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Technisches Gebiet:
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor.
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Stand der Technik:
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Die verbesserte Leistungsfähigkeit des Leistungshalbleiters in den letzten Jahren ermöglicht die Steuerung großer elektrischer Ströme durch ein kleineres Leistungsbauelement, womit auch Kleinmotoren eine höhere Leistung erzielen können. Das Leistungsbauelement erzeugt jedoch entsprechend mehr Wärme, was das Bedürfnis hervorruft, diese Wärme effizient abzuführen.
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Als Mittel zur Wärmeabfuhr einer Leistungsplatine bestückt mit einem Leistungsbauelement, das mit einem großen Strom zu versorgen ist, offenbart
JP-A-2015-089151 beispielsweise das folgende Vorgehen,,
dass ein Leistungsbauelement, das an der Oberfläche der Leistungsplatine über eine daran vorgesehene Durchgangsöffnung montiert ist, an einer Wärmesenke auf der Rückseite der Leistungsplatine freigelegt wird, und
dass direkt unterhalb oder in der Umgebung des Leistungsbauelements an der Leistungsplatine eine Vielzahl von Durchkontaktierungen (through holes) mit einem kleinen Durchmesser (ca. ∅ 0,2 mm bis ∅ 0,8 mm) vorgesehen werden, über welche die Wärmeabfuhr zur Wärmesenke erfolgt. Dieses Vorgehen gemäß
JP-A-2015-089151 benötigt jedoch u. a. eine Vergrößerung des Durchmessers der Durchgangsöffnung und eine Erhöhung der Anzahl der Durchkontaktierungen (through holes), um die Wärmeabfuhreffizienz zu erhöhen. Dies soll zu einer Vergrößerung der Flächengröße der Platine führen und eine Senkung des Produktionskosten/des Produktpreises verursachen.
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JP-A-2015-089151 weist ferner auf ein herkömmliches Vorgehen zur Wärmeabfuhr der Leistungsplatine durch ein Material der Platine mit verbesserter Wärmeabfuhrfähigkeit hin. Hierin ist konkret offenbart, dass eine weit verbreitete, preisgünstige Kunstharzplatine (aus Glasepoxid) mit hoher Verfügbarkeit durch eine Platine aus Keramik, Aluminium o. ä. ersetzt wird.
JP-A-2015-089151 zufolge wird jedoch die Platine aus Keramik, Aluminium o. ä. eine Steigerung der Kosten der Platine (ca. 5 Mal höher in demselben Volumenverhältnis) bewirken.
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Aufgabe der Erfindung:
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Angesichts dieser Umstände liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit verbesserter Wärmeabfuhrfähigkeit bereitzustellen, wobei sich eine Vergrößerung der Fläche und/oder eine Steigerung der Kosten der Platine vermeiden lassen.
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Mittel zum Lösen der Aufgabe:
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Zum Lösen der Aufgabe beinhaltet die vorliegende Erfindung folgende Merkmale:
- (1) Der erfindungsgemäße Elektromotor umfasst
- – einen Motorhauptkörper mit einem Rotor und einem Stator, wobei auf den Stator eine Spule gewickelt ist,
- – einen Antriebsschaltungsabschnitt mit einer Leiterplatte, wobei überwiegend an einer Fläche eine Antriebsschaltung mit einem Leistungsbauelement montiert ist,
- – eine Wärmesenke, die an einer anderen Fläche der Leiterplatte angeordnet ist, um Wärme vom Antriebsschaltungsabschnitt abzuführen, und
- – einen Wicklungsanschluss, der auf einer Seite mit einem Ende der Spule des Motorhauptkörpers elektrisch verbunden ist und auf einer anderen Seite teilweise mit dem an der Leiterplatte montierten Leistungsbauelement elektrisch verbunden ist und die vom Leistungsbauelement erzeugte Wärme von der einen Fläche auf die andere Fläche der Leiterplatte leitet.
- (2) Beim Merkmal (1) ist an einer Fläche der Wärmesenke, die der Leiterplatte zugewandt ist, ein elektrisch isolierendes und wärmeleitendes Material vorgesehen.
- (3) Beim Merkmal (1) oder (2) wird der Wicklungsanschluss auf der anderen Seite an eine Kontaktfläche der Leiterplatte angelötet, wobei die Kontaktfläche die mit dem Leistungsbauelement elektrisch verbunden ist.
- (4) Beim Merkmal (3) ist die Kontaktfläche an der anderen Fläche der Leiterplatte vorgesehen und über eine Leiterbahn-Struktur, welche sich von der Kontaktfläche an die eine Fläche der Leiterplatte anschließt, mit der Leistungsbauelemente elektrisch verbunden.
- (5) Bei einem der Merkmale (1) bis (4) ist das andere Ende des Wicklungsanschlusses aus der anderen Fläche der Leiterplatte herausragend in eine in der Wärmesenke (30) gebildete Ausnehmung (32) ohne direkte Berührung mit der Wärmesenke (30) angeordnet.
- (6) Beim Merkmal (5) befindet sich in der Ausnehmung der Wärmesenke ein elektrisch isolierendes und wärmeleitendes Material, das Wärme vom leiterplattenseitigen Ende des Wicklungsanschlusses auf die Wärmesenke überträgt.
- (7) Bei einem der Merkmale (1) bis (6) wird für den Wicklungsanschluss ein Material mit einem niedrigen Wärmewiderstand verwendet, wobei der Wicklungsanschluss (40) an einer Stelle, an der die Wärmeleitung von der einen Fläche (22a) auf die andere Fläche (22b) der Leiterplatte (22) erfolgt, eine ausreichend größere Querschnittfläche aufweist als eine für Stromdurchfluss benötigten Querschnittfläche.
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Vorteile der Erfindung:
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Elektromotor mit verbesserter Wärmeabfuhrfähigkeit bereitgestellt werden, wobei sich eine Vergrößerung der Fläche und/oder eine Steigerung der Kosten der Platine vermeiden lassen.
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Kurze Erläuterung der Zeichnungen:
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1 ist eine perspektivische Ansicht des Elektromotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Schnittzeichnung längs der Linie A-A in 1.
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3 ist eine Vorderansicht, die die eine Fläche der Leiterplatte gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 ist eine Hinteransicht, die die andere Fläche der Leiterplatte gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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5 ist eine Ansicht der Antriebsschaltung des Elektromotors gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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6 ist eine perspektivische Ansicht der Wärmesenke gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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7 ist eine vergrößerte Ansicht eines mit einer gepunkteten Linie eingekreisten Bereichs B in 2.
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Ausführungsbeispiel(e) der Erfindung:
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Anmeldung (nachstehend „Ausführungsbeispiel” genannt) anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Angemerkt sei, dass in der gesamten Beschreibung des Ausführungsbeispiels die gleichen Bauelemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Das gezeigte Ausführungsbeispiel dient lediglich dem leichteren Verständnis der Erfindung. Die Darstellung ist rein schematisch. Größenverhältnisse lassen sich aus den Figuren zumindest nicht allgemeingültig ableiten. Richtungsangaben, z. B. oben und unten, sind auf die konkrete Darstellung der Figuren bezogen und stellen keine Einschränkung der Ausrichtung des Elektromotors 1 dar.
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1 ist eine perspektivische Ansicht des Elektromotors 1 gemäß der Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie A-A in 1, die die Ebene zentral durch die Welle 113 markiert. Wie 1 zeigt, umfasst der Elektromotor 1 einen Motorhauptkörper 10, einen Antriebsschaltungsabschnitt 20 und eine Wärmesenke 30.
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Wie 2 zeigt, umfasst der Motorhauptkörper 10 einen zentral angeordneten Rotor 11, einen am Außenumfang des Rotors 11 angeordneten Stator 12 und einen den Außenumfang des Stators 12 bedeckend angeordneten Rahmen 13.
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Der Rotor 11 umfasst ein Rotorjoch 111, einen Rotormagneten 112, der am Außenumfang des Rotorjochs 111 angeordnet ist, und eine Welle 113, die einteilig mit dem Rotorjoch 111 ausgebildet und durch die Mitte des Rotorjochs 111 hindurchgeführt ist.
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Der Stator 12 umfasst einen Statorkern 121, einen Isolierkörper 122, der den Statorkern 121 bedeckt, und eine Spule 123, die auf den Isolierkörper 122 aufgewickelt ist.
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Der Rahmen 13 umfasst eine zylindrische Seitenwandabschnitt 131, der den Außenumfang des Stators 12 bedeckt, und einen Bodenabschnitt 132, der einteilig mit dem oberen Ende (d. h. der einen Seite) des Seitenwandabschnitts 131 ausgebildet ist.
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In der Mitte des Bodenabschnitts 132 ist eine Vertiefung 132a zur Aufnahme eines Lagers 14a gebildet, das die zur Oberseite (d. h. auf die eine Seite) überkragende Welle 113 drehbar lagert. In der Mitte der Vertiefung 132a ist eine Durchgangsöffnung zum Hindurchführen des einen (d. h. oberen) Endes der Welle 113 vorgesehen.
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Außerdem wird der Stator 12 durch Einpressen oder Ankleben am Seitenwandabschnitt 131 des Rahmens 13 befestigt, womit der Rahmen 13 und der Stator 12 miteinander einteilig verbunden werden.
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Ferner ist am unteren Ende (d. h. auf der anderen Seite) des Seitenwandabschnitts 131 des Rahmens 13 ein Deckel 133 vorgesehen.
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In der Mitte des Deckels 133 ist eine Vertiefung 133b zur Aufnahme eines Lagers 14b gebildet, das die hin zur Unterseite (d. h. auf die andere Seite) überkragende Welle 113 drehbar lagert. In der Mitte der Vertiefung 133b ist eine Durchgangsöffnung zum Hindurchführen des anderen (d. h. des unteren) Endes der Welle 113 vorgesehen.
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Der Rotor 11 ist also dadurch zum Stator 12 drehbar ausgebildet, dass die Oberseite (d. h. die eine Seite) und die Unterseite (d. h. die andere Seite) der Welle 113 durch das Lager 14a und das Lager 14b drehbar abgestützt werden.
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Ferner ist der Elektromotor 1 mit Wicklungsanschlüssen 40 versehen, die am Stator 12 angebracht sind.
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Wie 2 zeigt, weist der Wicklungsanschluss 40, der im Detail weiter unten beschrieben ist, auf seiner Oberseite (d. h. auf der einen Seite) einen Spulenverbindungsabschnitt 41 auf, der mit dem Ende der (auf den Isolierkörper 122 aufgewickelten) Spule 123 des Motorhauptkörpers 10 elektrisch verbunden wird. Die Unterseite (d. h. die andere Seite) des Wicklungsanschlusses 40 wird demgegenüber teilweise über eine unten erwähnte Leiterbahn-Struktur an einer Leiterplatte 22 mit einem Leistungsbauelement 221 elektrisch verbunden.
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Die Spule 123 wird also über den Wicklungsanschluss 40 mit einem durch das Leistungsbauelement 221 gesteuerten Strom versorgt, um den Elektromotor 1 anzutreiben.
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Damit der Wicklungsanschluss 40 hin zur Seite des Antriebsschaltungsabschnitts 20 führbar ist, ist am Deckel 133 eine Durchgangsöffnung zum Durchführen des Wicklungsanschlusses 40 vorgesehen.
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Der Elektromotor 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein dreiphasiger bürstenloser Motor und umfasst daher drei Wicklungsanschlüsse 40, wie 2 zeigt. Die Phasenzahl ist jedoch nicht hierauf beschränkt, so dass die Anzahl der Wicklungsanschlüsse 40 je nach der benötigten Phasenzahl vermehrt oder vermindert werden kann.
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Auch die Art des Elektromotors ist nicht auf den bürstenlosen Motor beschränkt. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Innenrotor-Typ, wobei sich der Rotor zentral befindet. Auch ein Elektromotor des Außenrotor-Typs ist verwendbar, wobei der Rotor außerhalb des Stators angeordnet ist.
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Der Antriebsschaltungsabschnitt 20 umfasst
- – ein Außenwandteil 21, das an einen Flansch 134, der am unteren Ende (d. h. auf der anderen Seite) des Rahmens 13 gebildet ist, befestigt, hier bspw. fest geschraubt wird, und
- – eine innerhalb des Außenwandteils 21 angeordnete Leiterplatte 22.
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Die Leiterplatte 22 kann einen kostengünstig herstellbaren, üblichen Aufbau aufweisen, wobei beispielsweise an der Vorder- und Rückseite eines Basismaterials eine aus Kunstharz, wie z. B. Epoxid, Glasepoxid od. dgl., als elektrische Leitung dienende Leiterbahn-Struktur gebildet wird, woraufhin benötigte Stellen der Leiterbahn-Struktur an der Vorder- und Rückseite über Durchkontaktierungen (via holes) miteinander verbunden werden.
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Die oben genannte übliche Leiterplatte wird dadurch ausgebildet, dass elektrisch leitfähige Lagen (z. B. Kupferlagen) als flächige (nicht strukturierte, unbearbeitete) Schicht (solid pattern) auf der Vorder- und Rückseite des Basismaterials ganzflächig gebildet und dann zur Bildung von Leiterbahn-Struktur geätzt werden.
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Dabei werden nur solche Stellen geätzt, für die die Ätzung zur Bildung der Leiterbahn-Struktur benötigt wird. Die anderen Stellen der elektrisch leitfähigen Lage, die nicht der Leiterbahn-Struktur dienen und nicht geätzt werden müssen, bleiben als flächige (nicht strukturierte, unbearbeitete) Schicht unbearbeitet.
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Ferner weist das Material (z. B. Kupfer) für eine elektrisch leitfähige Lage im Allgemeinen eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Wärmeleitung in Querrichtung an der Vorder- und Rückseite der Leiterplatte ist daher nicht schlecht.
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Demgegenüber erfolgt keine gute Wärmeleitung von der Vorderseite auf die Rückseite der Leiterplatte, da für das allgemeine Basismaterial z. B. Phenol, Glasepoxid od. dgl. mit geringer Wärmeleitfähigkeit und hohem Wärmewiderstand verwendet wird.
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Durch die Leiterplatte mit einem solchen allgemeinen Aufbau können zwar die Bauteilkosten niedrig gehalten werden, im Hinblick auf die Wärmeabfuhrfähigkeit besteht jedoch das Problem, dass die Leiterplatte eine schlechte Wärmeabfuhrfähigkeit in deren Dickenrichtung aufweist.
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Wie 2 zeigt, sind an der oberen Fläche (d. h. der einen Fläche 22a) der Leiterplatte 22 Leistungsbauelemente 221 montiert.
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3 ist eine Vorderansicht der einen Fläche 22a (d. h. der oberen Seite in 2) der Leiterplatte 22.
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In 3 ist mit Ausnahme der Leistungsbauelementen 221 auf die Darstellung einer als elektrische Leitung dienenden Leiterbahn-Struktur und anderer notwendige/üblicher Bauelemente an der einen Fläche 22a der Leiterplatte 22 verzichtet.
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Wie 3 zeigt, sind an den oben genannten drei Wicklungsanschlüssen 40 entsprechenden Stellen der Leiterplatte 22 Durchgangsöffnungen 222 gebildet, die von der ersten Leiterplattenfläche 22a an die dieser gegenüberliegende andere Fläche 22b (d. h. die untere Fläche in 2) der Leiterplatte 22 reicht.
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An der einen Fläche 22a der Leiterplatte 22 sind außerdem Paare von Leistungsbauelementen 221 jeweils in der Nähe von den Durchgangsöffnungen 222 angebracht, um diese Paare mit einer nicht dargestellten vorgegebenen Leiterbahn-Struktur elektrisch zu verbinden.
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Die Leiterbahn-Struktur ist auch an der Wandfläche der Durchgangsöffnung 222 gebildet. Die Durchgangsöffnung 222 dient also als Durchkontaktierung (through hole) mit einem großen Durchmesser.
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4 ist eine Hinteransicht, die die andere Fläche 22b zeigt.
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Auch in 4 wird mit Ausnahme von an der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 gebildeten Kontaktflächen 23 auf die Darstellung der als elektrische Leitung dienenden Leiterbahn-Struktur u. a. verzichtet.
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Wie 4 zeigt, ist um die Durchgangsöffnung 222, durch die der Wicklungsanschluss 40 hindurchzuführen ist, eine Kontaktfläche 23 zur elektrischen Verbindung mit dem Wicklungsanschluss 40 gebildet. An der Kontaktfläche 23 wird die andere Seite des Wicklungsanschlusses 40, der durch die Durchgangsöffnung 222 hindurchgeführt und aus der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 herausragend angeordnet wird, angelötet.
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Die Kontaktfläche 23 und der Wicklungsanschluss 40 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden durch Löten miteinander verbunden. Hierbei ist das auch im Weiteren beschriebene Löten auch bspw. durch Kleben mittels eines elektrisch leitfähigen Klebemittels ersetzbar.
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Obwohl dies nicht abgebildet ist, ist die Kontaktfläche 23 über die Leiterbahn-Struktur an der Wandfläche der als Durchkontaktierung (through hole) mit einem großen Durchmesser gebildeten Durchgangsöffnung 222 mit dem Leistungsbauelement 221 an der einen Fläche 22a der Leiterplatte 22 elektrisch verbunden. Die Kontaktfläche 23 und die andere Seite des Wicklungsanschlusses 40 werden durch Löten miteinander verbunden.
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Bei der Lötverbindung wird ein Spalt zwischen der Durchgangsöffnung 222 und dem Wicklungsanschluss 40 mit Lot gefüllt, womit die andere Seite des Wicklungsanschlusses 40 teilweise mit dem Leistungsbauelement 221 mit einem niedrigen elektrischen Widerstand elektrisch verbunden wird.
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Der oben ausgeführte Aufbau, dass an der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 die Kontaktfläche 23 zur Lötverbindung mit der anderen Seite des Wicklungsanschlusses 40 angeordnet ist, erleichtert Lötarbeiten u. a. in dem Sinne,
dass im Montagezustand, wie in 2 gezeigt, nur die andere Seite zugänglich ist, wenn zunächst das Außenwandteil 21 des Antriebsschaltungsabschnitts 20 an den Flansch 134 des Rahmens 13 des Motorhauptkörpers 10 befestigt, z. B. fest geschraubt wird,
und wenn anschließend die Leiterplatte 22 derart angeordnet wird, dass der Wicklungsanschluss 40 mit seiner andere Seite (leiterplattenseitig) durch die Durchgangsöffnung 222 der Leiterplatte 20 hindurchgeführt wird, so dass das Ende des Wicklungsanschlusses 40, das aus der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 herausragt, an die Kontaktfläche 23 angelötet wird.
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Nachstehend wird der Grund, warum zwei Leistungsbauelemente 221 für einen Wicklungsanschluss 40 in obiger Weise vorgesehen werden sollen, anhand der Ansicht der Antriebsschaltung in 5 kurz erläutert.
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Die beiden Leistungsbauelemente 221 bestehen konkret aus einem High-Side-Leistungsbauelement 221H und einem Low-Side-Leistungsbauelement 221L.
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Gemäß dem oben genannten Aufbau mit zwei Leistungsbauelementen 221 sind nämlich das High-Side-Leistungsbauelement 221H und das Low-Side-Leistungsbauelement 221L paarweise angeordnet. Durch die Steuerung des High-Side-Leistungsbauelements 221H und des Low-Side-Leistungsbauelements 221L mit einem nicht dargestellten Steuerschaltungsabschnitt wird der dem Motorhauptkörper 10 zuzuführende Strom gesteuert.
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Durch die Verwendung des High-Side-Leistungsbauelements 221H und des Low-Side-Leistungsbauelements 221L ist die Steuerung positiver und negativer Ströme möglich, so dass die Nutzungseffizienz der elektrischen Energie vorteilhafterweise erhöht werden kann.
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Die Antriebsschaltung kann auch dahingehend ausgebildet werden, dass der Elektromotor 1 nur durch das High-Side-Leistungsbauelement 221H angetrieben wird, wobei allerdings die Nutzungseffizienz der elektrischen Energie sinkt. Für einen Wicklungsanschluss 40 müssen daher nicht immer gepaarte Leistungsbauelemente 221 (d. h. das High-Side-Leistungsbauelement 221H und das Low-Side-Leistungsbauelement 221L) bereitgestellt werden.
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Wie 2 zeigt, ist die eine Fläche 30a der Wärmesenke 30, die der Leiterplatte 22 gegenüberliegt, im Wesentlichen flach ausgebildet, während die andere Fläche 30b, die auf der der einen Fläche 30a abgewandten Seite steht, mehrere Vorsprünge 31 aufweist, um die Wärmeabfuhrfläche zu vergrößern und somit die Effizienz der Wärmeabfuhr zu erhöhen.
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Die Wärmesenke 30 wird in diesem Ausführungsbeispiel dann an Verschraubungsstellen in vier Ecken des Außenwandteils 21 des Antriebsschaltungsabschnitts 20 auf der dem Motorhauptkörper 10 abgewandten Seite fest geschraubt (siehe 1).
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Wie 2 zeigt, geht der Verschraubung der Wärmesenke 30 die Anordnung einer wärmeleitenden und elektrisch isolierenden Folie 24 (als ein Beispiel des elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Materials) an der einen Fläche 30a der Wärmesenke 30, die der Leiterplatte 22 gegenüberliegt, voran.
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Dadurch bildet sich kaum ein Spalt zwischen der Wärmesenke 30 und der Leiterplatte 22, in den Luft eindringen kann, die die Wärmeübertragung verschlechtern würde. Die Wärmeübertragung von der Leiterplatte 22 auf die Wärmesenke 30 kann dadurch verbessert werden.
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Zwischen der Leiterplatte 22 und der Wärmesenke 30 muss sich nicht unbedingt eine wärmeleitende Folie, sondern z. B. ein elektrisch isolierendes, wärmeleitendes Klebemittel befinden. Auch dabei bildet sich kaum ein Spalt zwischen der Wärmesenke 30 und der Leiterplatte 22, in den Luft eindringen könnte. Die Wärmeübertragung von der Leiterplatte 22 auf die Wärmesenke 30 kann auch dadurch verbessert werden.
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6 ist eine perspektivische Darstellung, in der überwiegend die eine Fläche 30a der Wärmesenke 30, die der Leiterplatte 22 gegenüberliegt, zu sehen ist.
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Wie 6 zeigt, sind an der einen Fläche 30a Ausnehmungen 32 zur Aufnahme der anderen Enden der Wicklungsanschlüsse 40, die aus der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 herausragen, gebildet.
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Die Ausnehmung 32 ist so groß ausgebildet, dass der Wicklungsanschluss 40 nicht direkt mit der Wärmesenke 30 in Berührung kommt.
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Wie 7, das ist eine vergrößerte Ansicht des mit einer gepunkteten Linie eingekreisten Bereichs B in 2, zeigt, ist das andere Ende des Wicklungsanschlusses 40 in der Ausnehmung 32 der Wärmesenke 30 derart angeordnet, dass beim in 2 gezeigten Zustand des Elektromotors 1 dieses Ende nicht mit der Wärmesenke 30 in direkte Berührung kommt. Der Wicklungsanschluss 40 und die Wärmesenke 30 werden dadurch räumlich voneinander getrennt, woraus sich ein elektrisch isolierter Zustand ergibt.
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Im Folgenden wird der oben beschriebene Aufbau zur Wärmeabfuhr des Elektromotors 1 näher erläutert.
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Für die andere Seite des Wicklungsanschlusses 40 reicht es, wenn diese mit dem Leistungsbauelement 221 elektrisch verbunden ist. Die andere Seite des Wicklungsanschlusses 40 kann daher eigentlich anhand 7 derart ausgeführt werden, dass diese durch Löten oder Kleben mittels eines elektrisch leitfähigen Klebemittels an der einen Fläche 22a der Leiterplatte 22 mit dem Leistungsbauelement 221 elektrisch verbunden wird.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jedoch, wie oben beschrieben, an der Leiterplatte 22 Durchgangsöffnungen 222 vorgesehen. Wie 7 zeigt, ist hierbei die andere Seite des Wicklungsanschlusses 40 durch die von der einen Fläche 22a an die andere Fläche 22b der Leiterplatte 22 reichende Durchgangsöffnung 222 hindurchgeführt. Das herausragende vordere Ende des Wicklungsanschlusses 40 wird an die (nicht dargestellte) Kontaktfläche 23 der anderen Fläche 22b angelötet.
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Des Weiteren wird für das Bauteil zum Durchfluss des elektrischen Stroms, wie z. B. den Wicklungsanschluss 40, ein elektrisch leitfähiges Material, wie z. B. Kupfer od. dgl., verwendet. Ein solches Material besitzt jedoch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und einen niedrigen Wärmewiderstand und kann daher weit effizienter Wärme leiten als ein Gegenstand, der lediglich mit Durchkontaktierungen (through holes) versehen sind.
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Die am Leistungsbauelement 221 erzeugte Wärme wird daher über den Wicklungsanschluss 40 von der einen Fläche 22a auf die anderer Fläche 22b der Leiterplatte 22 effizient geleitet und über die andere Fläche 22b auf die Wärmesenke 30 übertragen, wodurch eine effiziente Wärmeabfuhr möglich ist.
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Darüber hinaus handelt es sich hierbei um einen sehr einfachen Aufbau, dass lediglich Durchgangsöffnungen 222 an den den Wicklungsanschlüssen 40 zugeordneten Stellen der Leiterplatte 22 vorgesehen sind. Dieser Aufbau führt daher zu lediglich vernachlässigbar oder wenig steigenden Herstellungskosten der Leiterplatte 22.
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Die Größe des Wärmewiderstands hängt außerdem von der Querschnittsfläche des Wicklungsanschlusses 40 ab. Hier wird beispielsweise angenommen, dass der Wicklungsanschluss 40 aus Kupfer besteht. Wenn hierbei lediglich ein benötigter Strom vom Leistungsbauelement 221 in die Spule 123 des Motorhauptkörpers 10 geliefert werden muss, genügt der Wicklungsanschluss 40 mit einer Querschnittfläche von ca. 1 mm2 für die Verwendung desselben mit einem Strom von ca. 5 A. Dabei beträgt der Wärmewiderstand ca. 3,970 [°C/W], wenn die Leiterplatte 22 eine Dicke von 1,6 mm hat (die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer beträgt 403 W/mK).
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jedoch eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisendes Kupfer für den Wicklungsanschluss 40 verwendet, wobei der Wicklungsanschluss 40 eine Querschnittfläche von 4 mm2 in Form eines Rechtecks von 1 mm Länge und 4 mm Breite aufweist.
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Dadurch, dass auf diese Weise eine größere Querschnittfläche gewählt wird als eine für den Stromdurchfluss benötigte Querschnittfläche, kann der Wärmewiderstand weiter verringert werden. Konkret verringert sich der Wärmewiderstand des Wicklungsanschlusses 40 gemäß der vorliegenden Ausführungsbeispiel auf ca. 0,993 [°C/W].
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher eine effizientere Wärmeleitung möglich als bei einem Wicklungsanschluss, der lediglich den Stromdurchfluss bezweckt.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Wicklungsanschluss 40 eine im Wesentlichen gleichmäßige Schnittfläche in Längsrichtung auf. Da sich jedoch der Teil des Wicklungsanschlusses 40, der zu der Wärmeleitung von der einen Fläche 22a auf die andere Fläche 22b der Leiterplatte 22 beiträgt, überwiegend innerhalb der Durchgangsöffnung 222 befindet, muss die Querschnittfläche nicht unbedingt über die Gesamtlänge in Längsrichtung vergrößert werden, um den Wärmewiderstand zu senken. Es reicht aus, wenn zumindest der Teil, der sich innerhalb der Durchgangsöffnung 222 befinden sollte, eine größere Querschnittfläche aufweist.
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Je höher die Wärmeleitfähigkeit und je niederiger der Wärmewiderstand des Materials, desto effizienter kann der Wicklungsanschluss 40 Wärme leiten. Daher ist auch ein anderes Material als Kupfer, das beispielhaft für das vorliegende Ausführungsbeispiel gewählt wurde, mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit und einem niedrigen Wärmewiderstand angemessen verwendbar.
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Selbst wenn hier der Wicklungsanschluss nur zwecks der Stromzufuhr ausgelegt würde, könnte die Wärmeabfuhrfähigkeit dadurch verbessert werden, dass an der Leiterplatte 22 eine Durchgangsöffnung 222 vorgesehen wird, über die der Wicklungsanschluss 40 durch die Leiterplatte 22 hindurchgeführt wird. Denn dadurch wird im Unterschied zum Fall, dass der Wicklungsanschluss 40 nicht zur Durchführung durch die Leiterplatte 22 ausgelegt wird, ein neuer Wärmeleitungspfad mit einem Wärmewiderstand von ca. 3,970 [°C/W] zur Wärmeleitung von der einen Fläche 22a auf die andere Fläche 22b der Leiterplatte 22 gebildet. Es ist jedoch eine noch effizientere Wärmeabfuhr wünschenswert.
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Der Wicklungsanschluss 40 ist daher bevorzugt derart ausgebildet, dass der Wärmewiderstand eines Teils vom Wicklungsanschluss 40, das zumindest in der Durchgangsöffnung 222 liegt, ≤ 3.5 [°C/W], noch bevorzugter ≤ 3,0 [°C/W] ist.
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Wird andererseits die Querschnittfläche des Wicklungsanschlusses 40 vergrößert, verringert sich zwar der Wärmewiderstand an sich, jedoch muss der Wicklungsanschluss 40 vergrößert werden und daher auch die Durchgangsöffnung 222 entsprechend vergrößert werden.
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Der Wärmewiderstand kann z. B. bei einem Wicklungsanschluss 40 mit einer Querschnittfläche in Form eines Rechtecks von 2 mm Länge und 8 mm Breite bis auf 0,248 [°C/W] verringert werden. Daraus ergibt sich jedoch eine entsprechend vergrößerte Leiterplatte 22, die für den Zweck der Miniaturisierung weniger geeignet ist.
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Basierend auf diesem Umstand ist der Wicklungsanschluss 40 bevorzugt derart ausgebildet, dass der Wärmewiderstand zumindest des in der Durchgangsöffnung 222 liegenden Teils ≥ 0,300 [°C/W], noch bevorzugter ≥ 0,330 [°C/W] ist.
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Zum Erhalten eines solchen Wärmewiderstands (d. h. ≥ 0,300 [°C/W]) muss die Querschnittfläche des Wicklungsanschlusses 40 nicht so vergrößert werden, dass dies zu einer Vergrößerung der Leiterplatte 22 an sich führen würde.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt und beinhaltet alle Modifikationen im Rahmen ihres Grundgedankens.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde beispielsweise gezeigt, dass das andere Ende des Wicklungsanschlusses 40 aus der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 herausragt.
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Das andere Ende des Wicklungsanschlusses 40 muss jedoch nicht unbedingt herausragen, sondern kann im Wesentlichen so weit angeordnet sein, dass es bündig mit der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 schließt.
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Daher ist auch die Ausnehmung 32, die gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an der Wärmesenke 30 zur Aufnahme des anderen Endes des Wicklungsanschlusses 40 vorgesehen ist, nicht unbedingt notwendig.
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Ferner kann die Ausnehmung 32 der Wärmesenke 30, die gemäß der vorliegenden Ausführungsbeispiel als Raum ausgebildet ist, mit einem elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Material (z. B. Klebemittel, Folie, Fett od. dgl. mit elektrischer Isolierfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit) gefüllt werden, um den Raum der Ausnehmung 32 auszufüllen.
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Dadurch erfolgt die Wärmeübertragung vorteilhaferweise effizient auch vom anderen Ende des Wicklungsanschlusses 40, der innerhalb der Ausnehmung 32 ohne direkte Berührung mit der Wärmesenke 30 getrennt davon angeordnet ist, auf die Wärmesenke 30.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind ferner keine Elektronikkomponenten u. a. an der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 vorgesehen. Bauelemente, wie z. B. Widerstände, Kondensatoren u. a., können jedoch an der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 angeordnet werden.
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Dabei wird die andere Fläche 22b der Leiterplatte 22 über die angeordneten Bauelemente von der Wärmesenke 30 getrennt. In diesem Fall kann beispielsweise eine Ausnehmung an einer dem Bauelement entsprechenden Stelle der Wärmesenke 30 vorgesehen werden, um die andere Fläche 22b der Leiterplatte 22 dicht mit der Wärmesenke 30 zu verbinden, bzw. im erzeugten Zwischenraum ein elektrisch isolierendes, wärmeleitendes Klebemittel od. dgl. so höher als die Höhe des Bauelements aufgetragen werden, dass damit das Bauelement bedeckt wird, um die Wärme effizient von der anderen Fläche 22b der Leiterplatte 22 auf die Wärmesenke 30 zu leiten.
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Wie oben erwähnt, wird die vorliegende Erfindung nicht auf die konkrete Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst verschiedene Variationen und Weiterentwicklungen, welche für den Fachmann aus den Patentansprüchen ersichtlich sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 10
- Motorhauptkörper
- 11
- Rotor
- 111
- Rotorjoch
- 112
- Rotormagnet
- 113
- Welle
- 12
- Stator
- 121
- Statorkern
- 122
- Isolierkörper
- 123
- Spule
- 13
- Rahmen
- 131
- Seitenwandabschnitt
- 132
- Bodenabschnitt
- 132a
- Vertiefung
- 133
- Deckel
- 133b
- Vertiefung
- 134
- Flansch
- 14a
- Lager
- 14b
- Lager
- 20
- Antriebsschaltungsabschnitt
- 21
- Außenwandteil
- 22
- Leiterplatte
- 22a
- eine Fläche (der Leiterplatte)
- 22b
- andere Fläche (der Leiterplatte)
- 221
- Leistungsbauelement
- 221H
- High-Side-Leistungsbauelement
- 221L
- Low-Side-Leistungsbauelement
- 222
- Durchgangsöffnung
- 23
- Kontaktfläche
- 24
- wärmeleitende Folie (Beispiel eines elektrisch isolierenden und wärmeleitenden Materials)
- 30
- Wärmesenke
- 30a
- eine Fläche (der Wärmesenke)
- 32
- Ausnehmung
- 40
- Wicklungsanschluss
- 41
- Spulenverbindungsabschnitt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2015-089151 A [0003, 0003, 0004, 0004]
