DE102022102652A1 - Electric motor with printed circuit board winding - Google Patents

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Jörg Kegeler
Karsten Feindt
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor (1) mit einem Stator (2) und mit einem gegenüber dem Stator (2) bewegbaren Läufer (3), wobei der Stator (2) einen Statorkern (4, 4') mit mehreren Zähnen (6, 6') und einer Leiterplattenwicklung (7, 7') umfasst, die eine Leiterplatte (16) mit ersten Wicklungsleitern (11) in einer ersten Lage und zweiten Wicklungsleitern (13, 14, 15) in einer zweiten Lage aufweist, wobei die erste Lage einen geringsten Abstand aller Lagen der Leiterplatte (16) von dem Läufer (3) aufweist und die zweite Lage in einem größeren Abstand von dem Läufer (3) angeordnet ist als die erste Lage, wobei die Leiterplatte (16) mehrere Ausnehmungen und der Statorkern (4, 4') mehrere Zähne (6, 6') aufweist, die jeweils in einer der Ausnehmungen angeordnet sind, wobei ein Zahn-Läufer-Abstand (D2) zwischen den Zähnen (6, 6') und dem Läufer (3, 3') kleiner ist als ein Wicklungsleiter-Läufer-Abstand (D1) zwischen den ersten Wicklungsleitern (11) der ersten Lage und dem Läufer (3).

Figure DE102022102652A1_0000
The invention relates to an electric motor (1) with a stator (2) and with a rotor (3) that can be moved relative to the stator (2), the stator (2) having a stator core (4, 4') with a plurality of teeth (6, 6 ') and a printed circuit board winding (7, 7') comprising a printed circuit board (16) with first winding conductors (11) in a first layer and second winding conductors (13, 14, 15) in a second layer, the first layer having a has the smallest distance of all layers of the circuit board (16) from the rotor (3) and the second layer is arranged at a greater distance from the rotor (3) than the first layer, the circuit board (16) having a plurality of recesses and the stator core (4 , 4') has a plurality of teeth (6, 6'), which are each arranged in one of the recesses, with a tooth-traveller distance (D2) between the teeth (6, 6') and the traveler (3, 3' ) is smaller than a winding conductor rotor distance (D1) between the first winding conductors (11) of the first layer and the rotor (3).
Figure DE102022102652A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einem Stator und mit einem gegenüber dem Stator bewegbaren Läufer, wobei der Stator einen Statorkern mit mehreren Zähnen und einer Leiterplattenwicklung umfasst, die eine Leiterplatte mit ersten Wicklungsleitern in einer ersten Lage und zweiten Wicklungsleitern in einer zweiten Lage aufweist, wobei die erste Lage einen geringsten Abstand aller Lagen der Leiterplatte von dem Läufer aufweist und die zweite Lage in einem größeren Abstand von dem Läufer angeordnet ist als die erste Lage.The invention relates to an electric motor with a stator and with a rotor that can be moved relative to the stator, the stator comprising a stator core with a plurality of teeth and a printed circuit board winding which has a printed circuit board with first winding conductors in a first layer and second winding conductors in a second layer, wherein the first layer has a smallest distance of all layers of the circuit board from the runner and the second layer is arranged at a greater distance from the runner than the first layer.

Die Leiterplattenwicklung derartiger Elektromotoren kann auch als PCB-Wicklung bezeichnet werden, wobei sich die Abkürzung PCB von dem englischen Begriff für Leiterplatte, printed circuit board, ableitet. In der Regel umfasst die Leiterplattenwicklung eine mehrlagige Leiterplatte, in welcher Leiterbahnen unterschiedlicher Lagen derart angeordnet und miteinander verbunden sind, dass mehreren Spulen gebildet sind, die jeweils mehrere Windungen aufweisen. Insofern bilden die Leiterbahnen der Leiterplatte Wicklungsleiter, die in unterschiedlichen Lagen der Leiterplatte angeordnet sind.The printed circuit board winding of such electric motors can also be referred to as a PCB winding, the abbreviation PCB being derived from the English term for printed circuit board. As a rule, the printed circuit board winding comprises a multi-layer printed circuit board in which conductor tracks of different layers are arranged and connected to one another in such a way that a plurality of coils are formed, each of which has a plurality of turns. In this respect, the conductor tracks of the printed circuit board form winding conductors that are arranged in different layers of the printed circuit board.

Durch die Verwendung von Leiterplattenwicklungen kann der Aufwand zum Wickeln von Drähten zur Bildung von Spulen des Stators von Elektromotoren vermieden werden. Zudem ermöglichen Leiterplattenwicklungen oftmals eine kompakte Bauform des jeweiligen Stators und damit des gesamten Motors.By using printed circuit board windings, the expense of winding wires to form coils of the stator of electric motors can be avoided. In addition, printed circuit board windings often enable a compact design of the respective stator and thus of the entire motor.

Elektromotoren mit einer Leiterplattenwicklung sind oftmals als Axialflussmotoren oder als Linearmotoren ausgebildet. Der Läufer dieser Elektromotoren ist typischerweise permanenterregt, d.h. er erzeugt - beispielsweise durch Permanentmagnete - ein durchgehend zur Verfügung stehendes Magnetfeld. Bei der Bewegung des Läufers gegenüber dem Stator werden in den Wicklungsleitern des Stators, also in den Leiterbahnen der Leiterplatte, Wirbelströme induziert. Diese Wirbelströme führen zu Verlusten in den Leitern, die mit steigender Drehzahl des Läufers zunehmen. Infolgedessen kommt es bei Erhöhung der Drehzahl zu einer Reduktion des maximal verfügbaren Drehmoments des Elektromotors.Electric motors with a printed circuit board winding are often designed as axial flux motors or as linear motors. The rotor of these electric motors is typically permanently excited, i.e. it generates - for example through permanent magnets - a continuously available magnetic field. When the rotor moves relative to the stator, eddy currents are induced in the winding conductors of the stator, i.e. in the printed circuit board conductors. These eddy currents lead to losses in the conductors, which increase as the rotor speed increases. As a result, when the speed is increased, the maximum available torque of the electric motor is reduced.

Um die Auswirkungen dieser Wirbelströme in den Wicklungsleitern zu begrenzen, ist es bekannt, die Zähne des Statorkerns mit sogenannten Zahnköpfen zu versehen, welche einen gegenüber dem jeweiligen Zahn vergrößerten Querschnitt aufweisen. Diese Zahnköpfe werden an demjenigen Ende der Zähne angeordnet, welches dem Läufer zugewandt ist. Die Zahnköpfe können das Magnetfeld des Läufers führen und dadurch die Wicklungsleiter von diesem Magnetfeld abschirmen. Das Vorsehen der Zahnköpfe kann daher das verfügbare Drehmoment bei hohen Drehzahlen und damit den Wirkungsgrad des Elektromotors steigern. Allerdings ergibt sich durch die Zahnköpfe bei Elektromotoren mit Leiterplattenwicklung ein erhöhter Fertigungsaufwand, da die Zahnköpfe in einem separaten Schritt an den Statorzähnen montiert werden müssen, nachdem die Zähne in entsprechenden Ausnehmungen der Leiterplatte der Leiterplattenwicklung angeordnet sind.In order to limit the effects of these eddy currents in the winding conductors, it is known to provide the teeth of the stator core with so-called tooth heads, which have a larger cross-section than the respective tooth. These tooth tips are arranged at that end of the teeth which faces the rotor. The tips of the teeth can guide the magnetic field of the rotor and thus shield the winding conductors from this magnetic field. The provision of the tooth tips can therefore increase the available torque at high speeds and thus the efficiency of the electric motor. However, the tooth tips in electric motors with printed circuit board windings result in increased production costs, since the tooth tips have to be mounted on the stator teeth in a separate step after the teeth are arranged in corresponding recesses in the printed circuit board of the printed circuit board winding.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, den Wirkungsgrad eines Elektromotors mit Leiterplattenwicklung zu steigern, ohne den Aufwand für die Fertigung des Elektromotors zu erhöhen.Against this background, the task arises of increasing the efficiency of an electric motor with a printed circuit board winding without increasing the effort involved in manufacturing the electric motor.

Zur Lös u n g der Aufgabe wird ein Elektromotor mit einem Stator und mit einem gegenüber dem Stator bewegbaren Läufer vorgeschlagen, wobei der Stator einen Statorkern mit mehreren Zähnen und einer Leiterplattenwicklung umfasst, die eine Leiterplatte mit ersten Wicklungsleitern in einer ersten Lage und zweiten Wicklungsleitern in einer zweiten Lage aufweist, wobei die erste Lage einen geringsten Abstand aller Lagen der Leiterplatte von dem Läufer aufweist und die zweite Lage in einem größeren Abstand von dem Läufer angeordnet ist als die erste Lage, wobei die Leiterplatte mehrere Ausnehmungen und der Statorkern mehrere Zähne aufweist, die jeweils in einer der Ausnehmungen angeordnet sind, wobei ein Zahn-Läufer-Abstand zwischen den Zähnen und dem Läufer kleiner ist als ein Wicklungsleiter-Läufer-Abstand zwischen den ersten Wicklungsleitern der ersten Lage und dem Läufer.In order to solve the problem, an electric motor with a stator and with a rotor that can be moved relative to the stator is proposed, the stator comprising a stator core with a plurality of teeth and a printed circuit board winding which comprises a printed circuit board with first winding conductors in a first layer and second winding conductors in a second layer, wherein the first layer has a smallest distance of all layers of the circuit board from the rotor and the second layer is arranged at a greater distance from the rotor than the first layer, the circuit board having a plurality of recesses and the stator core having a plurality of teeth, each are arranged in one of the recesses, wherein a tooth-rotor distance between the teeth and the rotor is smaller than a winding conductor-rotor distance between the first winding conductors of the first layer and the rotor.

Bei diesem Elektromotor ist der Zahn-Läufer-Abstand zwischen den Zähnen und dem Läufer kleiner als der Wicklungsleiter-Läufer-Abstand zwischen dem ersten Wicklungsleiter am läuferseitigen Ende der Leiterplattenwicklung und dem Läufer. Insofern stehen die Zähne des Stators gegenüber der Leiterplattenwicklung vor. Dieser Überstand der Zähne ermöglicht eine Abschirmung der Wicklungsleiter von dem Magnetfeld des Läufers. Ein Anteil des Magnetfelds des Läufers kann durch den Überstand der Zähne in die Zähne geführt werden und wirkt deshalb nicht auf die Wicklungsleiter ein. In der Folge reduzieren sich die Wirbelstromverluste in den Wicklungsleitern und der Wirkungsgrad des Elektromotors erhöht sich. Bei diesem Elektromotor ist es nicht erforderlich, Zahnköpfe an den Zähnen vorzusehen, die einen gegenüber dem jeweiligen Zahn vergrößerten Querschnitt aufweisen. Folglich entsteht kein zusätzlicher Montageaufwand für das Vorsehen von solchen Zahnköpfen.In this electric motor, the tooth-rotor distance between the teeth and the rotor is smaller than the winding conductor-rotor distance between the first winding conductor at the rotor-side end of the printed circuit board winding and the rotor. In this respect, the teeth of the stator protrude from the printed circuit board winding. This overhang of the teeth enables the winding conductors to be shielded from the magnetic field of the rotor. A proportion of the rotor's magnetic field can be guided into the teeth by the projection of the teeth and therefore does not affect the winding conductors. As a result, the eddy current losses in the winding conductors are reduced and the efficiency of the electric motor increases. With this electric motor, it is not necessary to provide tooth heads on the teeth, which have a cross section that is larger than that of the respective tooth. Consequently, there is no additional assembly effort for the provision of such tooth tips.

Die Zähne des Stators können somit zahnkopflos ausgebildet sein. Das bedeutet, dass der Querschnitt der Zähne im Bereich ihres freien Endes nicht größer ist als der Querschnitt in den restlichen Abschnitten des jeweiligen Zahns. Bei einer solchen Ausgestaltung können die Zähne des Statorkerns zur Montage des Stators durch Öffnungen in der Leiterplattenwicklung hindurch gesteckt werden. Insbesondere können die Zähne an einem dem Läufer zugewandten freien Ende einen Querschnitt aufweisen, der identisch mit einem Querschnitt der Zähne an ihrem dem freien Ende gegenüberliegenden Ende ist und/oder identisch mit einem Querschnitt der Zähne in einer Mitte zwischen dem freien Ende und dem gegenüberliegenden Ende ist. An dem Ende, das dem freien Ende gegenüberliegt sind die Zähne bevorzugt mit einem Rückschlussbereich des Statorkerns verbunden. Bevorzugt weisen die Zähne einen entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung identischen Querschnitt auf.The teeth of the stator can thus be designed without a tooth head. This means that the cross-section of the teeth in the area of their free end is not larger than the cross-section in the remaining sections of the respective tooth. In such an embodiment, the teeth of the stator core can be pushed through openings in the printed circuit board winding to mount the stator. In particular, the teeth at a free end facing the rotor can have a cross-section that is identical to a cross-section of the teeth at their end opposite the free end and/or identical to a cross-section of the teeth at a midpoint between the free end and the opposite end is. At the end opposite the free end, the teeth are preferably connected to a yoke area of the stator core. The teeth preferably have an identical cross section along their main direction of extent.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Differenz zwischen dem Wicklungsleiter-Läufer-Abstand und dem Zahn-Läufer-Abstand im Bereich von 0,3 mm bis 3,0 mm liegt, bevorzugt im Bereich von 0,6 mm bis 1,2 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 0,9 mm, beispielsweise 0,8 mm. Diese Differenz entspricht dem Überstand des Zahns über der Leiterplattenwicklung. Es hat sich herausgestellt, dass ein derartiger Überstand der Zähne gegenüber der Leiterplattenwicklung eine effektive Abschirmung der Wicklungsleiter gegenüber dem Magnetfeld des Läufers bewirken kann.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the difference between the winding conductor-rotor distance and the tooth-rotor distance is in the range from 0.3 mm to 3.0 mm, preferably in the range from 0.6 mm to 1 2 mm, particularly preferably in the range from 0.7 to 0.9 mm, for example 0.8 mm. This difference corresponds to the overhang of the tooth over the circuit board winding. It has been found that such a projection of the teeth in relation to the printed circuit board winding can effectively shield the winding conductors from the rotor's magnetic field.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Zahn-Abstand zwischen den Zähnen des Statorkerns kleiner ist als ein Polabstand des Läufers. Unter dem Polabstand des Läufers wird im Sinne der Erfindung ein Abstand der magnetischen Pole des Läufers verstanden. Eine derartige Ausgestaltung mit einem Zahnabstand, der kleiner ist als der Polabstand des Läufers bietet den Vorteil, dass in sämtlichen Stellungen des Läufers ein Zahn des Stators zwischen zwei Polen des Läufers angeordnet ist. Das magnetische Feld des Läufers kann daher in sämtlichen Stellungen von einem Zahn des Stators geführt werden. Diese Führung verhindert eine unerwünschte hohe Einwirkung des Magnetfelds des Läufers auf zwischen den Zähnen angeordnete Wicklungsleiter des Stators.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a tooth spacing between the teeth of the stator core is smaller than a pole spacing of the rotor. Within the meaning of the invention, the pole spacing of the rotor is understood to be a spacing between the magnetic poles of the rotor. Such an embodiment with a tooth spacing that is smaller than the pole spacing of the rotor offers the advantage that a tooth of the stator is arranged between two poles of the rotor in all positions of the rotor. The magnetic field of the rotor can therefore be guided by a tooth of the stator in all positions. This guidance prevents the magnetic field of the rotor from having an undesirably high effect on the stator winding conductors arranged between the teeth.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wicklungsleiter-Läufer-Abstand im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mm liegt, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 2,2 mm, beispielsweise 1,6 mm. Ein derartiger Wicklungsleiter-Läufer-Abstand kann dazu beitragen, dass das Magnetfeld des Läufers nur geringe Wirbelstromverluste in den Wicklungsleitern hervorruft.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the winding conductor-rotor distance is in the range of 0.5 mm to 4.5 mm, preferably in the range of 0.8 mm to 2.2 mm, for example 1.6 mm. Such a winding conductor-rotor distance can contribute to the rotor's magnetic field causing only small eddy current losses in the winding conductors.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zahn-Läufer-Abstand im Bereich von 0,2 mm bis 1,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 mm bis 1 mm, beispielsweise bei 0,3 mm oder 0,8 mm liegt. Der Zahn-Läufer-Abstand entspricht dem magnetisch wirksamen Luftspalt des Elektromotors. Durch eine derartige Wahl des Zahn-Läufer-Abstands kann eine verbesserte magnetische Kopplung zwischen Läufer und Zähnen des Stators bewirkt werden, die es erlaubt, den Läufer mit möglichst kleinen Permanentmagneten zu bestücken und trotzdem einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen. According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the tooth-traveller distance is in the range from 0.2 mm to 1.5 mm, preferably in the range from 0.2 mm to 1 mm, for example at 0.3 mm or 0. 8 mm lies. The tooth-runner distance corresponds to the magnetically effective air gap of the electric motor. Choosing the tooth-rotor distance in this way improves the magnetic coupling between the rotor and the teeth of the stator, which allows the rotor to be equipped with the smallest possible permanent magnets and still achieve a high level of efficiency.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine erste Querschnittsfläche der ersten Wicklungsleiter kleiner ist als eine zweite Querschnittsfläche der zweiten Wicklungsleiter. Bei einem derartig ausgestalteten Elektromotor ist die Querschnittsfläche des ersten Wicklungsleiters am läuferseitigen Ende der Leiterplattenwicklung im Vergleich zu der Querschnittsfläche des weiter von dem Läufer entfernt angeordneten, zweiten Wicklungsleiters reduziert. Durch diese Maßnahme bieten die ersten Wicklungsleiter, die dem Magnetfeld des Läufers stärker ausgesetzt sind als die zweiten Wicklungsleiter, dem Magnetfeld des Läufers eine geringere Angriffsfläche als die zweiten Wicklungsleiter. In der Folge reduzieren sich die Wirbelstromverluste in den ersten Wicklungsleitern und der Wirkungsgrad des Elektromotors erhöht sich.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that a first cross-sectional area of the first winding conductor is smaller than a second cross-sectional area of the second winding conductor. In an electric motor designed in this way, the cross-sectional area of the first winding conductor at the rotor-side end of the printed circuit board winding is reduced in comparison to the cross-sectional area of the second winding conductor, which is arranged further away from the rotor. As a result of this measure, the first winding conductors, which are more exposed to the rotor's magnetic field than the second winding conductors, offer the rotor's magnetic field a smaller surface to act on than the second winding conductors. As a result, the eddy current losses in the first winding conductors are reduced and the efficiency of the electric motor increases.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten und zweiten Wicklungsleiter eine identische Querschnittshöhe aufweisen und eine erste Querschnittbreite der ersten Wicklungsleiter kleiner ist als eine zweite Querschnittsbreite der zweiten Wicklungsleiter. Eine derartige Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass die Leiterplattenwicklung eine Leiterplatte mit Lagen identischer Dicke bzw. mit in unterschiedlichen Lagen angeordneten Leierbahnen identischer Querschnittshöhe aufweisen kann. Insofern ist es zur Einstellung unterschiedlicher Querschnittsflächen der einzelnen Wicklungsleiter nicht erforderlich, unterschiedlich dicke Lagen oder Lagen mit unterschiedlichen Querschnittshöhen der Leiterbahnen vorzusehen. Die Einstellung der Querschnittsfläche der Wicklungsleiter kann durch Einstellung der Querschnittsbreite der entsprechenden Leiterbahnen erfolgen.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the first and second winding conductors have an identical cross-sectional height and a first cross-sectional width of the first winding conductor is smaller than a second cross-sectional width of the second winding conductor. Such a configuration offers the advantage that the printed circuit board winding can have a printed circuit board with layers of identical thickness or with conductor tracks of identical cross-sectional height arranged in different layers. In this respect, in order to set different cross-sectional areas of the individual winding conductors, it is not necessary to provide layers of different thicknesses or layers with different cross-sectional heights of the conductor tracks. The cross-sectional area of the winding conductors can be adjusted by adjusting the cross-sectional width of the corresponding conductor tracks.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Wicklungsleiter eine Querschnittshöhe und eine erste Querschnittsbreite aufweisen, wobei ein Verhältnis der ersten Querschnittsbreite zur Querschnittshöhe im Bereich zwischen 30 und 1 liegt, bevorzugt im Bereich zwischen 20 und 1 liegt, bevorzugt im Bereich zwischen 15 und 1 liegt. Es wird ausdrücklich klargestellt, dass gemäß der Erfindung weder das Verhältnis der ersten Querschnittsbreite zur Querschnittshöhe noch die Querschnittsbreite oder die Querschnittshöhe null sein können.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the first winding conductors have a cross-sectional height and a first cross-sectional width, with a ratio of the first cross-sectional width to the cross-sectional height being in the range between 30 and 1, preferably in the range between 20 and 1, preferably in the range between 15 and 1 lies. It is expressly made clear that according to the invention neither the ratio of the first cross-sectional width to the cross-sectional height nor the cross-sectional width or the cross-sectional height can be zero.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor ein Axialflussmotor und der Läufer ist ein um eine Drehachse drehbarer Rotor. Der Axialflussmotor kann einen permanenterregten Rotor aufweisen.According to an advantageous embodiment of the invention, the electric motor is an axial flux motor and the runner is a rotor that can be rotated about an axis of rotation. The axial flux motor may have a permanent magnet rotor.

Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor ein Linearmotor und der Läufer ist gegenüber dem Stator linear bewegbar.According to an alternative advantageous embodiment of the invention, the electric motor is a linear motor and the runner can be moved linearly relative to the stator.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Läufer einen Grundkörper und in dem Grundkörper eingelassene Permanentmagnete aufweist, wobei die Permanentmagnete eine Magnetisierung in der Bewegungsrichtung des Läufers, insbesondere in einer Umfangsrichtung des Axialflussmotors, aufweisen. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann eine hohe Genauigkeit der Anordnung der magnetischen Pole an dem Läufer ermöglicht werden. Die Permanentmagnete können einen magnetischen Fluss in der Bewegungsrichtung des Läufers erzeugen, der an einer dem Stator zugewandten Seite des Läufers aus diesem heraustritt.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the rotor has a base body and permanent magnets embedded in the base body, the permanent magnets being magnetized in the direction of movement of the rotor, in particular in a circumferential direction of the axial flux motor. With such a design, the arrangement of the magnetic poles on the rotor can be highly accurate. The permanent magnets can generate a magnetic flux in the direction of movement of the rotor, which emerges from the rotor on a side facing the stator.

Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Läufer einen Grundkörper und an dem Grundkörper angeordnete Permanentmagnete aufweist, wobei die Permanentmagnete eine Magnetisierung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers, insbesondere in einer Umfangsrichtung des Axialflussmotors, aufweisen. Die Permanentmagnete können beispielsweise an einer dem Stator zugewandten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Bei einem Axialflussmotor können die Permanentmagnete kreissektorförmig oder kreisringsektorförmig ausgestaltet sein. Bei einem Linearmotor sind die Permanentmagnete bevorzugt rechteckig ausgestaltet.According to an alternative advantageous embodiment of the invention, it is provided that the rotor has a base body and permanent magnets arranged on the base body, the permanent magnets being magnetized perpendicularly to the direction of movement of the rotor, in particular in a circumferential direction of the axial flux motor. The permanent magnets can be arranged, for example, on a surface of the base body that faces the stator. In the case of an axial flux motor, the permanent magnets can be designed in the form of a circular sector or a circular ring sector. In the case of a linear motor, the permanent magnets are preferably designed to be rectangular.

Der Läufer ist bevorzugt plattenförmig bzw. scheibenförmig ausgestaltet.The rotor is preferably designed in the form of a plate or disk.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Antriebsmodul zum Bewegen eines Gelenkarms eines Industrieroboters mit einem als Axialflussmotor ausgebildeten Elektromotor.A further object of the invention is a drive module for moving an articulated arm of an industrial robot with an electric motor designed as an axial flux motor.

Bei dem Antriebsmodul können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit der elektrischen Axialflussmaschine beschrieben worden sind.The same advantages that have already been described in connection with the electrical axial flow machine can be achieved in the drive module.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:

  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Elektromotors in einer schematischen Schnittdarstellung;
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elektromotors in einer schematischen Schnittdarstellung;
  • 3 ein Detail eines Stators eines dritten Ausführungsbeispiels eines Elektromotors in einer schematischen Schnittdarstellung;
  • 4 ein Industrieroboter mit einem Antriebsmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • 5 eine schematische Darstellung der magnetischen Flussdichte des Erregerfelds eines Elektromotors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.
Further details and advantages of the invention are to be explained below with reference to the exemplary embodiments illustrated in the drawings. Herein shows:
  • 1 a first embodiment of an electric motor in a schematic sectional view;
  • 2 a second embodiment of an electric motor in a schematic sectional view;
  • 3 a detail of a stator of a third embodiment of an electric motor in a schematic sectional view;
  • 4 an industrial robot with a drive module according to an embodiment of the invention; and
  • 5 a schematic representation of the magnetic flux density of the excitation field of an electric motor according to a third embodiment.

In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Elektromotors 1 gezeigt, der als Axialflussmotor ausgebildet ist. Der Axialflussmotor umfasst einen Stator 2 und einen gegenüber dem Stator 3 bewegbaren Läufer 3. Der Läufer 3 ist als Rotor ausgebildet, der um eine in 1 nicht dargestellte Drehachse drehbar ist. Eine Bewegungsrichtung R entspricht einer Umfangsrichtung des Elektromotors 1, die konzentrisch zur Drehachse des Läufers 3 angeordnet ist.In the 1 a first exemplary embodiment of an electric motor 1 is shown, which is designed as an axial flux motor. The axial flux motor comprises a stator 2 and a rotor 3 which can be moved relative to the stator 3. The rotor 3 is designed as a rotor which has an in 1 not shown axis of rotation is rotatable. A direction of movement R corresponds to a circumferential direction of the electric motor 1 which is arranged concentrically to the axis of rotation of the rotor 3 .

Alternativ ist es denkbar, dass der in 1 gezeigte Elektromotor 1 ein Linearmotor ist. In diesem Fall ist der Läufer 3 als gegenüber dem Stator 2 in der Bewegungsrichtung R linear bewegbares Element ausgebildet. Die folgenden Ausführungen gelten in gleicher Weise für eine Ausgestaltung des Elektromotors 1 als Axialflussmotor oder als Linearmotor.Alternatively, it is conceivable that the in 1 Electric motor 1 shown is a linear motor. In this case, the rotor 3 is designed as an element that can be moved linearly in the direction of movement R relative to the stator 2 . The following statements apply in the same way to an embodiment of the electric motor 1 as an axial flux motor or as a linear motor.

Der Stator 2 des Elektromotors 1 umfasst einen Statorkern 4 und eine Wicklung, die als Leiterplattenwicklung 7 ausgebildet ist. Der Statorkern 4 ist bevorzugt aus einem leicht magnetisierbaren Material ausgebildet. Der Statorkern umfasst mehrere Zähne 6, deren freie Enden in Richtung des Läufers 3 weisend angeordnet sind. Die den freien Enden gegenüberliegenden Enden der Zähne 6 sind mit einem Rückschlussbereich 5 des Statorkerns 4 verbunden. Die Leiterplattenwicklung 7 umfasst eine als Multilayer-PCB ausgestaltete Leiterplatte. Diese Leiterplatte weist in 1 nicht gezeigte Leiterbahnen in mehreren Lagen auf, die derart angeordnet und verbunden sind, dass mehrere Einzelzahnspulen gebildet sind, welche jeweils um einen der Zähne 6 des Statorkerns 4 herum angeordnet sind. Insofern bilden die Leiterbahnen der Leiterplatte Wicklungsleiter der Leiterplattenwicklung 7. Die Leiterplatte umfasst also zumindest erste Wicklungsleiter in einer ersten Lage, wobei die erste Lage einen geringsten Abstand aller Lagen der Leiterplatte von dem Läufer 3 aufweist. Ferner sind mindestens zweite Wicklungsleiter in einer zweiten Lage vorgesehen, die in einem größeren Abstand von dem Läufer 3 angeordnet sind. Bevorzugt umfasst die Leiterplatte aber Wicklungsleiter in mehr als zwei Lagen, beispielsweise in drei, in vier, in fünf, in sechs oder sieben Lagen. In der Leiterplatte sind mehrere als Durchgangslöcher ausgestaltete Ausnehmungen vorgesehen, in denen die Zähne 6 des Statorkerns 4 angeordnet sind. Die Zähne 6 weisen einen Querschnitt auf, der es erlaubt, die Zähne 6 mit ihrem freien Ende durch die Ausnehmungen der Leiterplattenwicklung 7 hindurchzustecken, um den Statorkern 4 mit der Leiterplattenwicklung 7 zu verbinden.The stator 2 of the electric motor 1 comprises a stator core 4 and a winding which is designed as a printed circuit board winding 7 . The stator core 4 is preferably made of an easily magnetizable material. The stator core comprises a plurality of teeth 6 whose free ends are arranged pointing in the direction of the rotor 3 . The ends of the teeth 6 opposite the free ends are connected to a return region 5 of the stator core 4 . The printed circuit board winding 7 includes a printed circuit board designed as a multilayer PCB. This circuit board has in 1 not shown conductor tracks in several layers, which are arranged and connected in such a way that several individual tooth coils are formed, which are each arranged around one of the teeth 6 of the stator core 4 . In this respect, the conductor tracks of the printed circuit board form winding conductors of the printed circuit board winding 7. The printed circuit board therefore comprises at least first winding conductors in a first layer, the first layer having a smallest distance of all layers of the printed circuit board from the runner 3. Furthermore, at least second winding conductors are provided in a second layer, which are arranged at a greater distance from the rotor 3 . However, the printed circuit board preferably comprises winding conductors in more than two layers, for example in three, four, five, six or seven layers. A plurality of recesses designed as through-holes are provided in the printed circuit board, in which the teeth 6 of the stator core 4 are arranged. The teeth 6 have a cross section that allows the free end of the teeth 6 to be pushed through the recesses in the printed circuit board winding 7 in order to connect the stator core 4 to the printed circuit board winding 7 .

Der Läufer 3 umfasst einen Grundkörper 8 und in dem Grundkörper 8 eingelassene Permanentmagnete 9, die eine Magnetisierung in der Bewegungsrichtung R des Läufers 3 aufweisen, im Falle des Axialflussmotors also in dessen Umfangsrichtung. Die Permanentmagnete 9 erzeugen somit einen magnetischen Fluss in der Bewegungsrichtung R des Läufers 3, der an einer dem Stator 2 zugewandten Seite des Läufers 3 aus diesem heraustritt. Der magnetische Keis schließt sich über den Luftspalt zwischen Läufer 3 und Stator 2 im Bereich der freien Enden der Zähne 6 des Statorkerns 4, die Zähne 6 und den Rückschlussbereich 5 des Statorkerns 4. Durch die Permanentmagnete 9 werden magnetische Pole erzeugt, die ihren Mittelpunkt in der Mitte zwischen den Permanentmagneten 9 aufweisen. Der Abstand dieser magnetischen Pole ist in 1 mit dem Bezugszeichen D4 gekennzeichnet. Die Darstellung 1 zeigt, dass ein Zahn-Abstand D5 zwischen den Zähnen 6 des Statorkerns 4 kleiner ist als dieser Polabstand D4 des Läufers.The rotor 3 comprises a base body 8 and permanent magnets 9 embedded in the base body 8, which have a magnetization in the direction of movement R of the rotor 3, in the case of the axial flux motor that is in its circumferential direction. The permanent magnets 9 thus generate a magnetic flux in the direction of movement R of the runner 3, which emerges from the runner 3 on a side of the runner 3 facing the stator 2 of the latter. The magnetic circle closes via the air gap between the rotor 3 and the stator 2 in the area of the free ends of the teeth 6 of the stator core 4, the teeth 6 and the yoke area 5 of the stator core 4. The permanent magnets 9 generate magnetic poles which have their center in have the middle between the permanent magnets 9 . The distance between these magnetic poles is in 1 marked with the reference symbol D4. The representation 1 shows that a tooth spacing D5 between the teeth 6 of the stator core 4 is smaller than this pole spacing D4 of the rotor.

Um den Wirkungsgrad zu steigern, ohne den Aufwand für die Fertigung des Elektromotors zu erhöhen, sind bei dem Elektromotor 1 nach 1 besondere Maßnahmen getroffen worden. So ist vorgesehen, dass ein Zahn-Läufer-Abstand D2 zwischen den Zähnen 6 des Statorkerns 4 und dem Läufer 3 kleiner ist als ein Wicklungsleiter-Läufer-Abstand D1 zwischen den ersten Wicklungsleitern der ersten Lage und dem Läufer 3. Insofern stehen die Zähne 6 des Stators 2 gegenüber der Leiterplattenwicklung 7 um einen Überstand D3 vor. Dieser Überstand D3 ermöglicht eine Abschirmung der Wicklungsleiter der Leiterplattenwicklung 7 von dem Magnetfeld des Läufers 3. Der Hauptanteil des Magnetfelds des Läufers 3 wird folglich durch die überstehenden Zähne 6 geführt und wirkt deshalb nicht auf die Wicklungsleiter der Leiterplattenwicklung 7 ein. Diese Maßnahme bewirkt eine Reduktion der Wirbelstromverluste in der Leiterplattenwicklung 7, so dass sich der Wirkungsgrad des Elektromotors 1 erhöht.In order to increase the efficiency without increasing the cost of manufacturing the electric motor, the electric motor 1 is 1 special measures have been taken. It is provided that a tooth-rotor distance D2 between the teeth 6 of the stator core 4 and the rotor 3 is smaller than a winding conductor-rotor distance D1 between the first winding conductors of the first layer and the rotor 3. In this respect, the teeth 6 are of the stator 2 in relation to the printed circuit board winding 7 by an overhang D3. This overhang D3 enables the winding conductors of the printed circuit board winding 7 to be shielded from the magnetic field of the rotor 3. The main part of the magnetic field of the rotor 3 is consequently guided through the protruding teeth 6 and therefore does not affect the winding conductors of the printed circuit board winding 7. This measure brings about a reduction in the eddy current losses in the printed circuit board winding 7, so that the efficiency of the electric motor 1 increases.

Die Differenz D3 zwischen dem Wicklungsleiter-Läufer-Abstand D1 und dem Zahn-Läufer-Abstand D2 kann beispielsweise im Bereich von 0,3 mm bis 3,0 mm liegen, bevorzugt im Bereich von 0,6 mm bis 1,2 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 0,9 mm, beispielsweise bei 0,8 mm. Eine beispielhafte Dimensionierung sieht vor, dass der Zahn-Läufer-Abstand D2, der identisch mit dem magnetisch wirksamen Luftspalt ist, bei 0,3 mm liegt. Alternativ kann der Zahn-Läufer-Abstand D2 beispielsweise 0,8 mm oder einen anderen Wert zwischen 0,3 mm und 0,8 mm betragen.The difference D3 between the winding conductor-runner distance D1 and the tooth-runner distance D2 can be, for example, in the range from 0.3 mm to 3.0 mm, preferably in the range from 0.6 mm to 1.2 mm, particularly preferably in the range from 0.7 to 0.9 mm, for example at 0.8 mm. An exemplary dimensioning provides that the tooth-runner distance D2, which is identical to the magnetically effective air gap, is 0.3 mm. Alternatively, the tooth-traveller distance D2 can be 0.8 mm, for example, or another value between 0.3 mm and 0.8 mm.

In der 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elektromotors 1 gezeigt, der als Axialflussmotor ausgebildet ist. Das zweite Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel mit dem Unterschied, dass der Elektromotor 2 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zwei Statoren 2, 2' umfasst, die auf sich gegenüberliegenden Seiten des Läufers 3 angeordnet sind. Insofern weist der Elektromotor 1 eine Doppelstatorbauweise auf. Beide Statoren 2, 2' sind identisch ausgebildet, so dass die Ausführungen zu dem Stator 2 gemäß 1 auf beide Statoren 2, 2' des zweiten Ausführungsbeispiels zutreffen.In the 2 a second exemplary embodiment of an electric motor 1 is shown, which is designed as an axial flux motor. The second exemplary embodiment essentially corresponds to the first exemplary embodiment, with the difference that the electric motor 2 according to the second exemplary embodiment comprises two stators 2, 2′, which are arranged on opposite sides of the rotor 3. In this respect, the electric motor 1 has a double-stator design. Both stators 2, 2' are of identical design, so that the explanations for the stator 2 according to FIG 1 apply to both stators 2, 2' of the second embodiment.

Die Darstellung in 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Elektromotors 1, wobei lediglich ein Stator 2 des Elektromotors 1 gezeigt ist. Der Elektromotor 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann wahlweise in Einzelstatorbauweise - vgl. 1 - oder in Doppelstatorbauweise - vgl. 2 - ausgestaltet und entweder als Axialflussmotor oder Linearmotor ausgebildet sein.The representation in 3 shows a third embodiment of an electric motor 1, wherein only a stator 2 of the electric motor 1 is shown. The electric motor 1 according to the third exemplary embodiment can optionally have a single-stator design—cf. 1 - or in double-stator design - cf. 2 - Be designed and configured as either an axial flux motor or a linear motor.

Bei dem Elektromotor 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann, wie bei den Elektromotoren gemäß 1 und 2, ein Überstand an den Zähnen 6 des Statorkerns 4 zur Steigerung des Wirkungsgrads vorgesehen sein. In diesem Fall entspricht das freie Ende des jeweiligen Zahns 6 der in 3 gezeigten Linie 6.1 und es wird auf die Ausführungen zur 1 und 2 verwiesen. Alternativ ist es möglich, dass die Zähne 6 keinen Überstand über die Leiterplattenwicklung aufweisen. In diesem alternativen Fall entspricht das freie Ende des jeweiligen Zahns 6 der in 3 gezeigten Linie 6.1 `. Der Zahn 6 schließt somit mit einem dem Läufer 3 zugewandten Wicklungsleiter des Leiterbahnwicklung 7 bündig ab. Weiter alternativ ist denkbar, dass die Leiterplattenwicklung 7 einen Überstand über den Zahn 6 bildet.In the electric motor 1 according to the third embodiment, as in the electric motors according to 1 and 2 , A projection on the teeth 6 of the stator core 4 can be provided to increase the efficiency. In this case, the free end of the respective tooth 6 corresponds to the in 3 shown line 6.1 and it is referred to the remarks 1 and 2 referred. Alternatively, it is possible for the teeth 6 not to project beyond the printed circuit board winding. In this alternative case, the free end of the respective tooth 6 corresponds to the 3 shown line 6.1`. The tooth 6 thus terminates flush with a winding conductor of the conductor track winding 7 facing the rotor 3 . As a further alternative, it is conceivable for the circuit board winding 7 to project beyond the tooth 6 .

Die Leiterplattenwicklung 7 umfasst eine als Multilayer-PCB ausgestaltete Leiterplatte 16. Diese Leiterplatte weist Leiterbahnen 11, 12, 13, 14, 15 in mehreren Lagen auf, die derart angeordnet und verbunden sind, dass mehrere Einzelzahnspulen gebildet sind, welche jeweils um einen der Zähne 6 des Statorkerns 4 herum angeordnet sind. Insofern bilden die Leiterbahnen der Leiterplatte Wicklungsleiter 11, 12, 13, 14, 15 der Leiterplattenwicklung 7. Wie in 3 erkennbar, umfasst die Leiterplatte 16 erste Wicklungsleiter 11 in einer ersten Lage, die Lage einen geringsten Abstand aller Lagen der Leiterplatte 16 von dem Läufer 3 aufweist. Ferner sind weitere Wicklungsleiter 12 in einer zweiten Lage vorgesehen, die in einem größeren Abstand von dem Läufer angeordnet sind. Zudem umfasst die Leiterplatte weitere Wicklungsleiter 13 einer dritten Lage, weitere Wicklungsleiter 14 einer vierten Lage und weitere Wicklungsleiter 15 einer fünften Lage, die jeweils in einem größeren Abstand zu dem Läufer 3 angeordnet sind als die jeweils vorhergehende Lage. In der Leiterplatte 16 sind mehrere als Durchgangslöcher ausgestaltete Ausnehmungen vorgesehen, in denen die Zähne 6 des Statorkerns 4 angeordnet sind. Die Zähne 6 weisen einen Querschnitt auf, der es erlaubt, die Zähne 6 mit ihrem freien Ende durch die Ausnehmungen der Leiterplattenwicklung 7 hindurchzustecken, um den Statorkern 4 mit der Leiterplattenwicklung 7 zu verbinden.The printed circuit board winding 7 comprises a printed circuit board 16 designed as a multilayer PCB. This printed circuit board has conductor tracks 11, 12, 13, 14, 15 in several layers, which are arranged and connected in such a way that several individual tooth coils are formed, each around one of the teeth 6 des Stator core 4 are arranged around. In this respect, the conductor tracks of the printed circuit board form winding conductors 11, 12, 13, 14, 15 of the printed circuit board winding 7. As in 3 recognizable, the printed circuit board 16 includes first winding conductors 11 in a first layer, which layer has the smallest distance of all layers of the printed circuit board 16 from the rotor 3 . Furthermore, further winding conductors 12 are provided in a second layer, which are arranged at a greater distance from the rotor. In addition, the printed circuit board comprises further winding conductors 13 in a third layer, further winding conductors 14 in a fourth layer and further winding conductors 15 in a fifth layer, which are each arranged at a greater distance from rotor 3 than the respective preceding layer. A plurality of recesses designed as through-holes are provided in the printed circuit board 16, in which the teeth 6 of the stator core 4 are arranged. The teeth 6 have a cross section that allows the free end of the teeth 6 to be pushed through the recesses in the printed circuit board winding 7 in order to connect the stator core 4 to the printed circuit board winding 7 .

Um den Wirkungsgrad zu steigern, ohne den Aufwand für die Fertigung des Elektromotors zu erhöhen, sind bei dem Elektromotor 1 nach 3 besondere Maßnahmen getroffen worden. Hierzu ist vorgesehen, dass eine erste Querschnittsfläche der ersten Wicklungsleiter 11 kleiner ist als eine zweite Querschnittsfläche derjenigen Wicklungsleiter 13, 14, 15, die weiter entfernt von dem Läufer 3 angeordnet sind. Diese Wicklungsleiter 13, 14, 15 sollen nachfolgend als „zweite Wicklungsleiter“ bezeichnet werden. Durch diese Maßnahme bieten die ersten Wicklungsleiter 11, die dem Magnetfeld des Läufers 3 stärker ausgesetzt sind als die zweiten Wicklungsleiter 13, 14, 15, dem Magnetfeld des Läufers 3 eine geringere Angriffsfläche. In der Folge reduzieren sich die Wirbelstromverluste in den ersten Wicklungsleitern 11 und der Wirkungsgrad des Elektromotors 1 erhöht sich.In order to increase the efficiency without increasing the cost of manufacturing the electric motor, the electric motor 1 is 3 special measures have been taken. For this purpose it is provided that a first cross-sectional area of the first winding conductor 11 is smaller than a second cross-sectional area of those winding conductors 13 , 14 , 15 which are arranged further away from the rotor 3 . These winding conductors 13, 14, 15 will be referred to below as "second winding conductors". As a result of this measure, the first winding conductors 11, which are more exposed to the magnetic field of the rotor 3 than the second winding conductors 13, 14, 15, offer the magnetic field of the rotor 3 a smaller attack surface. As a result, the eddy current losses in the first winding conductors 11 are reduced and the efficiency of the electric motor 1 increases.

Im vorliegenden Fall ist zwischen der ersten Lage mit den ersten Wicklungsleitern 11 und den Wicklungsleitern 13, 14, 15, mit erhöhter Querschnittsfläche eine weitere Lage mit Wicklungsleitern 12 vorgesehen, die ebenfalls eine kleinere Querschnittsfläche aufweisen als die zweiten Wicklungsleiter 13, 14, 15. Hier sind die Querschnittsflächen der Wicklungsleiter 11, 12 in der ersten und zweiten Lage identisch.In the present case, a further layer with winding conductors 12 is provided between the first layer with the first winding conductors 11 and the winding conductors 13, 14, 15 with an increased cross-sectional area, which also have a smaller cross-sectional area than the second winding conductors 13, 14, 15. Here the cross-sectional areas of the winding conductors 11, 12 are identical in the first and second layers.

Bei dem Ausführungsbeispiel weisen alle Wicklungsleiter 11, 12, 13, 14, 15 der Leiterplattenwicklung 7, insbesondere die ersten Wicklungsleiter 11 und die zweiten Wicklungsleiter 13, 14, 15 eine identische Querschnittshöhe H auf. Dabei ist eine erste Querschnittbreite B1 der ersten Wicklungsleiter 11 kleiner als eine zweite Querschnittsbreite B2 der zweiten Wicklungsleiter 13, 14, 15. Bevorzugt ist das Verhältnis der ersten Querschnittsbreite B1 zur Querschnittshöhe H im Bereich zwischen 30 und 1 gewählt (also jedenfalls größer 1). Besonders bevorzugt liegt dieses Verhältnis im Bereich zwischen 20 und 1 liegt, beispielsweise im Bereich zwischen 15 und 1.In the exemplary embodiment, all the winding conductors 11, 12, 13, 14, 15 of the printed circuit board winding 7, in particular the first winding conductor 11 and the second winding conductor 13, 14, 15, have an identical cross-sectional height H. A first cross-sectional width B1 of the first winding conductor 11 is smaller than a second cross-sectional width B2 of the second winding conductor 13, 14, 15. The ratio of the first cross-sectional width B1 to the cross-sectional height H is preferably selected in the range between 30 and 1 (i.e. greater than 1 in any case). This ratio is particularly preferably in the range between 20 and 1, for example in the range between 15 and 1.

Gemäß einer Abwandlung der in 1, 2 und 3 gezeigten Elektromotoren kann der Läufer 3 als einen Grundkörper und an dem Grundkörper angeordnete Permanentmagnete aufweisen, die eine Magnetisierung senkrecht zur Bewegungsrichtung R des Läufers 3 haben. Diese Permanentmagnete können an einer dem Stator 2 zugewandten Oberfläche des Grundkörpers angeordnet sein. Bei einem Axialflussmotor können die Permanentmagnete kreissektorförmig oder kreisringsektorförmig ausgestaltet sein. Bei einem Linearmotor sind die Permanentmagnete bevorzugt rechteckig ausgestaltet.According to a modification of 1 , 2 and 3 The electric motors shown can have the rotor 3 as a base body and permanent magnets which are arranged on the base body and have a magnetization perpendicular to the direction of movement R of the rotor 3 . These permanent magnets can be arranged on a surface of the base body facing the stator 2 . In the case of an axial flux motor, the permanent magnets can be designed in the form of a circular sector or a circular ring sector. In the case of a linear motor, the permanent magnets are preferably designed to be rectangular.

Die Darstellung in 4 zeigt einen Industrieroboter 200 mit mehrere Gelenkarmen 201, die jeweils über Antriebsmodule 100 gemäß der Erfindung drehbar verbunden sind. Die Antriebsmodule 100 umfassen neben einem als Axialflussmotor ausgebildeten, vorstehend erläuterten Elektromotor 1 eine Lagerung, insbesondere Wälzlagerung, und ggf. ein Getriebe.The representation in 4 shows an industrial robot 200 with several articulated arms 201, which are each rotatably connected via drive modules 100 according to the invention. In addition to an electric motor 1 embodied as an axial flux motor and explained above, the drive modules 100 include a bearing, in particular a roller bearing, and possibly a gear.

In 5 ist eine schematische Darstellung der magnetischen Flussdichte B des Erregerfelds, also des durch die Permanentmagnete 9 des Läufers hervorgerufenen Felds eines Elektromotors 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Elektromotor 1 kann entweder als Axialflussmotor mit einem als Rotor ausgestalteten Läufer 3 oder als Linearmotor ausgebildet. Die Ausführungen zum Aufbau des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels geltend gleichermaßen für das Ausführungsbeispiel nach 5.In 5 1 shows a schematic representation of the magnetic flux density B of the excitation field, ie the field of an electric motor 1 caused by the permanent magnets 9 of the rotor, according to a third exemplary embodiment. The electric motor 1 can be designed either as an axial flux motor with a rotor 3 configured as a rotor, or as a linear motor. The explanations for the structure of the in 1 shown embodiment applies equally to the embodiment 5 .

Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist der Zahn-Läufer-Abstand D2 zwischen den Zähnen 6 des Statorkerns 4 und dem Läufer 3 kleiner ist als ein Wicklungsleiter-Läufer-Abstand D1 zwischen den ersten Wicklungsleitern der ersten Lage und dem Läufer 3. Grundlage für die Darstellung in 5 ist ein Zahn-Läufer-Abstand D2 von 0,8 mm und ein Wicklungsleiter-Läufer-Abstand D1 von 1,6 mm. Insofern beträgt die Differenz D3 zwischen dem Wicklungsleiter-Läufer-Abstand D1 und dem Zahn-Läufer-Abstand D2 0,8 mm.According to the third exemplary embodiment, the tooth-rotor distance D2 between the teeth 6 of the stator core 4 and the rotor 3 is smaller than a winding conductor-rotor distance D1 between the first winding conductors of the first layer and the rotor 3. Basis for the illustration in 5 is a tooth-rotor distance D2 of 0.8 mm and a winding conductor-rotor distance D1 of 1.6 mm. In this respect, the difference D3 between the winding conductor-runner distance D1 and the tooth-runner distance D2 is 0.8 mm.

Dem Verlauf des Erregerfelds kann entnommen werden, dass durch die zuvor benannte Dimensionierung erreicht werden kann, dass 95% der durch das Erregerfeld erzeugten Wirbelstromverluste in den Wicklungsleitern des Stators vermieden werden können.The course of the exciter field can be seen that can be achieved by the aforementioned dimensioning that 95% of the eddy currents generated by the exciter field losses in the winding conductors of the stator can be avoided.

BezugszeichenlisteReference List

11
Elektromotorelectric motor
2, 2'2, 2'
Statorstator
33
Läuferrunner
4, 4'4, 4'
Statorkernstator core
5, 5'5, 5'
Rückschlussabschnittinference section
6, 6'6, 6'
ZahnTooth
6.1, 6.1'6.1, 6.1'
freies Endefree end
7, 7'7, 7'
LeiterplattenwicklungPCB winding
88th
Grundkörperbody
99
Permanentmagnet permanent magnet
1111
erster Wicklungsleiterfirst winding conductor
1212
weiterer Wicklungsleiteranother winding conductor
13, 14, 1513, 14, 15
zweiter Wicklungsleitersecond winding conductor
1616
Leiterplatte circuit board
100100
Antriebsmoduldrive module
200200
Industrieroboterindustrial robot
201201
Gelenkarm articulated arm
BB
magnetische Flussdichtemagnetic flux density
B1, B2B1, B2
Querschnittsbreitesection width
D1D1
Leiterplatte-Läufer-AbstandBoard to Runner Clearance
D2D2
Zahn-Läufer-Abstandtooth-runner distance
D3D3
Abstands-Differenzdistance difference
D4D4
Polabstandpole spacing
D5D5
Zahn-Abstandtooth spacing
HH
Querschnittshöhesection height
RR
Bewegungsrichtungdirection of movement

Claims (11)

Elektromotor (1) mit einem Stator (2, 2') und mit einem gegenüber dem Stator (2, 2') bewegbaren Läufer (3), wobei der Stator (2, 2') einen Statorkern (4, 4') mit mehreren Zähnen (6, 6') und einer Leiterplattenwicklung (7, 7') umfasst, die eine Leiterplatte (16) mit ersten Wicklungsleitern (11) in einer ersten Lage und zweiten Wicklungsleitern (13, 14, 15) in einer zweiten Lage aufweist, wobei die erste Lage einen geringsten Abstand aller Lagen der Leiterplatte (16) von dem Läufer (3) aufweist und die zweite Lage in einem größeren Abstand von dem Läufer (3) angeordnet ist als die erste Lage, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte (16) mehrere Ausnehmungen und der Statorkern (4, 4') mehrere Zähne (6, 6') aufweist, die jeweils in einer der Ausnehmungen angeordnet sind, wobei ein Zahn-Läufer-Abstand (D2) zwischen den Zähnen (6, 6') und dem Läufer (3, 3') kleiner ist als ein Wicklungsleiter-Läufer-Abstand (D1) zwischen den ersten Wicklungsleitern (11) der ersten Lage und dem Läufer (3).Electric motor (1) with a stator (2, 2') and with a rotor (3) that can be moved relative to the stator (2, 2'), the stator (2, 2') having a stator core (4, 4') with a plurality of teeth (6, 6') and a printed circuit board winding (7, 7'), which has a printed circuit board (16) with first winding conductors (11) in a first layer and second winding conductors (13, 14, 15) in a second layer, wherein the first layer has the smallest distance of all layers of the printed circuit board (16) from the runner (3) and the second layer is arranged at a greater distance from the runner (3) than the first layer, characterized in that the printed circuit board (16 ) has a plurality of recesses and the stator core (4, 4') has a plurality of teeth (6, 6'), which are each arranged in one of the recesses, with a tooth-rotor distance (D2) between the teeth (6, 6') and the rotor (3, 3') is smaller than a winding conductor-rotor distance (D1) between the first winding conductors (11) of the first layer and the rotor (3). Elektromotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (6, 6') zahnkopflos ausgebildet sind.Electric motor (1) after claim 1 , characterized in that the teeth (6, 6') are designed without a tooth head. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Differenz (D3) zwischen dem Wicklungsleiter-Läufer-Abstand (D1) und dem Zahn-Läufer-Abstand (D2) im Bereich von 0,3 mm bis 3,0 mm liegt, bevorzugt im Bereich von 0,6 mm bis 1,2 mm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,7 bis 0,9 mm, beispielsweise 0,8 mm.Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a difference (D3) between the winding conductor rotor distance (D1) and the tooth rotor distance (D2) in the range of 0.3 mm to 3.0 mm, preferably in the range from 0.6 mm to 1.2 mm, particularly preferably in the range from 0.7 to 0.9 mm, for example 0.8 mm. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahn-Abstand (D5) zwischen den Zähnen (6, 6') des Statorkerns (4, 4') kleiner ist als ein Polabstand (D4) des Läufers (3).Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a tooth spacing (D5) between the teeth (6, 6') of the stator core (4, 4') is smaller than a pole spacing (D4) of the rotor (3 ). Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsleiter-Läufer-Abstand (D1) im Bereich von 0,5 mm bis 4,5 mm liegt, bevorzugt im Bereich von 0,8 mm bis 2,2 mm, beispielsweise 1,6 mm.Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the winding conductor-rotor distance (D1) is in the range from 0.5 mm to 4.5 mm, preferably in the range from 0.8 mm to 2.2 mm , for example 1.6 mm. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahn-Läufer-Abstand (D2) im Bereich von 0,2 mm bis 1,5 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 mm bis 1,0 mm, beispielsweise bei 0,3 mm oder bei 0,8 mm liegt.Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the tooth-rotor distance (D2) is in the range from 0.2 mm to 1.5 mm, preferably in the range from 0.2 mm to 1.0 mm. for example 0.3 mm or 0.8 mm. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Querschnittsfläche der ersten Wicklungsleiter (11) kleiner ist als eine zweite Querschnittsfläche des zweiten Wicklungsleiters (13, 14, 15).Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that a first cross-sectional area of the first winding conductor (11) is smaller than a second cross-sectional area of the second winding conductor (13, 14, 15). Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Wicklungsleiter (11, 13, 14, 15) eine identische Querschnittshöhe (H) aufweisen und eine erste Querschnittbreite (B1) der ersten Wicklungsleiter (11) kleiner ist als eine zweite Querschnittsbreite (B2) der zweiten Wicklungsleiter (13, 14, 15).Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first and second winding conductors (11, 13, 14, 15) have an identical cross-sectional height (H) and a first cross-sectional width (B1) of the first winding conductor (11) is smaller as a second cross-sectional width (B2) of the second winding conductors (13, 14, 15). Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Wicklungsleiter (11) eine Querschnittshöhe (H) und eine erste Querschnittsbreite (B1) aufweisen, wobei ein Verhältnis der ersten Querschnittsbreite (B1) zur Querschnittshöhe (H) im Bereich zwischen 30 und 1 liegt, bevorzugt im Bereich zwischen 20 und 1 liegt, bevorzugt im Bereich zwischen 15 und 1 liegt.Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first winding conductors (11) have a cross-sectional height (H) and a first cross-sectional width (B1), with a ratio of the first cross the cutting width (B1) to the cross-sectional height (H) is in the range between 30 and 1, preferably in the range between 20 and 1, preferably in the range between 15 and 1. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (1) ein Axialflussmotor ist und der Läufer (3) ein um eine Drehachse drehbarer Rotor ist, oder dass der Elektromotor (1) ein Linearmotor ist und der Läufer (3) gegenüber dem Stator (2, 2') linear bewegbar ist.Electric motor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor (1) is an axial flux motor and the rotor (3) is a rotor which can be rotated about an axis of rotation, or that the electric motor (1) is a linear motor and the rotor ( 3) is linearly movable relative to the stator (2, 2'). Antriebsmodul (100) zum Bewegen eines Gelenkarms (201) eines Industrieroboters (200) mit einem als Axialflussmotor ausgebildeten Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Drive module (100) for moving an articulated arm (201) of an industrial robot (200) with an electric motor (1) designed as an axial flux motor according to one of the preceding claims.
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