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Die vorliegende Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine. Die Erfindung betrifft sowohl rotative dynamoelektrische Maschinen als auch Linearmotoren.
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Elektrische Maschinen werden häufig als sog. Synchronmotoren oder bürstenlose Gleichstrommaschinen ausgebildet, bei denen ein Primärteil ein genutetes Elektroblech umfasst, in dessen Nuten eine Wicklung zur Erzeugung eines elektrischen Feldes angeordnet ist. Ein Sekundärteil der elektrischen Maschine ist mit Permanentmagneten bestückt, deren Magnetfeld mit dem von den Spulen des Primärteils erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung tritt und so ein Antriebsmoment erzeugen kann. Häufig wird die Wicklung des Primärteils als sog. Zahnspulenwicklung ausgeführt. Hierbei weist das Primärteil ausgeprägte Zähne aus, die beidseitig von den Nuten begrenzt werden. Die Zähne werden jeweils mit einer konzentrierten Zahnspulenwicklung bestückt, sodass die Wicklung den jeweiligen Zahn konzentrisch umgibt. Durch die Zahnspulenwicklung lassen sich Maschinen mit sehr hoher Leistungsdichte herstellen, da mit dieser Wicklungstechnik hohe sog. Kupferfüllfaktoren erzielt werden können.
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Durch die ausgeprägte Zahnstruktur ist der Luftspalt, der die Permanentmagnete des Sekundärteils von dem Blechpaket des Primärteils trennt, starken Veränderungen unterlegen. Durch die Änderung des Luftspaltes bei einem Wechsel von einem Zahn des Primärteils zu einer Nut des Primärteils verändert sich der magnetische Widerstand zwischen Primär- und Sekundärteil erheblich. Mit diesem veränderlichen magnetischen Widerstand variiert aber auch die Kraft zwischen Primär- und Sekundärteil. Dieser Effekt wird insbesondere bei Reluktanzmotoren gezielt zur Momentenerzeugung ausgenutzt. Hingegen sind bei Synchronmotoren die beschriebenen Nutrastmomente in der Regel unerwünscht, da sie zu einem schwankenden Drehmomentverlauf führen und somit die akustischen Eigenschaften der Maschine verschlechtern können. Darüber hinaus haben Nutrastmomente in der Regel erhöhte Verluste im Eisen, in den Wicklungen und in den Magneten zur Folge.
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Aus der
DE10335792A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, bei der mehrere benachbarte Zahnspulen innerhalb eines Primärteils der elektrischen Maschine in Serie geschaltet sind und im Betrieb von demselben Strom durchflossen werden, wobei der Wicklungssinn und die Stromrichtung von Nut zu Nut wechseln. Um den Reluktanzrippel der Maschine zu reduzieren, wird ein Verhältnis zwischen der Nutteilung T
n und der Polteilung T
p vorgeschlagen, welches in der Nähe von 1 liegt.
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Die
DE102012103677A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem relativ dazu beweglichen Rotor. Der Stator weist Nuten zur Aufnahme elektrischer Wicklungen auf, wobei zwischen benachbarten Nuten Zähne des Stators ausgebildet sind. Im Betrieb der Maschine ist eine Arbeitswelle der magnetomotorischen Kraft verschieden von einer Grundwelle des Magnetflusses. Der Stator weist wenigstens eine Ausnehmung auf, die im Zahnbereich angeordnet ist und in im Wesentlichen radialer Richtung ausgedehnt ist. Die Ausnehmung im Bereich des Zahns wird dafür verantwortlich gemacht, dass unerwünschte harmonische Komponenten der magnetomotorischen Kraft signifikant reduziert werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine dynamoelektrische Maschine mit niedrigen Nutrastmomenten und hoher Leistungsdichte anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine dynamoelektrische Maschine mit den Merkmalen nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Eine erfindungsgemäße dynamoelektrische Maschine umfasst
- - einen Primärteil mit einer Vielzahl von Zähnen, zwischen den Zähnen befindliche Nuten und ein Joch aus einem ferromagnetischen Material,
- - ein vom Primärteil über einen Luftspalt beabstandetes Sekundärteil mit einer Vielzahl von mit wechselnder Polarität nebeneinander liegenden Permanentmagneten,
- - eine in den Nuten angeordnete mehrphasige Zahnspulenwicklung, wobei benachbarte Zahnspulen zu Gruppen gleicher elektrischer Phase verschaltet sind,
- - wobei benachbarte Zähne der Gruppen mit Zahnspulen gleicher elektrischer Phase über das Joch magnetisch leitend verbunden sind und
- - das Joch zwischen benachbarten Zahnspulen unterschiedlicher elektrischer Phase unterbrochen ist.
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Üblicherweise wird über das Joch des Primärteils eine magnetische Verbindung zwischen den Magnetkreisen der verschiedenen elektrischen Phasen der dynamoelektrischen Maschine geschaffen. Auf diese Art und Weise entsteht gemäß dem Stand der Technik ein magnetischer Sternpunkt zwischen den Phasen. Der Erfindung liegt nunmehr die Erkenntnis zugrunde, dass die unerwünschten Nutrastmomente erheblich reduziert werden, wenn der magnetische Rückfluss zwischen den Phasen unterbunden wird. Ferner liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass diese Unterbrechung des Jochs und die damit verbundene Unterbrechung des magnetischen Rückschlusses am wirkungsvollsten ist, wenn sie zwischen den jeweiligen Gruppen mit zahnspulengleicher elektrischer Phase erfolgt.
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Als Unterbrechung des Jochs zwischen benachbarten Zahnspulen unterschiedlicher elektrischer Phase wird erfindungsgemäß jede signifikante Reduktion des magnetischen Leitwertes an dieser Stelle im Joch bezeichnet. So kann diese Unterbrechung nicht nur durch eine komplette Aussparung des Primärteileisens hervorgerufen werden, sondern auch durch eine deutliche Verjüngung des Elektrobleches an dieser Stelle. Auch kann zwischen den benachbarten Zahnspulen unterschiedlicher elektrischer Phase ein Material mit höherem magnetischem Widerstand vorgesehen werden im Vergleich zum Material des Jochs.
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Zwar liegt auch der
DE102012103677A1 der Kerngedanke zugrunde, unerwünschte Nutrastmomente durch eine gezielte Reduktion des magnetischen Leitwertes im Joch an bestimmten Positionen zu erzielen. Jedoch schlägt die besagte Schrift eine solche Unterbrechung im Zahnbereich des Primärteils vor. Erfindungsgemäß wird hingegen vorgeschlagen, die Unterbrechung zwischen den benachbarten Zahnspulen unterschiedlicher Phase vorzusehen, d. h. jeweils zwischen den Gruppen von Zahnspule gleicher elektrischer Phase. Insbesondere können im Unterschied zur
DE102012103677A1 benachbarte Zahnspulen zu Gruppen mit gleicher Bestromung, jedoch sich abwechselndem Wicklungssinn zusammengefasst werden. Hierbei wird vorteilhafterweise der magnetische Leitwert im Jochbereich genau zwischen diesen Gruppen gezielt reduziert.
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Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Unterbrechung des Jochs zwischen den Zähnen ergibt sich gegenüber der
DE102012103677A1 auch eine deutlich verbesserte Ausnutzung des Primärteileisens. Denn durch die in der zitierten Schrift vorgeschlagene Unterbrechung des magnetischen Kreises im Zahn des Primärteils wird der magnetische Leitwert an den Stellen geschwächt, an denen auch ein erheblicher Beitrag zur Nutzdrehmomenterzeugung erbracht werden kann.
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Unterbrechung des Jochs zwischen den Zähnen hat keine Reduktion des Kupferfüllfaktors zur Folge. Die Bestückung der Zahnspulen kann genauso dicht erfolgen, wie es bei einem herkömmlichen Primärteil ohne unterbrochenen magnetischen Rückfluss der Fall wäre.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die benachbarten Zahnspulen gleicher elektrischer Phase in Serie geschaltet sind und einen gegensätzlichen Wicklungssinn aufweisen. Die erfindungsgemäße Auftrennung des Jochs zwischen zwei Gruppen von Spulen gleicher elektrischer Phase erlaubt es jedoch auch, benachbarte Spulen gleicher elektrischer Phase parallel zu schalten ohne nachteilhafte Ausgleichsströme zwischen den Wicklungen zu erzeugen. Denn durch die Auftrennung des Jochs ist gewährleistet, dass die Spulen gleicher elektrischer Phase stets vom gleichen magnetischen Fluss durchsetzt werden. Es kann keinerlei Eintrag eines magnetischen Flusses von einem Spulenpaar einer anderen elektrischen Phase erfolgen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform kennzeichnet sich dadurch, dass eine Gruppe jeweils genau zwei in Serie geschaltete Zahnspulen aufweist, deren Wicklungssinn gegensätzlich ist und die vom selben Phasenstrom durchflossen werden. Diese beiden in Reihe geschalteten Zahnspulen können darüber hinaus durch ein U-förmiges Weicheisenteil magnetisch leitend miteinander verbunden werden. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung geschieht dies dadurch, dass das Joch mehrere Jochteile aufweist, die jeweils zwei Zähne mit zwei in Serie geschalteten Zahnspulen miteinander magnetisch verbinden. Das Primärteil der elektrischen Maschine umfasst somit eine Vielzahl U-förmiger Elektroblechstrukturen, deren Schenkel jeweils mit Zahnspulen bestückt sind. Die beiden Zahnspulen des so gestalteten U-förmigen Kernes des Joches sind gegensinnig gewickelt und in Reihe geschaltet.
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Durch die erfindungsgemäße Unterbrechung des Jochs stellt sich die Frage, wie die verschiedenen Elemente des Jochs mechanisch zu einem gemeinsamen Primärteil verbunden werden. Eine mechanische Verbindung der einzelnen Elemente des Jochs ist zur Erzielung des erfindungsgemäßen Effektes so zu gestalten, dass der magnetische Leitwert zwischen den Gruppen von Zahnspulen gleicher elektrischer Phase deutlich reduziert ist, um den Magnetfluss zwischen den verschiedenen Gruppen weitestgehend zu unterdrücken.
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In besonders vorteilhafter Weise lässt sich diese Aufgabe durch ein Primärteil lösen, das als Leiterplatte aufgebaut ist. In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung trägt diese Leiterplatte das Joch, die mit dem Joch verbundenen Zähne und die Zahnspulen. Die erfindungsgemäßen Unterbrechungen des Jochs sind bei einer Ausgestaltung des Primärteils in Form einer Leiterplatte durch den Verbundwerkstoff der Leiterplatte ausgefüllt. Als Verbundwerkstoff für die Leiterplatte kommt beispielsweise FR-4 in Frage, ein mit einem Glasfasergewebe verstärktes Epoxidharz, das standardmäßig für Leiterplatten eingesetzt wird. Die Leiterplatte bewirkt die erforderliche mechanische Stabilität für das Primärteil und unterdrückt im Gegensatz zu einer durchgehenden Weicheisenplatte den magnetischen Fluss zwischen den benachbarten Gruppen gleicher Phase.
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Hierbei sind vorteilhafterweise die Leiterplatte als Multilayer-Platine und die Zahnspulen als Solenoidspulen ausgebildet, die jeweils mehrere vertikal übereinander liegende Flachspulen aufweisen. Die Flachspulen werden hierbei beispielsweise zunächst auf Einzelplatinen aufgebracht, wobei die Einzelplatinen vorzugsweise zur Bildung der Multilayer-Platine übereinandergestapelt werden. Vorzugsweise ist hierbei auf jeder Einzelplatine sowohl auf der Oberseite als auch auf deren Unterseite jeweils eine Flachspule angeordnet. Auf diese Art und Weise bilden zwei aufeinandergestapelte Einzelplatinen ein Stack von insgesamt 4 Flachspulen, wobei die aufeinandergestapelten Einzelplatinen vorzugsweise durch eine Isolierschicht, beispielsweise eine Prepreg-Schicht, voneinander getrennt werden.
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Die vertikal übereinander liegenden Flachspulen werden hierbei zweckmäßigerweise elektrisch in Reihe geschaltet. Dies kann vorzugsweise mit elektrischen Durchkontaktierungen, auch VIA genannt, umgesetzt werden. Diese somit elektrisch in Reihe geschalteten Flachspulen, die vertikal übereinander liegen, bilden entsprechend jeweils eine Solenoidspule aus.
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Vorzugsweise ist jede einzelne der beschriebenen Flachspulen spiralförmig in ihrer jeweiligen Ebene gewickelt. So verläuft beispielsweise eine erste Flachspule, die sich im Toplayer der Multilayer-Platine befindet, in der Ebene betrachtet spiralförmig von innen nach außen. Hingegen verläuft eine in vertikaler Richtung der Platine betrachtet unter der ersten Flachspule angeordnete zweite Flachspule spiralförmig von außen nach innen.
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Unter einem spiralförmigen Lauf in diesem Sinne ist jegliche Art Wicklung zu verstehen, bei der die einzelnen Windungen einer solchen Flachspule durch eine einzige planare Leiterbahn gebildet werden und sich in einer Ebene umschließen. Die Leiterbahnführung kann hierbei durch Rundungen gekennzeichnet sein, aber auch eckig verlaufen.
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In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung der vorbeschriebenen Ausführungsform sind jeweils zwei vertikal benachbarte Flachspulen einer Solenoidspule derart lateral versetzt zueinander angeordnet, dass in einem Querschnitt lotrecht zur Oberfläche der Multilayer-Platine die Leiterbahnabschnitte der einen Flachspule vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten der anderen Flachspule angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird der Wärmeleitwert innerhalb des als Multilayer-Platine ausgebildeten Primärteils insbesondere in lateraler Richtung deutlich verbessert. Die im Inneren einer Flachspule entstehende Wärme kann sehr leicht auf eine Windung einer vertikal und lateral benachbarten Flachspule übertragen werden, die in lateraler Richtung betrachtet dem Rand der Platine näher ist. Denn der Isolationsabstand zwischen zwei Leiterbahnabschnitten, die sich vertikal in teilweiser Überdeckung befinden, kann aus prozesstechnischen Gründen deutlich geringer realisiert werden als der Isolationsabstand zwischen zwei Windungen, die in derselben Ebene der Leiterplatine angeordnet sind.
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Der Abstand zwischen zwei Windungen einer Ebene zwischen den beteiligten Leiterbahnabschnitten kann aus prozesstechnischen Gründen nicht beliebig klein gewählt werden. Hingegen können die Einzelplatinen der Multilayer-Platine durch eine vergleichsweise dünne Prepreg-Schicht voneinander elektrisch isoliert werden. Diese Prepreg-Schicht kann beispielsweise auf den Bereich von nur 40 µm reduziert werden, um eine ausreichende elektrische Isolation zu gewährleisten, während der Leiterbahnabschnitt zwischen den einzelnen Windungen aus prozesstechnischen Gründen nicht kleiner als 200 µm gewählt werden kann. Dementsprechend gelingt die Wärmeübertragung zwischen Leiterbahnabschnitten vertikal benachbarter Flachspulen, die sich in teilweiser vertikaler Überdeckung befinden, deutlich besser als zwischen zwei in derselben Ebene angeordneten Leiterbahnabschnitten verschiedener Windungen der Flachspule. Durch diese Anordnung entsteht eine Art Schindelstruktur, die den lateralen Wärmetransport innerhalb der Multilayer-Platine erheblich verbessert.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die äußeren Leiterbahnabschnitte benachbarter Zahnspulen kammartig ineinandergreifen, sodass in dem besagten Querschnitt jeweils ein äußerer Leiterbahnabschnitt der einen Zahnspule mit mindestens einem äußeren Leiterbahnabschnitt der benachbarten Zahnspule vertikal in teilweiser Überdeckung angeordnet ist. Auf diese Art und Weise kann der laterale Wärmetransport zwischen den lateral nebeneinander angeordneten Solenoidspulen verbessert werden.
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Eine dynamoelektrische Maschine nach einer der vorher beschriebenen Ausführungsformen kann sowohl als rotative elektrische Maschine ausgebildet werden als auch in Form eines Linearmotors. Bei Linearmotoren ist die erfindungsgemäße Unterbrechung des Jochs besonders vorteilhaft, da hier die bei rotativen elektrischen Maschinen wirksame Noniusverschiebung nur begrenzt Wirkung entfaltet. Dies ist durch die Randeffekte zu erklären, die durch die Randzähne des Linearmotors entstehen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
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Es zeigen:
- 1: Eine Ausführungsform einer dynamoelektrischen Maschine, bei der die erfindungsgemäße Trennung des Jochs zwischen zwei benachbarten Spulen unterschiedlicher elektrischer Phase verwirklicht ist.
- 2: Eine Ausführungsform der Erfindung als Leiterplattenmotor
- 3: Eine weitere Ausführungsform der Erfindung als Leiterplattenmotor mit verbesserter Entwärmung.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform einer dynamoelektrischen Maschine in Form eines Linearmotors. Der Linearmotor umfasst eine Primärteil 1 und ein Sekundärteil 2, das über einen Luftspalt 3 vom Primärteil 1 beabstandet ist. Das Sekundärteil 2 umfasst eine Vielzahl von Permanentmagneten 4, die mit abwechselnder Polarität auf einer Weicheisenplatte 5 angeordnet sind.
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Das Primärteil 1 umfasst ein Joch mit mehreren Jochteilen 6, an denen jeweils zwei Schenkel 7 ausgebildet sind, die zusammen mit den Jochteilen 6 ein U-förmiges insbesondere einstückiges Weicheisenteil ausbilden. Der so entstandene U-förmige Eisenkern ist zur Reduktion von Wirbelströmen aus voneinander isolierten Elektroblechen aufgebaut. Die mit jedem Jochteil 6 verbundenen Schenkel 7 bilden Zähne des Primärteils aus, die jeweils mit Zahnspulen 8 bestückt sind.
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Das Primärteil 1 ist dreiphasig aufgebaut. Jeder U-förmige Eisenkern trägt zwei Zahnspulen 8, die derselben elektrischen Phase zugeordnet sind. Diese beiden Zahnspulen 8, die die Schenkel des U-förmigen Kerns bestücken, sind in Reihe geschaltet und haben einen gegensätzlichen Wicklungssinn. Zwischen den einzelnen U-förmigen Eisenkernen der verschiedenen Phasen U, V, W ist das Joch unterbrochen. Hierdurch wird unterbunden, dass der magnetische Fluss der Phase U über das Joch in den magnetischen Kreis übertritt, der den Zahnspulen der Phase V zugeordnet ist. Der magnetische Rückschluss, der gemäß den gängigen Ausführungen des Standes der Technik zwischen den verschiedenen Phasen realisiert ist, wird auf diese Art und Weise unterbunden.
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Messungen und Simulationen haben gezeigt, dass die Unterbrechung des Jochs zwischen den Gruppen gleicher elektrischer Phase einen besonders starken Einfluss auf die Kraftwelligkeit hat. Im Vergleich zu Linearmotoren, bei denen das Joch die Zähne sämtlicher Zahnspulen magnetisch miteinander verbindet und somit einen magnetischen Sternpunkt generiert, wird die Kraftwelligkeit deutlich reduziert.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung als Leiterplattenmotor. Der Leiterplattenmotor ist als Linearmotor ausgebildet. Dargestellt ist lediglich ein Ausschnitt des Primärteil 1 des Motors im Querschnitt. Dieser zeigt eine Solenoidspule, die in eine Multilayer-Platine intergriert ist. Die Multilayer-Platine ist aufgebaut aus drei übereinander geschichteten Einzelplatinen. Jede dieser drei Platinen hat sowohl auf der Oberseite der Platine als auch auf der Unterseite der Einzelplatine eine spiralförmige Flachspule 11 - 16. So trägt die oberste Einzelplatine des Stacks auf ihrer Oberseite eine erste Flachspule 11, von der in dem Querschnitt drei Windungen erkennbar sind, die lateral nebeneinander angeordnet sind. An der Unterseite dieser Einzelplatine, die die oberste Ebene des Stacks bildet, befindet sich eine zweite Flachspule 12, deren Wicklungssinn dem der ersten Flachspule 11 entspricht.
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Unterhalb dieser ersten Ebene, die durch die erste Einzelplatine mit der ersten Flachspule 11 und der zweiten Flachspule 12 gebildet wird, befindet sich eine zweite Einzelplatine, auf deren Oberseite eine dritte Flachspule 13 aufgebracht ist und an deren Unterseite eine vierte Flachspule 14 angeordnet ist. Auch diese Flachspulen 13, 14 entsprechen in ihrer Wicklungsform den Flachspulen 11, 12 der ersten Einzelplatine. Schließlich befindet sich auf der untersten Ebene der Multilayer-Platine eine weitere Einzelplatine, auf deren Oberseite eine fünfte Flachspule 15 angeordnet ist und auf deren Unterseite eine sechste Flachspule 16 angeordnet ist. In der Gestalt der Wicklung entsprechen die fünfte und sechste Flachspule 15, 16 den darüber angeordneten Flachspulen 11, 12, 13, 14.
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Während des Fertigungsprozesses werden zunächst die Einzelplatinen mit ihren zugehörigen Flachspulen 11 - 16 gefertigt. Anschließend werden zwischen die verschiedenen Einzelplatinen isolierende, hier nicht dargestellte Prepreg-Schichten angeordnet, durch die jeweils untere Flachspulen einer Einzelplatine 12, 14 von den darunterliegenden oberen Flachspulen 13, 15 der jeweils darunter angeordneten Einzelplatine elektrisch isoliert werden.
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Die Leiterbahnen der verschiedenen Flachspulen sind in der Regel aus Kupfer und befinden sich auf einem PCB-Substrat, wie beispielsweise FR4, welches die jeweiligen Einzellayer oder Einzelplatine bildet. Nachdem die verschiedenen Substrate jeweils getrennt durch ein oder zwei Blätter Prepreg-Material aufeinandergestapelt wurden, wird der so entstandene Gesamtstapel laminiert, um eine mechanische Verbindung zwischen den Substraten herzustellen.
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Um eine Solenoidspule aus den verschiedenen Flachspulen 11 - 16 zu formen, müssen die Flachspulen 11 - 16 noch elektrisch miteinander kontaktiert werden. Dies geschieht in der Regel durch elektrische Durchkontaktierung, sogenannte VIAs, die in 1 nicht dargestellt sind.
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Die Solenoidspule wird axial durch einen Eisenkern durchdrungen, der die Induktivität der Solenoidspule und die mit dem Linearmotor erzielbare Kraftdichte im Vergleich zu einer Luftspule deutlich erhöht. Dargestellt ist ein Schenkel 7 des zuvor bereits im Zusammenhang mit 1 beschriebenen U-förmigen Eisenkerns. Abschnittsweise ist auch ein Jochteil 6 zu erkennen, welches den Schenkel 7 mit einem weiteren Schenkel 7 magnetisch leitend verbindet, wobei letzterer eine weitere auf der Multilayerplatine realisierte Solenoidspule durchdringt, deren Wicklungssinn entgegengesetzt zu der in 2 dargestellten ist und die vom selben Phasenstrom durchflossen wird. Die so beschriebene Anordnung aus einem U-förmigen Eisenkern, dessen Schenkel zwei lateral versetzte Solenoidspulen gleicher Phase durchdringen, wiederholt sich in lateraler Richtung entsprechend der Phasen- und Polzahl des Primärteils.
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Die Leiterbahnabschnitte der verschiedenen Windungen einer jeden Flachspule 11-16 müssen in lateraler Richtung genügend weit voneinander beabstandet sein, um die elektrische Isolation zwischen den einzelnen Windungen zu gewährleisten. Diese elektrische Isolationsstrecke muss jedoch auch bei der Abfuhr von Wärme überwunden werden, die in den inneren Windungen jeder Flachspule 11 - 16 entsteht und am Rand der Multilayer-Platine in Richtung Oberfläche abgeführt werden kann. Insbesondere dann, wenn der Querschnitt einer jeden Leiterbahn groß gewählt werden soll, um einen möglichst hohen Strom führen zu können, ergibt sich allein fertigungsbedingt ein Abstand der Leiterbahnen in lateraler Richtung in der Größenordnung von einigen Hundert Mikrometern. Somit ist ersichtlich, dass dieser elektrische Isolationsabstand ein Hemmnis für die Entwärmung der Multilayer-Platine darstellt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung als Leiterplattenmotor mit verbesserter Entwärmung, wobei ein Querschnitt einen lateralen Abschnitt einer Multilayer-Platine zu erkennen ist. Auch hier bildet die Multilayer-Platine eine Solenoidspule, die durch elektrische Verschaltung von insgesamt sechs Flachspulen 11 - 16 gebildet wird, die in vertikal übereinanderliegenden Ebenen angeordnet sind. Auch hier trägt ein erster Einzellayer an seiner Oberseite die erste Flachspule 11 und an dessen Unterseite die zweite Flachspule 12. Beide Flachspulen 11, 12 wurden vor der Bildung des Multilayer-Stacks auf ein PCB-Substrat aufgebracht. Gleiches gilt für die dritte Flachspule 13 und die vierte Flachspule 14, die ebenfalls auf ein PCB-Substrat vor der Fertigung des Gesamt-Stacks aufgebracht wurden. Ebenso wurde die fünfte Flachspule 15 auf die Oberseite einer dritten Einzellayer-Platine aufgebracht und die sechste Flachspule 16 auf die Unterseite dieser Einzelplatine.
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Im Unterschied zu dem in 2 dargestellten Stand der Technik sind jedoch hier jeweils zwei in vertikaler Richtung unmittelbar benachbarte Flachspulen 11 - 16 in lateraler Richtung zueinander versetzt angeordnet. Auf diese Art und Weise ist gewährleistet, dass beispielsweise jeder Leiterbahnabschnitt 9 der zweiten Flachspule 12 vertikal in teilweiser Überdeckung mit zwei Leiterbahnabschnitten 10 der ersten Flachspule 11 angeordnet ist. Ebenso ist beispielsweise der Leiterbahnabschnitt der dritten Flachspule 13, der die mittlere Windung darstellt, von zwei vertikal betrachtet darüberliegenden Leiterbahnabschnitten der zweiten Flachspule 12 in teilweiser Überdeckung angeordnet.
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Die eingezeichneten Pfeile visualisieren, wie durch den lateralen Versatz der in vertikaler Richtung unmittelbar benachbarten Flachspulen der Wärmetransport von den inneren Windungen einer jeden Flachspule 11 - 16 zum äußeren Randbereich einer jeden Flachspule 11 - 16 verbessert wird. Beispielhaft ist das in der Figur 3 für den Wärmetransport der zweiten und dritten Flachspule 12, 13 dargestellt. Durch den abschnittsweisen Überdeckungsbereich zwischen zwei Leiterbahnabschnitten, die in vertikaler Richtung benachbart sind, muss nur noch ein deutlich geringerer Abstand durch elektrisch- und somit auch wärmeisolierendes Material wie das häufig für Leiterplatten verwendete FR-4 überbrückt werden.
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In 3 ist auch zu erkennen, dass der Abstand zwischen der zweiten Flachspule 12 und der dritten Flachspule 13 in vertikaler Richtung geringer ist als der Abstand zwischen der ersten Flachspule 11 und der zweiten Flachspule 12. Ebenso ist der Abstand zwischen der vierten Flachspule 14 und der fünften Flachspule 15 deutlich geringer als der Abstand zwischen der fünften Flachspule 15 und der sechsten Flachspule 16. Dies ist auf die zugrundeliegende Verbindungstechnologie zwischen den zuvor bereits erwähnten Einzellayern zurückzuführen. Verwendet man zur Verbindung der Einzelplatinen nur ein sehr dünnes Prepreg-Material oder alternativ eine reine Backlackschicht, kann die isolierende Verbindungsschicht zwischen den zu einem Stack verbundenen Einzelplatinen geringer gewählt werden als die Dicke des Substrates, auf dem die Flachspulen jeder Einzelplatine angeordnet sind. Auf diese Art und Weise kann, sofern es der geforderte elektrische Isolationsabstand erlaubt, die Wärmeleitung vom zentralen inneren Bereich der Solenoidspule zum äußeren Bereich der Solenoidspule noch weiter verbessert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Primärteil
- 2
- Sekundärteil
- 3
- Luftspalt
- 4
- Permanentmagnet
- 5
- Weicheisenplatte
- 6
- Jochteil
- 7
- Schenkel
- 8
- Zahnspule
- 9,10
- Leiterbahnabschnitte
- 11-16
- Flachspulen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10335792 A1 [0004]
- DE 102012103677 A1 [0005, 0011, 0012]
