DE102020115642B3

DE102020115642B3 - Elektrischer Motor und Leiterplatte

Info

Publication number: DE102020115642B3
Application number: DE102020115642.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Tiller; Maurice Andree; Hong Giang To
Original assignee: GKN Sinter Metals Engineering GmbH
Current assignee: GKN Powder Metallurgy Engineering GmbH
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2021-10-07
Anticipated expiration: 2040-06-13
Also published as: JP2023530102A; WO2021249852A1; CN116158197A; US20230223810A1

Abstract

Elektrischer Motor (1), zumindest aufweisend einen Stator (2) und einen ringförmigen Rotor (3), die entlang einer axialen Richtung (4) nebeneinander angeordnet sind; wobei der Stator (2) eine Mehrzahl von, entlang einer Umfangsrichtung (5) nebeneinander angeordneten und sich jeweils entlang der axialen Richtung (4) erstreckenden, Statorzähnen (6) aufweist; wobei an jedem Statorzahn (6) zumindest eine Spule (7) mit mindestens einer Windung (8) angeordnet ist; wobei die mindestens eine Windung (8) elektrisch leitend mit einer Leiterplatte (9) verbunden ist, wobei die Leiterplatte (9) an einer Stirnseite (10) des Stators (2) und entlang der axialen Richtung (4) neben dem Stator (2) angeordnet ist, wobei die Leiterplatte (9) eine Mehrzahl von elektrischen Verbindungsleitungen (11) umfasst, über die die mindestens eine Windung (8) jeder Spule (7) zumindest mit anderen Windungen (8) oder mit einem elektrischen Anschluss (12, 13) des Motors (1) verbunden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Motor, wobei der elektrische Motor zumindest einen Stator sowie einen Rotor umfasst. Der elektrische Motor ist ein Axialflussmotor (AFM). Die Erfindung betrifft weiter eine Leiterplatte für einen elektrischen Motor.
Ein Stator weist eine Mehrzahl von, entlang einer Umfangsrichtung nebeneinandergeordneten und sich jeweils entlang der axialen Richtung erstreckenden, Statorzähnen auf. Der Motor weist eine Wicklung auf. Die Wicklung umfasst mehrere Spulen. An jedem Statorzahn ist zumindest eine Spule mit mindestens einer Windung, insbesondere einer Mehrzahl von Windungen, angeordnet.
Elektrische Motoren können Leiterplatten aufweisen, insbesondere PCB (printed circuit boards), in denen elektrische Verbindungsleitungen angeordnet sind.
Die Windungen der Spulen sind elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbunden, wobei die Leiterplatte an einer Stirnseite des Stators und entlang der axialen Richtung neben dem Stator angeordnet ist.
Über die Verbindungsleitungen der Leiterplatte ist die elektrische Verschaltung der einzelnen Spulen, sowie der Spulen mit den elektrischen Anschlüssen realisiert. Über die Leiterplatten können aber auch die jeweils mindestens eine Windung jeder Spule, insbesondere die Mehrzahl der Windungen, miteinander oder mit elektrischen Anschlüssen verbunden werden. Über die elektrischen Anschlüsse erfolgt die Versorgung der Windungen mit Strom.
Die Verbindungsleitungen in der Leiterplatte verlaufen zumindest teilweise in mindestens einer Ebene quer zur axialen Richtung, wobei jede Verbindungsleitung einem elektrischen Anschluss und jeweils mindestens einem Statorzahn zugeordnet und entlang der axialen Richtung zumindest teilweise fluchtend zu der an dem jeweiligen Statorzahn angeordneten Spule positioniert ist. Die Verbindungsleitung verläuft in einem sich zwischen zwei zueinander benachbarten Statorzähnen angeordneten und entlang einer radialen Richtung erstreckenden Abschnitt regelmäßig einteilig.
Ein Axialflussmotor ist z. B. aus der DE 10 2019 112 768 A1 bekannt.
Es besteht ein ständiges Bedürfnis, elektrische Motoren und deren Aufbau zu verbessern. Die verbesserte, z. B. montagevereinfachende und kostengünstige Verschaltung der einzelnen Spulen stellt hier eine der Verbesserungspotentiale dar. Die Nutzung von Leiterplatten bzw. PCBs kann hier vorteilhaft sein, insbesondere wenn diese nahe der Spulen positioniert werden können. Die Positionierung der Leiterplatte nahe dem Stator birgt jedoch das Risiko, dass magnetische Wechselfelder auf die stromführenden Leiter einwirken und Wirbelströme in den Leitungen eingeprägt werden. Insbesondere soll bei der Gestaltung von elektrischen Motoren die Bildung von Wirbelströmen im Betrieb des Motors berücksichtigt werden.
Aus der EP 3 651 325 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Stators eines elektrischen Motors bekannt.
Aus der US 2019 / 0 058 375 A1 ist ein elektrischer Motor des Axialspalttyps bekannt.
Die DE 10 2016 204 445 A1 ist auf eine rotierende elektrische Maschine des Axialspalttyps gerichtet.
Aus der US 2007 / 0 046 140 A1 ist ebenfalls ein elektrischer Motor des Axialspalttyps bekannt.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Motor sowie eine Leiterplatte vorzuschlagen, die diese Aspekte verwirklichen können. Insbesondere soll ein elektrischer Motor sowie eine Leiterplatte angegeben werden, bei denen im Betrieb des Motors elektrische Wirbelströme, insbesondere auch in der Leiterplatte, in möglichst geringem Maß auftreten.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird ein elektrischer Motor gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie Leiterplatte gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung und Details aus den Figuren ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
Hierzu trägt ein elektrischer Motor bei, zumindest aufweisend einen Stator und einen ringförmigen Rotor, die entlang einer axialen Richtung nebeneinander angeordnet sind. Der Stator weist eine Mehrzahl von, entlang einer Umfangsrichtung nebeneinandergeordneten und sich jeweils entlang der axialen Richtung erstreckenden, Statorzähnen auf. An jedem Statorzahn ist zumindest eine Spule mit mindestens einer Windung, insbesondere einer Mehrzahl von Windungen, angeordnet. Die mindestens eine Windung (jeder Spule) ist elektrisch leitend mit einer Leiterplatte verbunden, wobei die Leiterplatte an einer Stirnseite des Stators und entlang der axialen Richtung neben dem Stator (und dabei ggf. zumindest teilweise überlappend mit den Statorzähnen) angeordnet ist. Die Leiterplatte umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Verbindungsleitungen, über die die mindestens eine Windung jeder Spule zumindest mit anderen Windungen oder mit einem elektrischen Anschluss des elektrischen Motors verbunden ist. Diese Verbindungsleitungen verlaufen in der Leiterplatte zumindest teilweise in mindestens einer Ebene quer zur axialen Richtung. Jede Verbindungsleitung ist einem elektrischen Anschluss und jeweils mindestens einem Statorzahn zugeordnet. Zumindest ein Abschnitt zumindest einer Verbindungsleitung ist in eine Mehrzahl von Teilleitungen aufgeteilt, wobei die Teilleitungen in dem Abschnitt voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind.
Bei einem Axialflussmotor sind Stator und Rotor entlang der axialen Richtung nebeneinander angeordnet, wobei der Rotor Magnete bzw. Pole aufweist, die den Spulen bzw. Statorzähnen entlang der axialen Richtung gegenüberliegend und ggf. zumindest entlang der axialen Richtung fluchtend (also z. B. auf einem gleichen Durchmesser) angeordnet sind. Der Stator weist Statorzähne und Spulen auf, die sich ausgehend von einem ringförmigen Grundkörper (Joch) entlang der axialen Richtung erstrecken. Die Anzahl der Spulen bzw. Statorzähne und die Anzahl der Pole des Rotors (z. B. Magnete bzw. Permanentmagnete) können sich voneinander unterscheiden oder einander entsprechen.
Bei einem Axialflussmotor wird im Wesentlichen eine entlang der axialen Richtung ausgerichtete Komponente des von dem Stator erzeugten magnetischen Flusses zum Antrieb des Rotors genutzt.
Der Stator des elektrischen Motors weist insbesondere ein weichmagnetisches Material auf, zum Beispiel ein sogenanntes „Soft Magnetic Composite“ (SMC), oder eine Kombination aus Elektroblechen und SMC. Die Statorzähne sind bevorzugt aus einem weichmagnetischen Material verpresst und verbackt hergestellt. Das SMC-Material wird hierbei nicht gesintert. Vielmehr erfolgt eine Temperierung auf unterhalb einer Schmelztemperatur, die jedoch ausreichend ist, dass die Kerne ihre Geometrie dauerhaft bewahren.
Der jeweilige Rotor weist insbesondere Permanentmagnete und/oder weichmagnetische Elemente zum Beispiel in Aussparungen auf. Bevorzugt kann mit Permanentmagneten ein permanenterregter Synchron- oder bürstenloser Gleichstrommotor, abgekürzt BLDC, gebildet werden, während beispielsweise mit weichmagnetischen Elementen ein Reluktanzmotor als elektrischer Motor geschaffen werden kann.
Der jeweilige Rotor kann alternativ als Käfig- oder Kurzschlussläufer oder als Schleifringläufer ausgeführt sein, wobei dann eine Asynchronmaschine ausgebildet ist.
Insbesondere ist der Rotor zumindest teilweise sintertechnisch hergestellt. Insbesondere lassen sich sintertechnisch sehr einfach komplexe Strukturen an dem Rotor ausbilden.
Der Motor weist elektrische Anschlüsse auf, über die insbesondere der Stator bzw. die Spulen mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden können. Insbesondere wird der Motor mit einem Mehr-Phasen-Strom, bevorzugt einem drei-Phasen-Strom, beaufschlagt. Über jeden Anschluss ist der Motor dann zumindest zeitweise mit einer Phase verbunden. Die an einem Statorzahn angeordneten Spulen bzw. Windungen sind jeweils einer Phase zugeordnet bzw. jeweils zeitgleich mit einem gleichen Anschluss verbunden.
Ausgehend von den Anschlüssen erfolgt die Stromversorgung hin zu Anbindungen, über die die Anschlüsse mit den Spulen elektrisch leitend verbunden sind.
Die elektrisch leitende Verbindung der Anbindungen erfolgt über die Leiterplatte bzw. die in der Leiterplatte ausgebildeten Verbindungsleitungen.
In der Leiterplatte (insbesondere eine PCB) sind die Verbindungsleitungen insbesondere über Druckverfahren ausgebildet. Üblicherweise ergeben sich dabei flächige Strukturen, die z. B. in der axialen Richtung eine geringe, in der radialen Richtung und in der Umfangsrichtung aber eine deutlich größere Erstreckung aufweisen. Die Verbindungsleitungen sind entlang ihrer Erstreckung in elektrisch isolierendes Material der Leiterplatte eingefasst, z. B. einem Kunststoff oder Harz.
Vorliegend wird vorgeschlagen, die in der Leiterplatte verlaufenden Verbindungsleitungen zumindest teilweise besonders vorteilhaft auszuführen. Die besondere Ausgestaltung der Verbindungsleitungen soll dazu beitragen, die Entstehung von Wirbelströmen zu verringern, insbesondere deutlich zu verringern.
Die Verbindungsleitungen verlaufen in der Leiterplatte zumindest teilweise in mindestens einer Ebene, ggf. in mehreren Ebenen, quer zur axialen Richtung. Die Ebenen sind voneinander entlang der axialen Richtung beabstandet oder zumindest entlang der axialen Richtung versetzt zueinander angeordnet.
Jede Verbindungsleitung ist einem elektrischen Anschluss bzw. einer Phase eines mehrphasigen Stroms und jeweils mindestens (bzw. genau) einem Statorzahn (bzw. der an diesem Statorzahn angeordneten mindestens einen Spule) zugeordnet.
Die Verbindungsleitungen können entlang der axialen Richtung zumindest teilweise fluchtend zu der an dem jeweiligen Statorzahn angeordneten Spule positioniert sein. Damit ist eine Kontaktierung der einzelnen Spule oder der einzelnen Windungen mit der dieser Spule zugeordneten Verbindungsleitung (besonders einfach) möglich. Die Kontaktierung erfolgt insbesondere über axial verlaufende Leitungen, die sich von der Windung zumindest teilweise entlang der axialen Richtung hin zur Leiterplatte erstrecken.
In der Leiterplatte erstrecken sich Kontaktleitungen insbesondere entlang der axialen Richtung, wobei die Kontaktleitungen einzelne, auf unterschiedlichen Ebenen der Leiterplatte angeordnete Verbindungsleitungen miteinander verbinden.
Infolge der zu der Spule zumindest teilweise fluchtenden Anordnung der Verbindungsleitung können sich die Statorzähne zumindest in die Leiterplatte hinein bzw. entlang der axialen Richtung durch sie hindurch erstrecken. Die Leiterplatte weist insbesondere entsprechende Öffnungen oder Durchbrüche für die Statorzähne auf.
Es wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Abschnitt zumindest einer Verbindungsleitung in eine Mehrzahl von Teilleitungen aufgeteilt ist, wobei die Teilleitungen (nur) in dem Abschnitt voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind (z. B. durch das oben angegebene Material der Leiterplatte).
Die Teilleitungen einer Verbindungsleitung sind zueinander elektrisch parallelgeschaltet, also z. B. gemeinsam einer Phase eines Mehr-Phasen-Stroms zugeordnet. Die Aufteilung der Verbindungsleitung in eine Mehrzahl von Teilleitungen, zumindest in dem Abschnitt, führt im Betrieb des Motors zu einer deutlichen Verringerung der Wirbelstromverluste.
Insbesondere ist die Leiterplatte entlang der axialen Richtung zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet. Gerade bei dieser Ausgestaltung eines Motors, die z. B. aufgrund von Montagebedingungen gewählt wird, können durch die Aufteilung der Verbindungsleitung in Teilleitungen, zumindest in dem Abschnitt, die Wirbelstromverluste deutlich reduziert werden. Die Leiterplatte kann zur Abstützung des Stators genutzt werden und die vom Rotor auf den Stator wirkenden axialen Kräfte aufnehmen und ins Gehäuse ableiten, z. B. durch einen Formschluss der Leiterplatte und des Motorgehäuses.
Insbesondere weist der Rotor eine Mehrzahl von Magneten auf. Der Abschnitt ist zumindest innerhalb eines Bereichs der Leiterplatte angeordnet, zu dem die Magneten im Betrieb des Motors entlang der axialen Richtung fluchtend anordenbar sind.
Im Betrieb des Motors bewegen sich die Magneten des Rotors insbesondere entlang einer Kreisbahn gegenüber dem Rotor, wobei die Magnete sich nur innerhalb eines, entlang der axialen Richtung fluchtend zu den Magneten angeordneten, ringförmigen Bereichs der Leiterplatte bewegen.
Gerade in diesem Bereich treten insbesondere die stärksten Wirbelströme auf, die durch eine Aufteilung der Verbindungsleitung in Teilleitungen zumindest reduziert werden können.
Insbesondere weist zumindest eine Teilleitung, bevorzugt alle Teilleitungen, die sich zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende entlang einer Verlaufsrichtung erstreckt, eine sich quer zur Verlaufsrichtung (und quer zur axialen Richtung, also in der Umfangsrichtung und/oder in der radialen Richtung) erstreckende Breite von höchstens 1,5 Millimetern, bevorzugt von höchstens 1,0 Millimeter, besonders bevorzugt von höchstens 0,5 Millimetern oder sogar von höchstens 0,2 Millimetern, auf.
Insbesondere beträgt eine sich entlang der axialen Richtung erstreckende Höhe der Teilleitung und/oder der Verbindungsleitung in der Leiterplatte höchstens 1,0 Millimeter, insbesondere höchstens 0,5 Millimeter, besonders bevorzugt 0,3 Millimeter oder sogar höchstens 0,2 Millimeter.
Insbesondere verlaufen die unterschiedlichen Verbindungsleitungen zugeordneten Teilleitungen zumindest teilweise in voneinander unterschiedlichen und in der axialen Richtung zumindest zueinander versetzten Ebenen in der Leiterplatte.
Insbesondere sind zumindest die in voneinander unterschiedlichen Ebenen angeordneten Verbindungsleitungen oder Teilleitungen über sich in der Leiterplatte entlang der axialen Richtung erstreckende Kontaktleitungen miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Kontaktleitungen weisen einen Leitungsquerschnitt auf, der höchstens 100 %, insbesondere höchstens 80 %, bevorzugt höchstens 50 % eines Leitungsquerschnitts der mit der jeweiligen Kontaktleitung verbundenen Teilleitung aufweist.
Insbesondere verlaufen zumindest ein Teil der Teilleitungen in dem zumindest einen Abschnitt einer Verbindungsleitung in voneinander unterschiedlichen und in der axialen Richtung zumindest zueinander versetzten Ebenen in der Leiterplatte.
Insbesondere sind die Teilleitungen ausschließlich außerhalb des Abschnitts mit anderen Teilleitungen der Verbindungsleitung elektrisch leitend miteinander verbunden.
Insbesondere sind die Teilleitungen ausschließlich außerhalb des Abschnitts über Kontaktleitungen mit anderen Teilleitungen anderer Verbindungsleitungen bzw. mit anderen Verbindungsleitung elektrisch leitend verbunden.
Insbesondere erstreckt sich die zumindest eine Verbindungsleitung ausgehend von einer ersten Anbindung an einen der Anschlüsse zumindest teilweise um den Statorzahn herum zu einer zweiten Anbindung, wobei die Verbindungsleitung auch außerhalb des Abschnitts in Teilleitungen aufgeteilt ist.
Insbesondere ist die Verbindungsleitung entlang ihrer ganzen Erstreckung in der Leiterplatte in Teilleitungen aufgeteilt bzw. in Form von Teilleitungen ausgebildet. Insbesondere ist nur ein Ende oder nur beide Enden der Verbindungsleitung elektrisch leitend zusammengefasst und darüber mit (jeweils) einer Anbindung verbunden.
Insbesondere erstreckt sich jede Teilleitung in der Leiterplatte ausschließlich entlang einer Ebene.
Insbesondere ist die zumindest eine Verbindungsleitung in dem Abschnitt in mindestens drei Teilleitungen, bevorzugt in mindestens vier, besonders bevorzugt in mindestens 5 oder 6 oder sogar mehr Teilleitungen, aufgeteilt.
Die Kontaktleitung kann einen runden, z. B. einen kreisförmigen oder ovalen, Leitungsquerschnitt aufweisen.
Insbesondere weist die Kontaktleitung einen nichtrunden Leitungsquerschnitt auf. Bevorzugt weist die Kontaktleitung z. B. einen eckigen, bevorzugt rechteckigen, Leitungsquerschnitt auf.
Insbesondere ist eine Erstreckung des Leitungsquerschnitts der Kontaktleitung parallel zum Verlauf der Windung und/oder der Teilleitung größer als eine Erstreckung quer dazu.
Es wird weiter eine Leiterplatte für einen elektrischen Motor, insbesondere für den beschriebenen elektrischen Motor, vorgeschlagen.
Der Motor weist zumindest einen Stator und einen ringförmigen Rotor auf, die entlang einer axialen Richtung nebeneinander angeordnet sind. Der Stator weist eine Mehrzahl von, entlang einer Umfangsrichtung nebeneinandergeordneten und sich jeweils entlang der axialen Richtung erstreckenden, Statorzähnen auf. An jedem Statorzahn ist zumindest eine Spule mit mindestens einer Windung, insbesondere einer Mehrzahl von Windungen, angeordnet. Die mindestens eine Windung (jeder Spule) ist elektrisch leitend mit der Leiterplatte verbindbar, wobei die Leiterplatte an einer Stirnseite des Stators und entlang der axialen Richtung neben dem Stator (und dabei ggf. zumindest teilweise überlappend mit den Statorzähnen) anordenbar ist.
Die Leiterplatte umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Verbindungsleitungen, über die die mindestens eine Windung jeder Spule zumindest mit anderen Windungen oder mit zumindest einem elektrischen Anschluss des elektrischen Motors verbunden ist. Diese Verbindungsleitungen verlaufen in der Leiterplatte zumindest teilweise in mindestens einer Ebene quer zur axialen Richtung. Jede Verbindungsleitung ist einem elektrischen Anschluss und jeweils mindestens einem Statorzahn zugeordnet. Zumindest ein Abschnitt zumindest einer Verbindungsleitung ist in eine Mehrzahl von Teilleitungen aufgeteilt, wobei die Teilleitungen in dem Abschnitt voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind.
Die Ausführungen zu dem Motor gelten insbesondere gleichermaßen für die Leiterplatte und umgekehrt.
Die Verwendung unbestimmter Artikel („ein“, „eine“, „einer“ und „eines“), insbesondere in den Patentansprüchen und der diese wiedergebenden Beschreibung, ist als solche und nicht als Zahlwort zu verstehen. Entsprechend damit eingeführte Begriffe bzw. Komponenten sind somit so zu verstehen, dass diese mindestens einmal vorhanden sind und insbesondere aber auch mehrfach vorhanden sein können.
Vorsorglich sei angemerkt, dass die hier verwendeten Zahlwörter („erste“, „zweite“, „dritte“, ...) vorrangig (nur) zur Unterscheidung von mehreren gleichartigen Gegenständen, Größen oder Prozessen dienen, also insbesondere keine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge dieser Gegenstände, Größen oder Prozesse zueinander zwingend vorgeben. Sollte eine Abhängigkeit und/oder Reihenfolge erforderlich sein, ist dies hier explizit angegeben oder es ergibt sich offensichtlich für den Fachmann beim Studium der konkret beschriebenen Ausgestaltung.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und Erkenntnissen aus der vorliegenden Beschreibung und/oder Figuren zu kombinieren. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Gegenstände, so dass ggf. Erläuterungen aus anderen Figuren ergänzend herangezogen werden können. Es zeigen schematisch:

1: einen Teil eines elektrischen Motors in perspektivischer Ansicht;
2: den elektrischen Motor nach 1 in einer Seitenansicht im Schnitt;
3: den elektrischen Motor nach 1 und 2 in einer Seitenansicht im Schnitt;
4: eine bekannte Leiterplatte für einen elektrischen Motor in einer Draufsicht im Schnitt;
5: den elektrischen Motor nach 1 bis 3 im Betrieb, in einer Seitenansicht im Schnitt;
6: einen Motor mit der Leiterplatte nach 4 in einer Draufsicht im Schnitt;
7: einen Motor mit einer anderen Leiterplatte in einer Draufsicht im Schnitt;
8: einen Motor mit einer Leiterplatte in einer Draufsicht im Schnitt;
9: die Leiterplatte des Motors nach 8 in einer Seitenansicht im Schnitt;
10: den Motor nach 8 in einer ersten perspektivischen Ansicht;
11: den Motor nach 8 in einer zweiten perspektivischen Ansicht;
12: den Stator des Motors nach 8 in einer perspektivischen Ansicht;
13: den Motor nach 8 in einer dritten perspektivischen Ansicht;
14: den Motor nach 8 in einer vierten perspektivischen Ansicht;
15: den Motor nach 8 in einer Seitenansicht im Schnitt;
16: die bekannte Leiterplatte nach 4 in einer Draufsicht im Schnitt;
17: die Leiterplatte nach 16 in einer ersten Ausführungsvariante, in einer Seitenansicht im Schnitt;
18: die Leiterplatte nach 9 in einer zweiten Ausführungsvariante; und
19: einen Ausschnitt der Leiterplatte nach 9 in einer Draufsicht im Schnitt und in einer Seitenansicht im Schnitt.

1 zeigt einen Teil eines elektrischen Motors 1 in perspektivischer Ansicht. 2 zeigt den elektrischen Motor 1 nach 1 in einer Seitenansicht im Schnitt. 3 zeigt den elektrischen Motor 1 nach 1 und 2 in einer Seitenansicht im Schnitt. 4 zeigt eine bekannte Leiterplatte 9 für einen elektrischen Motor 1 in einer Draufsicht im Schnitt. 5 zeigt den elektrischen Motor 1 nach 1 bis 3 im Betrieb, in einer Seitenansicht im Schnitt. 6 zeigt einen Motor 1 mit der Leiterplatte 9 nach 4 in einer Draufsicht im Schnitt. Die 1 bis 6 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben.
Der Motor 1 weist einen Stator 3 und einen ringförmigen Rotor 2 auf, die entlang einer axialen Richtung 4 nebeneinander angeordnet sind. Der Stator 3 weist eine Mehrzahl von, entlang einer Umfangsrichtung 5 nebeneinandergeordneten und sich jeweils entlang der axialen Richtung 4 erstreckenden, Statorzähnen 6 auf. An jedem Statorzahn 6 ist eine Spule 7 mit mindestens einer Windung 8 oder einer Mehrzahl von Windungen 8 angeordnet. Die Windungen 8 sind elektrisch leitend mit einer Leiterplatte 9 verbunden, wobei die Leiterplatte 9 an einer Stirnseite 10 des Stators 2 und entlang der axialen Richtung 4 neben dem Stator 2 angeordnet ist. Die Leiterplatte 9 umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Verbindungsleitungen 11, über die die Windungen 8 miteinander und mit elektrischen Anschlüssen 12, 13 des elektrischen Motors 1 verbunden sind. Diese Verbindungsleitungen 11 verlaufen in der Leiterplatte 9 in mehreren Ebenen 14, 15, 16 (gemäß 2 z. B. in einer ersten Ebene 14 und einer zweiten Ebene 15) quer zur axialen Richtung 4. Jede Verbindungsleitung 11 ist einem elektrischen Anschluss 12, 13 und jeweils mindestens einem Statorzahn 6 zugeordnet und entlang der axialen Richtung 4 zumindest teilweise fluchtend zu der an dem jeweiligen Statorzahn 6 angeordneten Spule 7 positioniert (siehe 4).
In der Leiterplatte 9 sind die Verbindungsleitungen 11 als flächige Strukturen ausgeführt (siehe 4), die in der axialen Richtung 4 (siehe 2 und 3) eine geringe, in der radialen Richtung 17 und in der Umfangsrichtung 5 aber eine deutlich größere Erstreckung aufweisen. Die Verbindungsleitungen 11 sind entlang ihrer Erstreckung in elektrisch isolierendes Material der Leiterplatte 9 eingefasst, z. B. einem Kunststoff oder Harz.
Bei einem Axialfluss-Motor 1 wird im Wesentlichen eine entlang der axialen Richtung 4 ausgerichtete Komponente des von dem Stator 2 erzeugten magnetischen Flusses 28 zum Antrieb des Rotors 3 genutzt (siehe 5).
In 6 ist dargestellt, dass in einer bekannten Leiterplatte 9 mit Verbindungsleitungen 11 großer Breite 20 lokal starke Wirbelströme bzw. Wirbelstromverluste entstehen.
7 zeigt einen Motor 1 mit einer anderen Leiterplatte 9 in einer Draufsicht im Schnitt. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 6 wird Bezug genommen.
Hier ist die Verbindungsleitung 11 in einem Abschnitt 18 mit einer geringen Breite 20 ausgeführt. Damit können die Wirbelstromverluste zwar verringert werden, allerdings ist der Widerstand der Verbindungsleitung 11 in dem Abschnitt 18 nun deutlich erhöht.
8 zeigt einen Motor 1 mit einer Leiterplatte 9 in einer Draufsicht im Schnitt. 9 zeigt die Leiterplatte 9 des Motors 1 nach 8 in einer Seitenansicht im Schnitt. 10 zeigt den Motor 1 nach 8 in einer ersten perspektivischen Ansicht. 11 zeigt den Motor 1 nach 8 in einer zweiten perspektivischen Ansicht. 12 zeigt den Stator 2 des Motors 1 nach 8 in einer perspektivischen Ansicht. 13 zeigt den Motor 1 nach 8 in einer dritten perspektivischen Ansicht. 14 zeigt den Motor 1 nach 8 in einer vierten perspektivischen Ansicht. 15 zeigt den Motor 1 nach 8 in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 8 bis 15 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 7 wird Bezug genommen.
Der Motor 1 weist einen Stator 3 und einen ringförmigen Rotor 2 auf, die entlang einer axialen Richtung 4 nebeneinander angeordnet sind. Der Stator 3 weist eine Mehrzahl von, entlang einer Umfangsrichtung 5 nebeneinandergeordneten und sich jeweils entlang der axialen Richtung 4 erstreckenden, Statorzähnen 6 auf. An jedem Statorzahn 6 ist eine Spule 7 mit einer Mehrzahl von Windungen 8 angeordnet. Die Windungen 8 sind elektrisch leitend mit einer Leiterplatte 9 verbunden, wobei die Leiterplatte 9 an einer Stirnseite 10 des Stators 2 und entlang der axialen Richtung 4 neben (bzw. überlappend mit) dem Stator 2 angeordnet ist. Die Leiterplatte 9 umfasst eine Mehrzahl von elektrischen Verbindungsleitungen 11, über die die Windungen 8 miteinander und mit elektrischen Anschlüssen 12, 13 des elektrischen Motors 1 verbunden sind. Diese Verbindungsleitungen 11 verlaufen in der Leiterplatte 9 in mehreren Ebenen 14, 15, 16 (gemäß 9 z. B. in einer ersten Ebene 14, einer zweiten Ebene 15 und einer dritten Ebene 16) quer zur axialen Richtung 4. Jede Verbindungsleitung 11 ist einem elektrischen Anschluss 12, 13 und jeweils mindestens einem Statorzahn 6 zugeordnet und entlang der axialen Richtung 4 zumindest teilweise fluchtend zu der an dem jeweiligen Statorzahn 6 angeordneten Spule 7 positioniert (siehe 10 bis 15).
Ein sich zwischen zwei zueinander benachbarten Statorzähnen 6 angeordneter und entlang einer radialen Richtung 17 erstreckender Abschnitt 18 einer Verbindungsleitung 11, zu dem die Magneten 27 des Rotors 3 im Betrieb 2 des Motors 1 entlang der axialen Richtung 4 fluchtend angeordnet sind, ist in eine Mehrzahl von Teilleitungen 19 aufgeteilt, wobei die Teilleitungen 19 in dem Abschnitt 18 voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind. In 8 bis 15 erstrecken sich die Teilleitungen 19 zwischen einem ersten Ende 29 und einem zweiten Ende 30 entlang einer sich quer zur axialen Richtung 4 erstreckenden Verlaufsrichtung 31. Dabei ist die Verbindungsleitung 11 in ihrer ganzen Erstreckung in Teilleitungen 19 aufgeteilt.
Der Stator 2 weist Statorzähne 6 und Spulen 7 auf, die sich ausgehend von einem ringförmigen Grundkörper 26 (Joch bzw. Statoreisen oder Statorrückschluss) entlang der axialen Richtung 4 erstrecken. Die Anzahl der Spulen 7 bzw. Statorzähne 6 und die Anzahl der Magnete 27 des Rotors 3 können sich voneinander unterscheiden oder einander entsprechen.
Jede Verbindungsleitung 11 ist einem elektrischen Anschluss 12, 13 und jeweils mindestens einem Statorzahn 6 zugeordnet und entlang der axialen Richtung 4 zumindest teilweise fluchtend zu der an dem jeweiligen Statorzahn 6 angeordneten Spule 7 positioniert. Damit ist eine Kontaktierung der einzelnen Windungen 8 einer Spule 7 mit der dieser Spule 7 zugeordneten Verbindungsleitung 11 möglich. Die Kontaktierung erfolgt über Leitungen 25 (siehe z. B. 15), die sich von der Windung 8 zumindest teilweise entlang der axialen Richtung 4 hin zur Leiterplatte 9 erstrecken. In der Leiterplatte 9 erstrecken sich die Leitungen 25 bzw. die die Verbindungsleitungen 11 miteinander verbindenden Kontaktleitungen 23 entlang der axialen Richtung 4.
Infolge der zu der Spule 7 zumindest teilweise fluchtenden Anordnung der Verbindungsleitung 11 können sich die Statorzähne 6 zumindest in die Leiterplatte 9 hinein bzw. entlang der axialen Richtung 4 durch sie hindurch erstrecken. Die Leiterplatte 9 weist Öffnungen oder Durchbrüche für die Statorzähne 6 auf.
Der Abschnitt 18 der Verbindungsleitungen 11 ist jeweils in eine Mehrzahl (hier sechs) von Teilleitungen 19 aufgeteilt, wobei die Teilleitungen 19 in dem Abschnitt 18 voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind (z. B. durch das oben angegebene Material der Leiterplatte 9).
Die Leiterplatte 9 ist entlang der axialen Richtung 4 zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 angeordnet. Gerade bei dieser Ausgestaltung eines Motors 1, die z. B. aufgrund von Montagebedingungen gewählt wird, können durch die Aufteilung der Verbindungsleitung 11 in dem Abschnitt 18 in Teilleitungen 19 die Wirbelstromverluste deutlich reduziert werden.
Die Teilleitungen 19 weisen eine deutlich reduzierte, sich quer zu einer Verlaufsrichtung 31 der Teilleitung 19 erstreckende Breite 20 auf (siehe z. B. 8).
Die Teilleitungen 19 sind ausschließlich außerhalb des Abschnitts 18 mit anderen Teilleitungen 19 der Verbindungsleitung 11 elektrisch leitend miteinander verbunden (siehe z. B. 12).
Die Verbindungsleitungen 11 erstrecken sich ausgehend von einer ersten Anbindung 21 an einen der Anschlüsse 12, 13 zumindest teilweise um den Statorzahn 6 herum zu einer zweiten Anbindung 22, wobei die Verbindungsleitung 11 auch außerhalb des Abschnitts 18 in Teilleitungen 19 aufgeteilt ist. In 8 und 10 bis 15 ist die Verbindungsleitung 11 vollständig in Form von Teilleitungen 19 ausgebildet, wobei in 12 nur beide Enden der Verbindungsleitung 11 bzw. die Enden 29, 30 der Teilleitungen 19, elektrisch leitend zusammengefasst und darüber mit (jeweils) einer Anbindung 21, 22 verbunden sind.
Jede Teilleitung 19 erstreckt sich in der Leiterplatte 9 ausschließlich entlang einer Ebene 14, 15, 16.
Die Mehrzahl von Windungen 8 einer Spule 7 sind über sich in der Leiterplatte 9 entlang der axialen Richtung 4 erstreckende Leitungen 25 mit der Verbindungsleitung 11 und dabei zumindest teilweise mit den Teilleitungen 19 elektrisch leitend verbunden. Die Teilleitungen 19 sind innerhalb der Leiterplatte 9 über sich in der axialen Richtung 4 erstreckende Kontaktleitungen 23 miteinander verbunden.
16 zeigt die bekannte Leiterplatte 9 nach 4 in einer Draufsicht im Schnitt. 17 zeigt die Leiterplatte 9 nach 16 in einer ersten Ausführungsvariante, in einer Seitenansicht im Schnitt. 18 zeigt die Leiterplatte 9 nach 9 in einer zweiten Ausführungsvariante. 19 zeigt einen Ausschnitt der Leiterplatte 9 nach 9 in einer Draufsicht im Schnitt und in einer Seitenansicht im Schnitt. Die 16 bis 19 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Auf die Ausführungen zu den 1 bis 15 wird Bezug genommen.
In der bekannten Leiterplatte 9 sind die Verbindungsleitungen 11 als flächige Strukturen ausgeführt (siehe 16), die in der axialen Richtung 4 (siehe 17) eine geringe, in der radialen Richtung 17 und in der Umfangsrichtung 5 aber eine deutlich größere Erstreckung aufweisen.
Die Kontaktleitungen 23 der vorgeschlagenen Leiterplatte 9 weisen einen Leitungsquerschnitt 24 (hier in der Ebene quer zur axialen Richtung 4) auf, der höchstens 100 % eines Leitungsquerschnitts 24 der mit der jeweiligen Kontaktleitung 23 verbundenen Teilleitung 19 aufweist.
Die Kontaktleitung 23 und ggf. die Leitung 25 kann einen runden, z. B. einen kreisförmigen oder ovalen, Leitungsquerschnitt 24 aufweisen (siehe 16, bis 18).
In 19 ist dargestellt, dass die Kontaktleitung 23 einen nichtrunden Leitungsquerschnitt 24 aufweist. Die Kontaktleitung 23 weist dort einen rechteckigen Leitungsquerschnitt 24 auf. Eine Erstreckung des Leitungsquerschnitts 24 parallel zum Verlauf der Windung 8 und der Teilleitung 19 ist größer als eine Erstreckung quer (also im Wesentlichen in Richtung der Umfangsrichtung 5) dazu.
Bezugszeichenliste

1: Motor
2: Stator
3: Rotor
4: axiale Richtung
5: Umfangsrichtung
6: Statorzahn
7: Spule
8: Windung
9: Leiterplatte
10: Stirnseite
11: Verbindungsleitung
12: erster Anschluss
13: zweiter Anschluss
14: erste Ebene
15: zweite Ebene
16: dritte Ebene
17: radiale Richtung
18: Abschnitt
19: Teilleitung
20: Breite
21: erste Anbindung
22: zweite Anbindung
23: Kontaktleitung
24: Leitungsquerschnitt
25: Leitung
26: Grundkörper
27: Magnet
28: magnetischer Fluss
29: erstes Ende
30: zweites Ende
31: Verlaufsrichtung

Claims

Elektrischer Motor (1), zumindest aufweisend einen Stator (2) und einen ringförmigen Rotor (3), die entlang einer axialen Richtung (4) nebeneinander angeordnet sind; wobei der Stator (2) eine Mehrzahl von, entlang einer Umfangsrichtung (5) nebeneinander angeordneten und sich jeweils entlang der axialen Richtung (4) erstreckenden, Statorzähnen (6) aufweist; wobei an jedem Statorzahn (6) zumindest eine Spule (7) mit mindestens einer Windung (8) angeordnet ist; wobei die mindestens eine Windung (8) elektrisch leitend mit einer Leiterplatte (9) verbunden ist, wobei die Leiterplatte (9) an einer Stirnseite (10) des Stators (2) und entlang der axialen Richtung (4) neben dem Stator (2) angeordnet ist, wobei die Leiterplatte (9) eine Mehrzahl von elektrischen Verbindungsleitungen (11) umfasst, über die die mindestens eine Windung (8) jeder Spule (7) zumindest mit anderen Windungen (8) oder mit einem elektrischen Anschluss (12, 13) des Motors (1) verbunden ist; wobei diese Verbindungsleitungen (11) in der Leiterplatte (9) zumindest teilweise in mindestens einer Ebene (14, 15, 16) quer zur axialen Richtung (4) verlaufen; wobei jede Verbindungsleitung (11) mindestens einem elektrischen Anschluss (12, 13) und jeweils mindestens einem Statorzahn (6) zugeordnet ist; wobei zumindest ein Abschnitt (18) zumindest einer Verbindungsleitung (11) in eine Mehrzahl von Teilleitungen (19) aufgeteilt ist, wobei die Teilleitungen (19) in dem Abschnitt (18) voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind.
Motor (1) nach Patentanspruch 1, wobei die Leiterplatte (9) entlang der axialen Richtung (4) zwischen dem Stator (2) und dem Rotor (3) angeordnet ist.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Rotor (3) eine Mehrzahl von Magneten (27) aufweist; wobei der Abschnitt (18) zumindest innerhalb eines Bereichs der Leiterplatte (9) angeordnet ist, zu dem die Magneten (27) im Betrieb des Motors (1) entlang der axialen Richtung (4) fluchtend anordenbar sind.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest eine Teilleitung (19) sich zwischen einem ersten Ende (29) und einem zweiten Ende (30) entlang einer Verlaufsrichtung (31) erstreckt, wobei die Teilleitung (19) eine sich quer zur Verlaufsrichtung (31) und quer zur axialen Richtung (4) erstreckende Breite (20) von höchstens 1,5 Millimetern aufweist.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die unterschiedlichen Verbindungsleitungen (11) zugeordneten Teilleitungen zumindest teilweise in voneinander unterschiedlichen und in der axialen Richtung (4) zumindest zueinander versetzten Ebenen (14, 15, 16) in der Leiterplatte (9) verlaufen.
Motor (1) nach Patentanspruch 5, wobei zumindest die in voneinander unterschiedlichen Ebenen (14, 15, 16) angeordneten Verbindungsleitungen (11) oder Teilleitungen (19) über sich in der Leiterplatte (9) entlang der axialen Richtung (4) erstreckende Kontaktleitungen (23) miteinander elektrisch leitend verbunden sind; wobei die Kontaktleitungen (23) einen Leitungsquerschnitt (24) aufweisen, der höchstens 100 % eines Leitungsquerschnitts (24) der mit der jeweiligen Kontaktleitung (23) verbundenen Teilleitung (19) aufweist.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest ein Teil der Teilleitungen (19) in dem zumindest einen Abschnitt (18) einer Verbindungsleitung (11) in voneinander unterschiedlichen und in der axialen Richtung (4) zumindest zueinander versetzten Ebenen (14, 15, 16) in der Leiterplatte (9) verlaufen.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Teilleitungen (19) ausschließlich außerhalb des Abschnitts (18) mit anderen Teilleitungen (19) der Verbindungsleitung (11) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Verbindungsleitung (11) entlang ihrer ganzen Erstreckung in der Leiterplatte (9) in Teilleitungen (19) aufgeteilt ist.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei sich jede Teilleitung (19) in der Leiterplatte (9) ausschließlich entlang einer Ebene (14, 15, 16) erstreckt.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die zumindest eine Verbindungsleitung (11) in dem Abschnitt (18) in mindestens drei Teilleitungen (19) aufgeteilt ist.
Motor (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Kontaktleitung (23) einen nichtrunden Leitungsquerschnitt (24) aufweist.
Leiterplatte (9) für einen elektrischen Motor (1), wobei der Motor (1) zumindest einen Stator (2) und einen ringförmigen Rotor (3), die entlang einer axialen Richtung (4) nebeneinander angeordnet sind aufweist, der Stator (2) eine Mehrzahl von, entlang einer Umfangsrichtung (5) nebeneinander angeordneten und sich jeweils entlang der axialen Richtung (4) erstreckenden, Statorzähnen (6) aufweist, an jedem Statorzahn (6) zumindest eine Spule (7) mit mindestens einer Windung (8) angeordnet ist und die mindestens eine Windung (8) elektrisch leitend mit der Leiterplatte (9) verbindbar ist; wobei die Leiterplatte (9) eine Mehrzahl von elektrischen Verbindungsleitungen (11) umfasst, über die die mindestens eine Windung (8) jeder Spule zumindest mit anderen Windungen (8) oder mit zumindest einem elektrischen Anschluss (12, 13) des Motors (1) verbindbar ist; wobei diese Verbindungsleitungen (11) in der Leiterplatte (9) zumindest teilweise in mindestens einer Ebene (14, 15, 16) quer zur axialen Richtung (4) verlaufen; wobei jede Verbindungsleitung (11) einem elektrischen Anschluss (12, 13) und jeweils mindestens einem Statorzahn (6) zuordenbar ist; wobei zumindest ein Abschnitt (18) zumindest einer Verbindungsleitung (11) in eine Mehrzahl von Teilleitungen (19) aufgeteilt ist, wobei die Teilleitungen (19) in dem Abschnitt (18) voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind.