (externen) Schaltungsträgers ein geometrischer Vorteil bei begrenztem Bauraum. Angepasst an die zu übertragenden Kräfte können die zu verwendenden Materialien (Stähle, Weicheisen, Aluminium, Kunststoffe und sogar Titan) geometrisch so kombiniert werden, dass sowohl das mechanische Konzept (von Rotor und Stator), als auch der elektromagnetische Wirkungsgrad und das Kühlkonzept des Motors optimiert werden.
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Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
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1 eine zu einem n-Eck (10-Eck) gebogene Leiterplatte,
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2 einen Zwischenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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3 einen fertigen Stator für einen Elektromotor, der mit einem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt wurde.
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1 zeigt einen Schaltungsträger 1 in Form einer zu einem n-Eck gebogenen Leiterplatte, auf der Bauteile angeordnet sind. Es kann sich um eine mehrlagige Leiterplatte handeln, wobei auch in deren Inneren Bauteile verbaut sein können.
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Insbesondere können auf einer Innenlage Leiterbahnen realisiert sein, die nach dem Biegen und Verbinden der Leiterplattenteile eine Spule ergeben.
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Um diese Leiterplatte 1 soll mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Weicheisenkern 2, Metallwicklungen 3, insbesondere Kupferwicklungen, und ggf. Kühlkanäle 5 aufgebaut werden. Dies erfolgt mittels eines 3D-Laserschweiß- oder -sinterverfahrens, indem ein Metallpulver 4 um das Leiterplatten-n-Eck 1 schichtweise verteilt und anschließend mittels eines Laserstrahls daraus die gewünschte Weicheisenkern- 2, Wicklungs- 3 und/oder Kühlkanalform 5 strukturiert wird. Ein Zwischenschritt ist in 2 dargestellt.
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Nachdem der Stator fertig hergestellt ist, wird das nicht gesinterte Pulver 4 wieder entfernt. In 3 ist ein fertiger Stator für einen Elektromotor, der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde, dargestellt.
