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Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte für einen Elektromotor, mit einer Spule, die aus mindestens einer spiralförmig innerhalb einer Lage der Leiterplatte verlaufenden Leiterbahn gebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit einer derartigen Leiterplatte und ein Verfahren zu Herstellung einer solchen Leiterplatte.
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Derartige Leiterplatten können Einsatz in Elektromotoren finden, die eine oder mehrere in einer Leiterplatte integrierte Spulen aufweisen. Solche Elektromotoren werden auch als Leiterplattenmotoren oder printed ciruit board (PCB)-Motoren bezeichnet und können als Rotationsmotor oder als Linearmotor ausgebildet sein.
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Eine Leiterplatte für einen Elektromotor der zuvor genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 062 575 A1 bekannt. Diese Leiterplatte weist eine spiralförmig verlaufende Leiterbahn auf, die innerhalb einer Lage der Leiterplatte vorgesehen ist und somit eine eisenlose, kompakte und gewichtssparende Spule bildet. Um die bei Betrieb entstehende Wärme abführen zu können, ist innerhalb der spiralförmig verlaufenden Leiterbahn eine Kühlfläche angeordnet, welche elektrisch von der spiralförmig verlaufenden Leiterbahn isoliert ist.
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Elektromotoren mit derartigen Leiterplatten haben sich in der Praxis bewährt. Allerdings hat es sich als nachteilig herausgestellt, dass die durch solche Elektromotoren bereitstellbare Kraft begrenzt ist.
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Aus
DE 10 2015 206 697 A1 ist ein Primärteil einer elektrischen Maschine bestehend aus einer mehrschichtigen Platine mit mindestens zwei beabstandet übereinanderliegenden Schichten bekannt. Die elektrisch leitenden Schichten bilden mindestens eine Spule aus. Zwischen den elektrisch leitenden Schichten ist mindestens eine dielektrische Schicht angeordnet. Ferner umfasst das Primärteil mindestens zwei voneinander beabstandete, magnetisch leitende Schichten, wobei jede magnetisch leitende Schicht zumindest mittelbar angrenzend zu einer elektrisch leitenden Schicht angeordnet ist.
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Aus
US 5 519 270 A ist ein Spindelmotor in Platinenbauweise mit zwei übereinanderliegenden, spiralförmigen Windungen und einem Eisenkern bekannt, der vollständig innerhalb einer Leiterplatte angeordnet ist.
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Ausgehend von einem solchen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Leiterplatte für einen Elektromotor anzugeben, der für Anwendungen mit hohen Kraftanforderungen geeignet ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird eine Leiterplatte für einen Elektromotor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen.
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Durch den Spulenkern aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material kann der durch die Spule erzeugte magnetische Fluss gebündelt und dadurch die magnetische Flussdichte erhöht werden. Bei Verwendung der Leiterplatte in einem Elektromotor hat die Erhöhung der magnetischen Flussdichte zur Folge, dass sich die magnetische Kraftwirkung erhöht. Der Elektromotor kann eine höhere Kraft bzw. ein größeren Drehmoment bereitstellen. Die Anordnung des Spulenkerns vollständig innerhalb der Leiterplatte ermöglicht eine kompakte Ausgestaltung des Elektromotors. Da der Spulenkern, dessen Material elektrisch leitfähig sein kann, gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert ist, kann die elektrische Isolation des Spulenkerns gegenüber der Spule geringer ausfallen, als dies bei einem Spulenkern der Fall wäre, welcher gegenüber der Umgebung nicht elektrisch isoliert ist. Die Leiterbahn der Spule kann dadurch nah an dem Spulenkern angeordnet werden, wodurch sich die Effizienz der Spule und damit auch des Elektromotors erhöht.
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Der Spulenkern kann aus einem ferromagnetischen Material gebildet sein, welches Eisen, Cobalt oder Nickel aufweist. Das Material des Spulenkerns kann eine ferromagnetische Legierung oder ein Ferrit sein. Der Spulenkern kann Bleche und/oder gepresstes Pulvermaterial aufweisen. Bevorzugt weist der Spulenkern ein soft magnetic compund (SMC)-Material auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Leiterplatte mehrere Spulen auf, die aus mindestens einer spiralförmig innerhalb einer Lage der Leiterplatte verlaufenden Leiterbahn gebildet sind, und mehrere Spulenkerne aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material, die sich in einer Richtung erstrecken, die senkrecht zu der Lage angeordnet ist, wobei die Spulenkerne vollständig innerhalb der Leiterplatte angeordnet und gegenüber der Umgebung der Leiterplatte elektrisch isoliert sind. Die in der Leiterplatte ausgebildeten Spulen können beim Betrieb des Elektromotors unabhängig voneinander angeregt werden. Die Spulenkerne sind separat voneinander innerhalb der Leiterplatte angeordnet, wodurch magnetisch voneinander getrennte Zähne eines Elektromotors gebildet werden können.
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Eine konstruktiv vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Spule derart ausgebildet ist, dass im Inneren der Spule ein magnetisches Feld erzeugt werden kann, welches senkrecht zu einer Plattenebene der Leiterplatte ausgerichtet ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Leiterplatte eine erste dielektrische Schicht, insbesondere eine erste dielektrische Deckschicht, und/oder eine zweite dielektrische Schicht, insbesondere eine zweite dielektrische Deckschicht, aufweist, über welche der Spulenkern gegenüber der Umgebung der Leiterplatte isoliert ist. Die erste und/oder die zweite dielektrische Schicht können ein unerwünschtes Berühren des Spulenkerns im Sinne einer Basisisolierung verhindern und bieten Schutz gegen elektrischen Schlag. Der Spulenkern erstreckt sich bevorzugt in einer Richtung, die senkrecht zu der ersten dielektrischen Schicht und/oder der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist. Die erste und/oder zweite dielektrische Schicht sind somit bevorzugt parallel zu der mindestens einen Lage angeordnet, in welcher die Spule ausgebildet ist.
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Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Leiterplatte einen isolierenden Bereich zur Isolierung des Spulenkerns gegenüber der Spule aus einem dielektrischen Material aufweist, der zwischen dem Spulenkern und der Leiterbahn der Spule angeordnet ist, wobei die erste dielektrische Schicht und/oder die zweite dielektrische Schicht im Vergleich zu dem isolierenden Bereich eine größere Durchschlagspannung und/oder einen größeren Isolationswiderstand aufweist. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist es möglich, über die erste dielektrische Schicht und die zweite dielektrisch Schicht eine Basisisolierung mit höherer Durchschlagspannung und/oder höherem Isolationswiderstand bereitzustellen und über den isolierenden Bereich zwischen Spulenkern und Spule eine Funktionsisolierung mit geringerer Durchschlagspannung und/oder geringerem Isolationswiderstand.
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Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher der isolierende Bereich und die erste dielektrische Schicht und die zweite dielektrische Schicht aus demselben dielektrischen Material gebildet sind und eine erste Dicke des isolierenden Bereichs geringer ist als eine zweite Dicke der ersten dielektrischen Schicht und geringer ist als eine dritte Dicke der zweiten dielektrischen Schicht. Hierdurch wird es möglich, Spule und Spulenkern näher aneinander anzuordnen und dadurch die Effizienz der Spule bzw. des Elektromotors zu steigern. Alternativ kann der isolierende Bereich aus einem anderen dielektrischen Material gebildet sein als die erste dielektrische Schicht und die zweite dielektrische Schicht, wobei die erste Dicke des isolierenden Bereichs größer ist als die zweite Dicke der ersten dielektrischen Schicht und größer ist als die dritte Dicke der zweiten dielektrischen Schicht.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die erste dielektrische Schicht und/oder die zweite dielektrische Schicht aus einem FR4-Material ausgebildet, bevorzugt aus einem FR4-Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,5 W/(mK), besonders bevorzugt aus einem FR4-Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 1 W/(mK). Beim Betrieb der Spule kommt es aufgrund des ohmschen Widerstands der Leiterbahn zu einer Wärmeentwicklung. Die Wärme muss unter anderem über die erste und/oder zweite dielektrisch Schicht aus der Leiterplatte abgeführt werden. FR4-Material mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 0,5 W/(mK), insbesondere von mindestens 1 W/(mK), hat sich als besonders geeignet erwiesen, die Ableitung der Wärme zu unterstützen und einem unerwünschten temperaturbedingten Ausfall der Spule vorzubeugen.
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Als vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung herausgestellt, bei der die Leiterplatte eine Ausnehmung umfasst, welche die erste dielektrische Schicht und/oder die zweite dielektrische Schicht durchdringt. Durch die Ausnehmung kann die Leiterbahn der Spule elektrisch kontaktiert werden ohne dabei die elektrische Isolierung des Spulenkerns gegenüber der Umgebung zu beeinträchtigen. Zur Kontaktierung der Spule kann ein elektrisch leitfähiges Material in Ausnehmung eingebracht werden. Alternativ ist es möglich, einen Steckverbinder in der Ausnehmung anzuordnen. Die Ausnehmung kann als Tiefenfräsung oder Tiefenbohrung ausgebildet sein.
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Bevorzugt weist die Leiterplatte mindestens ein Thermo-Via aus elektrisch leitfähigem Material auf, das sich in einer Richtung erstreckt, die senkrecht zu den elektrisch leitenden Lagen angeordnet ist und das gegenüber der Spule und/oder dem Spulenkern elektrisch isoliert ist. Besonders bevorzugt erstreckt sich das Thermo-Via ausgehend von der ersten dielektrischen Schicht durch das Innere der Leiterplatte bis zu der zweiten dielektrischen Schicht, so dass die Ableitung der Wärme aus dem Inneren der Leiterplatte verbessert wird. Der Übergang der Wärme von dem Thermo-Via an die Umgebung kann dann durch die erste und/oder zweite dielektrische Schicht erfolgen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Leiterplatte eine erste Teil-Leiterplatte und eine zweite Teil-Leiterplatte auf, welche miteinander verbunden, insbesondere verklebt, sind. Hierzu kann eine Außenlage der ersten Teil-Leiterplatte mit einer Außenlage der zweiten Teil-Leiterplatte verbunden werden. Bevorzugt weist die erste Teil-Leiterplatte auf einer der zweiten Teil-Leiterplatte gegenüberliegenden Seite die erste dielektrische Deckschicht auf und die zweite Teil-Leiterplatte weist auf einer der ersten Teil-Leiterplatte gegenüberliegenden Seite die zweite dielektrische Deckschicht auf.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Elektromotor, insbesondere Rotationsmotor oder Linearmotor, welcher eine vorstehend beschriebene Leiterplatte aufweist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte für einen Elektromotor mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 8 vorgeschlagen.
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Bei dem Elektromotor und dem Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte können dieselben Vorteile erreicht werden, wie sie bereits im Zusammenhang mit der Leiterplatte beschrieben worden sind.
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Die Herstellung der Leiterplatte erfolgt bevorzugt derart, dass zunächst eine auch als Nutzen bezeichnete Gesamtleiterplatte hergestellt wird, welche mehrere Leiterplatten umfasst. Die Herstellung dieser Gesamtleiterplatte umfasst bevorzugt die vorstehend genannten Verfahrensschritte zur Herstellung einer Leiterplatte. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann die Gesamtleiterplatte dann zu einzelnen Leiterplatten vereinzelt werden, beispielsweise durch eine Trennvorrichtung, insbesondere eine Fräsvorrichtung, eine Schneidvorrichtung oder eine Stanzvorrichtung.
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Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Isolation des Spulenkerns gegenüber der Umgebung der Leiterplatte eine Deckschicht, welche eine Oberfläche der Leiterplatte vollständig bedeckt, wobei eine Ausnehmung, insbesondere eine Tiefenfräsung oder Tiefenbohrung, durch die Deckschicht erzeugt wird. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann dann eine Kontaktierung der Leiterbahn der Spule durch die Ausnehmung erfolgen, beispielsweise dadurch, dass in die Ausnehmung ein elektrisch leitfähiges Material oder ein Steckverbinder eingebracht wird.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die elektrische Isolation des Spulenkerns gegenüber der Umgebung der Leiterplatte eine Deckschicht umfasst, welche eine Oberfläche der Gesamtleiterplatte vollständig bedeckt, wobei eine Ausnehmung, insbesondere eine Tiefenfräsung oder Tiefenbohrung, durch die Deckschicht erzeugt wird. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt kann dann die Vereinzelung der Gesamtleiterplatte zu einzelnen Leiterplatten erfolgen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 eine Leiterplatte gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer horizontalen Schnittdarstellung entlang einer zur Plattenebene der Leiterplatte parallelen Schnittebene;
- 2 eine Leiterplatte gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen, vertikalen Schnittdarstellung entlang einer zur Plattenebene der Leiterplatte senkrecht orientierten Schnittebene; und
- 3 eine Leiterplatte gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer vertikalen Schnittdarstellung entlang einer zur Plattenebene der Leiterplatte senkrecht orientierten Schnittebene; und
- 4 eine Leiterplatte gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer vertikalen Schnittdarstellung entlang einer zur Plattenebene der Leiterplatte senkrecht orientierten Schnittebene.
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In der 1 ist eine Schnittdarstellung durch eine Leiterplatte 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die Schnittebene verläuft parallel zu der Plattenebene der Leiterplatte 1 durch eine innere Lage der Leiterplatte 1. Die innere Lage der Leiterplatte 1 weist mehrere Leiterbahnen 3 auf, welche spiralförmig verlaufend ausgebildet sind, so dass innerhalb dieser Lage mehrere Spulen 2 gebildet sind. Mittels jeder Spule 2 kann ein magnetisches Feld erzeugt werden, welches senkrecht zu der Plattenebene der Leiterplatte 1 - hier der Schnittebene - ausgerichtet ist. Das magnetische Feld hat sein Maximum in der Mitte der jeweiligen durch die Leiterbahn 3 gebildeten Spirale.
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Die Leiterbahn 3 ist aus einem metallischen Material ausgebildet, bevorzugt aus einem kupferhaltigen Material, besonders bevorzugt aus Kupfer. Die Leiterbahn 3 ist von einem dielektrischen Material 5 umgeben, welches die einzelnen Abschnitte der spiralförmigen Leiterbahn 3 elektrisch gegeneinander isoliert. Bei dem dielektrischen Material 5 handelt es sich bevorzugt um ein FR4-Material.
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Zusätzlich zu der in der 1 gezeigten Lage der Leiterplatte 1 weist die Leiterplatte 1 weitere Lagen auf. Insofern handelt es sich bei der Leiterplatte 1 um eine Mehrlagenleiterplatte, die auch als Multi-Layer-Platine bezeichnet wird. Die Leiterplatte 1 kann vier, acht, zehn, zwölf, vierzehn oder mehr Lagen aufweisen, wobei in jeder Lage Leiterbahnen angeordnet sind. Die Leiterbahnen der anderen Lagen weisen bevorzugt ebenfalls eine spiralförmige Struktur auf, so dass auch in diesen Lagen Spulen gebildet sind. Die Leiterbahnen jeweils benachbarter Lagen sind über so genannte Vias, elektrisch leitende Verbindungen senkrecht zur Plattenebene, miteinander verbunden. Bei der in 1 gezeigten Lage sind beispielsweise Vias 6 vorgesehen, welche die Leiterbahnen 3 mit den Leiterbahnen der benachbarten Lagen verbinden, so dass Spulen 2 gebildet werden, die sich in einer Richtung senkrecht zur Plattenebene erstrecken.
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Die Leiterplatte 1 weist zudem mehrere Thermo-Vias 7 auf, die die Ableitung von Wärme aus dem Inneren der Leiterplatte 1 verbessern und nachfolgend in Verbindung mit 3 näher beschrieben werden. Zur Montage der Leiterplatte 1 innerhalb eines Elektromotors sind ferner Ausnehmungen 8 in Form von Durchgangsbohrungen vorgesehen.
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Innerhalb der Leiterplatte 1 sind zudem mehrere separate Spulenkerne 4 aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material angeordnet. Jeder Spulenkern 4 erstreckt sich in einer Richtung, die senkrecht zu den Lagen der Leiterplatte 1 angeordnet ist. Der Spulenkern 4 ist aus Blechen und/oder Schichten aus gepressten Pulvermaterial gebildet. Bei dem Material des Spulenkerns 4 handelt es sich um Eisen, eine ferromagnetische Legierung oder ein Ferrit. Der Spulenkern 4 ist jeweils innerhalb der spiralförmigen Leiterbahn 3 vorgesehen, welche eine Spule 2 bildet. Durch den Spulenkern 4 wird der von der Spule 2 erzeugte magnetische Fluss gebündelt und die magnetische Flussdichte verstärkt.
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Die Spulenkerne 4 sind vollständig innerhalb der Leiterplatte 1 vorgesehen und gegenüber der Umgebung der Leiterplatte 1 elektrisch isoliert. Die Isolierung der Spulenkerne 4 erfolgt über eine erste dielektrische Schicht, die parallel zu den Lagen der Leiterplatte 1 angeordnet ist, beispielsweise eine dielektrische Deckschicht, der Leiterplatte 1. Über die erste dielektrische Schicht kann der jeweilige Spulenkern 4 an einer ersten Oberfläche der Leiterplatte 1 gegenüber der Umgebung isoliert sein. Ferner weist die Leiterplatte 1 eine zweite dielektrische Schicht auf, die ebenfalls parallel zu den Lagen der Leiterplatte 1 angeordnet ist. Die Spulenkerne 4 sind innerhalb der Leiterplatte 1 zwischen der ersten und der zweiten dielektrischen Schicht angeordnet. Insofern wird jeder Spulenkern 4 gegenüber der Umgebung durch die erste dielektrische Schicht an einer ersten Oberfläche der Leiterplatte 1 isoliert und durch die zweite dielektrische Schicht an einer zweiten Oberfläche, welche der ersten Oberfläche gegenüberliegt.
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Die erste und die zweite dielektrische Schicht sind aus einem FR4-Material gebildet. Die Wärmeleitfähigkeit des FR4-Materials beträgt bevorzugt mindestens 0,5 W/(mK), besonders bevorzugt mindestens 1 W/(mK), so dass die beim Betrieb der Spule entstehende ohmsche Verlustwärme verbessert durch die erste und zweite dielektrischen Schicht nach außen geführt abgeleitet kann.
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Die erste und die zweite dielektrische Schicht stellen eine Basisisolierung des Spulenkerns 4 gegenüber der Umgebung der Leiterplatte bereit. Die Anordnung der Spulenkerne 4 vollständig innerhalb der Leiterplatte 1 ermöglicht nicht nur eine kompakte Ausgestaltung des Elektromotors, sondern erlaubt es auch, die im Inneren der Leiterplatte vorgesehene Isolierung zwischen dem jeweiligen Spulenkern 4 und der zugehörigen Spule 2 schwächer auszulegen und damit die Leistungsfähigkeit der Spule 2 bzw. des Elektromotors, in welchem die Leiterplatte 1 verwendet wird, zu steigern. Diese Vorteile sollen nachfolgend anhand der Darstellung in 2 näher erläutert werden.
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Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leiterplatte 1 für einen Elektromotor. Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist in 2 nur ein Spulenkern 4 gezeigt. Die Leiterplatte 1 des zweiten Ausführungsbeispiels kann, ebenso wie die Leiterplatte nach 1, mehrere separate Spulenkerne 4 aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material aufweisen. An einer ersten Oberfläche der Leiterplatte 1, die nachfolgend als Oberseite bezeichnet wird, ist eine erste dielektrische Schicht 9 vorgesehen. An einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche der Leiterplatte 1, im Folgenden als Unterseite bezeichnet, ist eine zweite dielektrische Schicht 10 angeordnet. Der Spulenkern 4 ist somit innerhalb der Leiterplatte 1 zwischen der ersten dielektrischen Schicht 9 und der zweiten dielektrischen Schicht 10 angeordnet. Die erste dielektrische Schicht 9 bildet eine Deckschicht an der Oberseite der Leiterplatte 1 und die zweite dielektrische Schicht 10 bildet eine Deckschicht an der Unterseite der Leiterplatte 1.
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Die Darstellung in 2 zeigt ferner eine Lage der Leiterplatte 1, eine spiralförmige Leiterbahn 3 aufweist. Neben der gezeigten Lage können weitere Lagen mit spiralförmigen Leiterbahn 3 vorhanden sein, welche mit der Leiterbahn 3 der dargestellten Lage elektrisch verbunden sind. Zur elektrischen Isolierung der Leiterbahn 3 gegenüber dem Spulenkern 4 ist ein isolierender Bereich 11 der Lage vorgesehen. Der isolierende Bereich 11 ist aus einem dielektrischen Material ausgebildet, beispielsweise aus einem FR4-Material. Das Material des isolierenden Bereichs 11 und/oder die Dimensionierung des isolierenden Bereichs 11 ist derart gewählt, dass die erste dielektrische Schicht 9 und die zweite dielektrische Schicht 10 im Vergleich zu dem isolierenden Bereich eine größere Durchschlagspannung und/oder einen größeren Isolationswiderstand aufweisen. Somit kann über die erste dielektrische Schicht 9 und die zweite dielektrische Schicht 10 die Basisisolierung von Spule und Spulenkern gegenüber der Umgebung ermöglicht werden. Die Isolierung zwischen der Leiterbahn 3 der Spule 2 und dem Spulenkern muss lediglich den geringeren Anforderungen einer Funktionsisolierung genügen. Optional kann vorgesehen sein, dass der isolierende Bereich 11 und die erste dielektrische Schicht 9 und die zweite dielektrische Schicht 10 aus demselben dielektrischen Material gebildet sind und eine erste Dicke D1 des isolierenden Bereichs 11 geringer ist als eine zweite Dicke D2 der ersten dielektrischen Schicht 9 und geringer ist als eine dritte Dicke D3 der zweiten dielektrischen Schicht 10. Alternativ ist es möglich, dass der isolierende Bereich 11 aus einem anderen dielektrischen Material gebildet ist als die erste dielektrische Schicht 9 und die zweite dielektrische Schicht 10, wobei die erste Dicke D1 des isolierenden Bereichs 11 größer ist als die zweite Dicke D2 der ersten dielektrischen Schicht 9 und größer ist als die dritte Dicke D3 der zweiten dielektrischen Schicht 10. Beispielsweise kann die erste Dicke D1 des isolierenden Bereichs im Bereich von 200 µm bis 300 µm, liegen und die zweite Dicke D2 der ersten dielektrischen Schicht 9 und die dritte Dicke D3 der zweiten dielektrischen Schicht 10 können im Bereich von 110 µm bis 190 µm, bevorzugt im Bereich von 140 µm bis 160 µm, besonders bevorzugt bei 150 µm, liegen.
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Die 3 zeigt ein Detail einer Leiterplatte 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer Schnittdarstellung entlang einer zur Plattenebene der Leiterplatte 1 senkrecht orientierten Schnittebene. Die Leiterplatte 1 weist eine Vielzahl von Lagen auf, wobei in den Lagen mehrere nicht dargestellte Spulen vorgesehen sind, die aus mindestens einer spiralförmig innerhalb einer Lage der Leiterplatte verlaufenden Leiterbahn gebildet sind. Ferner weist die Leiterplatte mehrere Spulenkerne aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material auf, die sich in einer Richtung erstrecken, die senkrecht zu den elektrisch leitenden Schichten angeordnet ist, wobei die Spulenkerne vollständig innerhalb der Leiterplatte 1 angeordnet und gegenüber der Umgebung der Leiterplatte 1 elektrisch isoliert sind. Zur Isolierung des Spulenkerns gegenüber der Umgebung sind bei der Leiterplatte 1 eine erste dielektrische Schicht 9 und eine zweite dielektrische Schicht 10 vorgesehen.
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Um die Ableitung von Wärme aus dem Inneren der Leiterplatte 1 zu verbessern, sind ferner Thermo-Vias 7 vorgesehen, von denen eines in der 3 erkennbar ist. Das Thermo-Via 7 besteht aus elektrisch leitfähigem Material, das sich in einer Richtung erstreckt, die senkrecht zu den elektrisch leitenden Lagen angeordnet ist und das gegenüber der Spule und/oder dem Spulenkern elektrisch isoliert ist.
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Die Herstellung der in 1, 2 und 3 gezeigten Leiterplatte 1 kann mit einem Verfahren erfolgen, bei welchem zunächst eine Spule 2 erzeugt wird, die aus mindestens einer spiralförmig innerhalb einer Lage der Leiterplatte 1 verlaufenden Leiterbahn 3 gebildet ist. Optional kann sich die Spule 2 über mehrere Lagen der Leiterplatte 1 erstrecken, wobei die Leiterbahnen benachbarter Lagen über Vias miteinander verbunden sind. In einem weiteren Verfahrensschritt wird in die Leiterplatte eine Aufnahme für den Spulenkern 4 eingebracht. Das Einbringen der Aufnahme kann beispielsweise durch Fräsen erfolgen. Die Aufnahme erstreckt sich senkrecht zu der Lage mit der Spule 2 und ist innerhalb des spiralförmigen Verlaufs der Leiterbahn 3 der jeweiligen Spule angeordnet.
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Ferner wird ein Spulenkern 4 erzeugt, welcher derart bemessen ist, dass er vollumfänglich in der Aufnahme aufgenommen werden kann. Dieser kann beispielsweise als Paket aus mehreren Blechen gebildet sein oder als Formkörper aus einem gepressten Pulvermaterial, insbesondere als Formkörper, der aus mehrere Schichten aus gepresstem Pulvermaterial gebildet ist. Der Spulenkern 4 wird schließlich in die Aufnahme in der Leiterplatte eingebracht.
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Abschließend wird eine elektrische Isolation des Spulenkerns gegenüber der Umgebung der Leiterplatte erzeugt. Bevorzugt wird beim Erzeugen der Isolation, beispielsweise in Form der ersten dielektrischen Schicht 9 und/oder der zweiten dielektrischen Schicht 10, die Aufnahme gegenüber der Umgebung verschlossen.
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In der 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Leitplatte 1 gezeigt. Diese Leiterplatte 1 weist eine erste Teil-Leiterplatte 12 und eine zweite Teil-Leiterplatte 13 auf, welche miteinander verbunden, insbesondere verklebt, sind. Zur Herstellung der Leiterplatte 1 wird eine Außenlage 14 der ersten Teil-Leiterplatte 12 mit einer Außenlage 15 der zweiten Teil-Leiterplatte 13 verbunden, beispielsweise verklebt. An der Seite der ersten Teil-Leiterplatte 12, die den miteinander verbundenen Außenlagen 14, 15 der Teil-Leiterplatten 12, 13 gegenüberliegt, weist die erste Teil-Leiterplatte 12 eine erste dielektrische Deckschicht 9 auf. An der Seite der zweiten Teil-Leiterplatte 13, die den miteinander verbundenen Außenlagen 14, 15 der Teil-Leiterplatten 12, 13 gegenüberliegt, weist die zweite Teil-Leiterplatte 13 eine zweite dielektrische Deckschicht 10 auf.
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Die Leiterplatte 1 weist spiralförmig innerhalb einer Lage der Leiterplatte 1 verlaufende Leiterbahnen 3 auf, die eine Spule bilden. Zudem ist ein Spulenkern 4 aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material vorgesehen, welcher senkrecht zu den Lagen bzw. zu dem dielektrischen Deckschichten 9, 10 angeordnet ist. Der Spulenkern 4 liegt innerhalb der durch die erste Teil-Leiterplatte 12 und die zweite Teil-Leiterplatte 13 gebildeten Leiterplatte 1 und ist durch die erste und zweite dielektrische Deckschicht 9, 10 gegenüber der Umgebung isoliert.
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Die vorstehend beschriebenen Leiterplatten 1 für einen Elektromotor weisen jeweils eine Spule 2 auf die aus mindestens einer spiralförmig innerhalb einer Lage der Leiterplatte 1 verlaufenden Leiterbahn 3 gebildet ist, und einen Spulenkern 4 aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material, der sich in einer Richtung erstreckt, die senkrecht zu der Lage angeordnet ist, wobei der Spulenkern 4 vollständig innerhalb der Leiterplatte 1 angeordnet und gegenüber der Umgebung der Leiterplatte 1 elektrisch isoliert ist. Die beschriebenen Leiterplatten 1 können in einem Elektromotor, insbesondere einem Rotationsmotor oder einem Linearmotor eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatte
- 2
- Spule
- 3
- Leiterbahn
- 4
- Spulenkern
- 5
- dielektrisches Material
- 6
- Via
- 7
- Thermo-Via
- 8
- Ausnehmung
- 9
- erste dielektrische Schicht
- 10
- zweite dielektrische Schicht
- 11
- isolierender Bereich
- 12
- Teil-Leiterplatte
- 13
- Teil-Leiterplatte
- 14
- Außenlage
- 15
- Außenlage
- D1
- Dicke des isolierenden Bereichs
- D2
- Dicke der ersten dielektrischen Schicht
- D3
- Dicke der zweiten dielektrischen Schicht
