WO2011060977A2 - Anordnung einer ansteuerschaltung in einer elektrischen maschine - Google Patents

Anordnung einer ansteuerschaltung in einer elektrischen maschine Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics

Definitions

  • the invention relates to rotary electrical machines, in particular electric motors, which are operated by means of a drive circuit.
  • Rotary electric motors are often driven or operated by means of drive circuits.
  • the drive circuits provide, for example as drive voltages, a pulse width modulated voltage or one or more phase voltages.
  • the drive voltages are generally generated by means of a suitable driver circuit, such as an H-bridge circuit or a B6 circuit, as AC signals.
  • the drive circuits are usually arranged as separate structures or as integrated units on the electric motor or separated therefrom.
  • both lead frames and printed circuit boards are used, which are in communication with the motor terminals, which allow electrical contacting of the motor winding.
  • the arrangement of the drive circuit to the motor usually requires special structural measures in order to avoid that the drive circuit is exposed to environmental influences.
  • suitable housing and Enclosures should be provided with which the drive circuit to be protected.
  • an arrangement comprising an electric machine having an inner stator and an outer rotor arranged coaxially with each other and a driving circuit connected to a winding of the inner stator to drive the outer rotor by driving the winding.
  • the drive circuit is arranged in a recess of the inner stator.
  • One idea of the invention is to provide a drive circuit for an electrical machine, in particular an electric motor, in a recess of the electric motor, in particular in the interior of a stator of an external rotor motor. This allows a space-saving accommodation of the driving Circuit and also a protection of the drive circuit from environmental influences. Furthermore, vibrations of the drive circuit are significantly reduced, since the drive circuit is arranged closer to the axis of rotation of the electric machine and thus influences caused by an unbalance vibration are reduced.
  • the drive circuit may be connected to supply lines to receive a supply voltage and to provide an AC signal for application to the winding.
  • the drive circuit may be formed on a carrier material which forms a curved printed circuit board.
  • the support material should be curved or flexible designed to be able to adapt to a curvature of an inner wall of the recess in the electric motor and in particular to simplify the manufacture of such a motor assembly.
  • the drive circuit may be formed on a flexible carrier material, so that the drive circuit is deformable so that it can be inserted into the recess in a deformed state.
  • the carrier material of the drive circuit is designed to go back to an undeformed state after deformation, so that after inserting the drive circuit in the recess, this rests against an inner wall of the recess.
  • an insulating element may be provided which is arranged between the drive circuit and an inner wall of the recess.
  • an electrically insulating material may be applied to an inner wall of the recess.
  • the recess can penetrate the inner stator in the axial direction.
  • a method for producing the above arrangement is provided, wherein the drive circuit is inserted into the recess of the inner stator.
  • the drive circuit can be deformed prior to insertion into the recess of the inner stator.
  • the single figure shows a cross section through a motor assembly 1 with an external rotor electric motor 2 as an electric machine.
  • the outer rotor electric motor 2 comprises an inner stator 3 and an outer rotor 4, which are arranged coaxially with respect to a motor shaft 1 1.
  • the inner stator 3 is fixedly fixed while the outer rotor 4 is connected to the motor shaft 1 1 to drive them.
  • the electric motor 2 shown is designed as a synchronous motor, wherein the inner stator 3 carries a stator winding 5, which is arranged around a magnetically active material 6.
  • the outer surface of the magnetically active material 6 is substantially envelope-shaped with a circular cross section, so that the inner stator 3 forms a circular cylinder.
  • the outer rotor 4 is arranged coaxially with the inner stator 3 rotatably.
  • the external rotor 4 is provided with permanent magnets 8 as rotor poles, which are arranged on a coaxial circular cylindrical pole pot 9.
  • the inner stator 3 further has a concentric, circular cylindrical recess 7, which forms a cavity in the inner stator 3.
  • the recess 7 may be formed continuously in the inner stator 3, so that the inner stator 3 forms a hollow cylinder open on both sides. Alternatively, the recess 7 in the inner stator 3 form a hollow cylinder closed on one side.
  • a drive circuit 10 is provided, which is formed on a substrate 1 1, which serves as a printed circuit board.
  • electronic components 12 are provided for the realization of the drive circuit 10.
  • the electronic components 12 may include all electronically active devices, such as power transistors, capacitors, inductors, and the like.
  • one or more H- Bridges or in synchronous motors include a B6 inverter circuit to generate the motor currents.
  • the carrier material 1 1 In order to arrange the drive circuit 10 in the recess 7 of the inner stator 3, it is expedient to provide the carrier material 1 1 with a curvature, so that it adapts to the outer contour of the recess 7. If the outer contour of the recess is cylindrical, it can be provided that the electronic components 12 then protrude inwards, for example, radially from the carrier material 11. In this way, the area on the substrate 1 1 for the arrangement of electronic components 12 can increase and gain space.
  • the carrier material 1 1 of the drive circuit 10 may consist of identical or different material layers, preferably of polyimide or polyamide, epoxy or other materials or combinations thereof.
  • the carrier material 1 1 may be flexible, so that a deformability of the drive circuit 1 1 is ensured.
  • the carrier material 1 1 may be provided elastically.
  • the carrier material 1 1 in the substrate 1 1 in addition to elastic and rigid portions, e.g. made of standard FR4 material, be possible, so that the carrier material 1 1 may be formed as a combination of printed circuit boards, punched grids and a flex foil.
  • the deformability of the circuit boards formed from the carrier material 1 1 makes it possible to change the drive circuit 10 in its shape so that it can be introduced into the recess 7 of the inner stator 3 in a simple manner. Due to the deformability of the drive circuit 10, this can be easily bent and simply pushed into the cavity of the inner stator 3. Depending on the deformation that has been carried out, the deformed carrier material 1 1 attempts to retake its original shape and thus fits into the cavity of the inner stator 3. For example, the driving circuit 10 after its insertion with the side of the outer surface of the recess 7 abut, which is opposite to the side which is equipped with the electronic components 12.
  • the inner surface of the cavity may be provided with an insulating body 13 of electrically insulating material.
  • This insulating material may be a suitable coating on the lateral surface of the recess or an insulating sleeve in the inner stator 3, which is inserted into the recess 7 before insertion of the drive circuit 10.
  • This insulating body 13 can also accommodate attachments as part of the drive circuit 10, such as connectors, shaft bearings, heatsink, electrical line elements and Greierloche that can be connected to the drive circuit 10.
  • the Kunststoffierloche on the insulating body 13 can also be used to hook winding wires or make electrical contacts between windings and the drive circuit 10.
  • a highly elastic, non-conductive gel can be introduced as soft potting, for example silicone, to encapsulate the drive circuit 10 hermetically in the inner stator 3 and to improve the heat dissipation.
  • covers may be provided to close the recess 7 on one side or on two sides.
  • one or both of the covers may be provided with a feed opening through which one or more of the supply lines are routed.
  • a fixing of the drive circuit by means of holding elements, such as snap hooks, ribs and beads, by means of injection molding, can be made possible by clipping or buttoning in the insulating body 13.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (1) umfassend: - eine elektrische Maschine (2) mit einem Innenstator (3) und einem Außenläufer (4), die koaxial zueinander angeordnet sind; - eine Ansteuerschaltung (10), die mit einer Wicklung des Innenstators (3) verbunden ist, um ein durch Ansteuern der Wicklung den Außenläufer (4) anzutreiben, wobei die Ansteuerschaltung (10) in einer Ausnehmung (7) des Innenstators (3) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Anordnung einer Ansteuerschaltung in einer elektrischen Maschine Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft rotatorische elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, die mit Hilfe einer Ansteuerschaltung betrieben werden.
Stand der Technik
Rotatorische Elektromotoren werden häufig mit Hilfe von Ansteuerschaltungen angesteuert bzw. betrieben. Die Ansteuerschaltungen stellen beispielsweise als Ansteuerspannungen eine pulsweitenmodulierte Spannung bzw. eine oder mehrere Phasenspannungen bereit. Die Ansteuerspannungen werden in der Regel mit Hilfe einer geeigneten Treiberschaltung, wie beispielsweise einer H- Brückenschaltung oder einer B6-Schaltung, als Wechselspannungssignale generiert.
Die Ansteuerschaltungen sind üblicherweise als separate Aufbauten oder als integrierte Einheiten an dem Elektromotor oder von diesem separiert angeordnet. Zum Verbinden der Elektromotoren mit den Ansteuerschaltungen werden sowohl Stanzgitter als auch Leiterplatten eingesetzt, die mit den Motoranschlüssen, die eine elektrische Kontaktierung der Motorwicklung ermöglichen, in Verbindung stehen.
Die Anordnung der Ansteuerschaltung an dem Motor erfordert üblicherweise besondere bauliche Maßnahmen, um zu vermeiden, dass die Ansteuerschaltung Umwelteinflüssen ausgesetzt ist. Insbesondere müssen geeignete Gehäuse und Kapselungen vorgesehen sein, mit denen die Ansteuerschaltung geschützt werden sollen.
Weiterhin sind an dem Elektromotor angeordnete Ansteuerschaltungen häufig starken Vibrationen ausgesetzt, die eine geeignete die Vibrationen dämpfende Halterung der Ansteuerschaltung bzw. eine geeignete Kapselung der Ansteuerschaltung erforderlich machen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung aus einer elektrischen Maschine und einer Ansteuerschaltung zur Verfügung zu stellen, bei der die Ansteuerschaltung gegen Umwelteinflüssen geschützt und kompakt, d.h. ohne zusätzlichen Raumbedarf angeordnet ist und weiterhin trotz der Anordnung an der elektrischen Maschine weniger Vibrationen ausgesetzt ist. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung einer solchen Anordnung zu vereinfachen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgaben werden durch die Anordnung gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Anordnung vorgesehen, die eine elektrische Maschine mit einem Innenstator und einem Außenläufer, die koaxial zueinander angeordnet sind, und eine Ansteuerschaltung umfasst, die mit einer Wicklung des Innenstators verbunden ist, um ein durch Ansteuern der Wicklung den Außenläufer anzutreiben. Die Ansteuerschaltung ist in einer Ausnehmung des Innenstators angeordnet.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, eine Ansteuerschaltung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, in einer Ausnehmung des Elektromotors, insbesondere im Inneren eines Stators eines Außenläufermotors, vorzusehen. Dies ermöglicht eine raumsparende Unterbringung der Ansteuer- Schaltung und zudem einen Schutz der Ansteuerschaltung vor Umwelteinflüssen. Weiterhin sind Vibrationen der Ansteuerschaltung deutlich reduziert, da die Ansteuerschaltung näher an der Drehachse der elektrischen Maschine angeordnet ist und somit Einwirkungen durch eine Unwucht bedingte Vibrationen verringert sind.
Weiterhin kann die Ansteuerschaltung mit Versorgungsleitungen verbunden sein, um eine Versorgungsspannung zu empfangen, und wobei ein Wechselspannungssignal zum Anlegen an die Wicklung bereitzustellen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ansteuerschaltung auf einem Trägermaterial ausgebildet sein, das eine gekrümmte Leiterplatte bildet.
Um die Ansteuerschaltung in diesen Bereich einzupassen, sollte das Trägermaterial gekrümmt oder biegsam ausgebildet sein, um sich so einer Krümmung einer Innenwand der Ausnehmung in dem Elektromotor anpassen zu können und um insbesondere die Fertigung einer derartigen Motoranordnung zu vereinfachen.
Weiterhin kann die Ansteuerschaltung auf einem flexiblen Trägermaterial ausgebildet sein, so dass die Ansteuerschaltung so verformbar ist, dass sie in einem verformten Zustand in die Ausnehmung einsetzbar ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Trägermaterial der Ansteuerschaltung ausgebildet ist, um nach einem Verformen in einen unverformten Zustand zurückzugehen, so dass nach einem Einsetzen der Ansteuerschaltung in die Ausnehmung diese an einer Innenwand der Ausnehmung anliegt.
Um Kurzschlüsse mit oder in der Ansteuerschaltung zu vermeiden, kann ein Isolierelement vorgesehen sein, das zwischen der Ansteuerschaltung und einer Innenwand der Ausnehmung angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auf einer Innenwand der Ausnehmung ein elektrisch isolierendes Material aufgebracht sein.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Ausnehmung den Innenstator in axialer Richtung durchdringen. Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zur Herstellung der obigen Anordnung vorgesehen, wobei die Ansteuerschaltung in die Ausnehmung des Innenstators eingesetzt wird. Insbesondere kann die Ansteuerschaltung vor dem Einsetzen in die Ausnehmung des Innenstators verformt werden.
Beschreibung von Ausführungsformen
Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch eine Motoranordnung 1 mit einem Außenläufer-Elektromotor 2 als eine elektrische Maschine. Der Außen läufer- Elektromotor 2 umfasst einen Innenstator 3 und einen Außenläufer 4, die koaxial zueinander bezüglich einer Motorwelle 1 1 angeordnet sind. Der Innenstator 3 ist ortsfest befestigt, während der Außenläufer 4 mit der Motorwelle 1 1 verbunden ist, um diese anzutreiben. Der gezeigte Elektromotor 2 ist als Synchronmotor ausgebildet, wobei der Innenstator 3 eine Statorwicklung 5 trägt, die um ein magnetisch aktives Material 6 angeordnet ist. Die Außenfläche des magnetisch aktiven Materials 6 ist im Wesentlichen mantelförmig mit kreisförmigen Querschnitt, so dass der Innenstator 3 einen Kreiszylinder bildet.
Der Außenläufer 4 ist koaxial zu dem Innenstator 3 drehbar angeordnet. Der Außenläufer 4 ist mit Permanentmagneten 8 als Läuferpole versehen, die an einem koaxialen kreiszylindrischen Poltopf 9 angeordnet sind. Der Innenstator 3 weist weiterhin eine konzentrische, kreiszylindrische Ausnehmung 7 auf, die einen Hohlraum in dem Innenstator 3 bildet. Die Ausnehmung 7 kann durchgängig in dem Innenstator 3 ausgebildet sein, so dass der Innenstator 3 einen beidseitig offenen Hohlzylinder bildet. Alternativ kann die Ausnehmung 7 in dem Innenstator 3 einen einseitig geschlossenen Hohlzylinder bilden.
Es ist eine Ansteuerschaltung 10 vorgesehen, die auf einem Trägermaterial 1 1 ausgebildet ist, die als Leiterplatte dient. Auf dem Trägermaterial 1 1 sind Elektronikbauteile 12 zur Realisierung der Ansteuerschaltung 10 vorgesehen. Die Elektronikbauteile 12 können alle elektronisch aktiven Bauelemente umfassen, wie beispielsweise Leistungstransistoren, Kapazitäten, Induktivitäten und dergleichen. Beispielsweise kann eine solche Ansteuerschaltung eine oder mehrere H- Brücken oder bei Synchronmotoren eine B6-Inverterschaltung umfassen, um die Motorströme zu generieren.
Um die Ansteuerschaltung 10 in der Ausnehmung 7 des Innenstators 3 anzuordnen, ist es zweckmäßig, das Trägermaterial 1 1 mit einer Krümmung zu versehen, so dass es sich der Außenkontur der Ausnehmung 7 anpasst. Wenn die Außenkontur der Ausnehmung zylinderförmig ist, kann vorgesehen sein, dass die Elektronikbauteile 12 dann beispielsweise radial von dem Trägermaterial 1 1 nach innen abstehen. Auf diese Weise lässt sich die Fläche auf dem Trägermaterial 1 1 zur Anordnung von Elektronikbauteile 12 vergrößern und Bauraum gewinnen.
Das Trägermaterial 1 1 der Ansteuerschaltung 10 kann aus identischen oder unterschiedlichen Materialschichten bestehen, vorzugsweise aus Polyimid oder Polyamid, Epoxid oder anderen Materialien oder deren Kombinationen.
Weiterhin kann das Trägermaterial 1 1 flexibel ausgebildet sein, so dass eine Verformbarkeit der Ansteuerschaltung 1 1 gewährleistet ist. So kann das Trägermaterial 1 1 elastisch vorgesehen sein. Auch können in dem Trägermaterial 1 1 neben elastischen auch starre Anteile, z.B. aus Standard-FR4-Material, möglich sein, so dass das Trägermaterial 1 1 als eine Verbindung von Leiterplatten, Stanzgittern und einer Flexfolie ausgebildet sein kann.
Die dadurch erreichte Verformbarkeit der aus dem Trägermaterial 1 1 geformten Leiterplatten ermöglicht es, die Ansteuerschaltung 10 in ihrer Form so zu verändern, dass sie in einfacher Weise in die Ausnehmung 7 des Innenstators 3 eingebracht werden kann. Durch die Verformbarkeit der Ansteuerschaltung 10 kann diese leicht gebogen werden und einfach in den Hohlraum des Innenstators 3 hineingeschoben werden. Je nach vorgenommener Verformung versucht das deformierte Trägermaterial 1 1 , seine ursprüngliche Form wieder einzunehmen und passt sich somit in den Hohlraum des Innenstators 3 ein. Beispielsweise kann die Ansteuerschaltung 10 nach ihrem Einsetzen mit der Seite an der Mantelfläche der Ausnehmung 7 anliegen, die der Seite gegenüberliegt, die mit den Elektronikbauteilen 12 bestückt ist. Um die Ansteuerschaltung 10 ausreichend von dem Material des Innenstators 3 zu isolieren, insbesondere wenn der Innenstator 3 bzw. dessen magnetisch akti- ves Material leitfähig ist, wie beispielsweise aus Eisen, kann die Innenfläche des Hohlraums mit einem Isolierkörper 13 aus elektrisch isolierenden Material versehen sein. Dieses isolierende Material kann eine geeignete Beschichtung auf der Mantelfläche der Ausnehmung oder eine isolierende Hülse in dem Innenstator 3 sein, die vor dem Einsetzen der Ansteuerschaltung 10 in die Ausnehmung 7 eingesetzt wird.
Dieser Isolierkörper 13 kann auch Anbauteile als Teil der Ansteuerschaltung 10 aufnehmen, wie beispielsweise Steckverbinder, Wellenlager, Kühlkörper, elektrische Leitungselemente sowie Kontaktierstifte, die mit der Ansteuerschaltung 10 verbunden werden können.
Die Kontaktierstifte an dem Isolierkörper 13 können auch verwendet werden, um Wicklungsdrähte anzuhaken oder elektrische Kontaktierungen zwischen Wicklungen und der Ansteuerschaltung 10 herzustellen. In die Ausnehmung 7 kann nach dem Einbringen der Ansteuerschaltung 10 ein hochelastisches, nicht leitfähiges Gel als Weichverguss eingebracht werden, beispielsweise Silikon, um die Ansteuerschaltung 10 hermetisch in dem Innenstator 3 zu kapseln und die Wärmeabfuhr zu verbessern.
Alternativ oder zusätzlich können auch Abdeckungen vorgesehen sein, um die Ausnehmung 7 einseitig oder zweiseitig zu verschließen. Zur Zuführung der Versorgungsleitungen kann eine oder beide der Abdeckungen mit einer Zuführungsöffnung versehen sein, durch die eine oder mehrere der Versorgungsleitungen geführt werden.
Alternativ kann bei einer nicht hermetischen Kapselung eine Fixierung der Ansteuerschaltung mittels durch ein Spritzgussverfahren angebrachter Halteelemente wie Schnapphaken, Rippen und Sicken durch Einklipsen oder Einknöpfen in dem Isolierkörper 13 ermöglicht werden.

Claims

Ansprüche
1 . Anordnung (1 ) umfassend:
- eine elektrische Maschine (2) mit einem Innenstator (3) und einem Außenläufer (4), die koaxial zueinander angeordnet sind;
- eine Ansteuerschaltung (10), die mit einer Wicklung des Innenstators (3) verbunden ist, um ein durch Ansteuern der Wicklung den Außenläufer (4) anzutreiben,
wobei die Ansteuerschaltung (10) in einer Ausnehmung (7) des Innenstators (3) angeordnet ist.
2. Anordnung (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Ansteuerschaltung (10) mit Versorgungsleitungen verbunden ist, um eine Versorgungsspannung zu empfangen, und wobei ein Wechselspannungssignal zum Anlegen an die Wicklung bereitzustellen.
3. Anordnung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ansteuerschaltung (10) auf einem Trägermaterial (1 1 ) ausgebildet ist, das eine gekrümmte Leiterplatte bildet.
4. Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ansteuerschaltung (10) auf einem flexiblen Trägermaterial (1 1 ) ausgebildet ist, so dass die Ansteuerschaltung (10) so verformbar ist, dass sie in einem verformten Zustand in die Ausnehmung (7) einsetzbar ist.
5. Anordnung (1 ) nach Anspruch 4, wobei das Trägermaterial (1 1 ) der Ansteuerschaltung (10) ausgebildet ist, um nach einem Verformen in einen unver- formten Zustand zurückzugehen, so dass nach einem Einsetzen der Ansteuerschaltung in die Ausnehmung (7) diese an einer Innenwand der Ausnehmung (7) anliegt.
6. Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Isolierelement (13) vorgesehen ist, das zwischen der Ansteuerschaltung (10) und einer Innenwand der Ausnehmung (7) angeordnet ist.
7. Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei auf einer Innenwand der Ausnehmung (7) ein elektrisch isolierendes Material aufgebracht ist.
8. Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ausnehmung (7) den Innenstator (3) in axialer Richtung durchdringt.
9. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Ansteuerschaltung (10) in die Ausnehmung (7) des Innenstators (3) eingesetzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Ansteuerschaltung (10) vor dem Einsetzen in die Ausnehmung (7) des Innenstators (3) verformt wird.
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