WO2023147809A1

WO2023147809A1 - Elektromotor mit leiterplattenwicklung

Info

Publication number: WO2023147809A1
Application number: PCT/DE2023/100028
Authority: WO
Inventors: Jörg KEGELER; Karsten Feindt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2022-02-04
Filing date: 2023-01-17
Publication date: 2023-08-10
Also published as: DE102022102653A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen 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) mit mehreren Zähnen (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 eine erste Querschnittsfläche der ersten Wicklungsleiter (11) kleiner ist als eine zweite Querschnittsfläche der zweiten Wicklungsleiter (13, 14, 15).

Description

Elektromotor mit Leiterplattenwicklung

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.

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.

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.

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.

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.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die A u f g a b e , den Wirkungsgrad eines Elektromotors mit Leiterplattenwicklung zu steigern, ohne den Aufwand für die Fertigung des Elektromotors zu erhöhen.

Zur L ö s 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 eine erste Querschnittsfläche der ersten Wicklungsleiter kleiner ist als eine zweite Querschnittsfläche der zweiten Wicklungsleiter.

Bei diesem 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. 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.

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.

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.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass 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. Bei einem derartigen 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 einem derartigen 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.

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.

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.

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, besonders bevorzugt im Bereich 1 ,0 mm bis 1 ,7 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.

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 1,0 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.

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.

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.

Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Elektromotor ein Linearmotor und der Läufer ist gegenüber dem Stator linear bewegbar.

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.

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.

Der Läufer ist bevorzugt plattenförmig bzw. scheibenförmig ausgestaltet.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Antriebsmodul zum Bewegen eines Gelenkarms eines Industrieroboters mit einem als Axialflussmotor ausgebildeten Elektromotor. Bei dem Antriebsmodul können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit der elektrischen Axialflussmaschine beschrieben worden sind.

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

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Elektromotors in einer schematischen Schnittdarstellung;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Elektromotors in einer schematischen Schnittdarstellung;

Fig. 3 ein Detail eines Stators eines dritten Ausführungsbeispiels eines Elektromotors in einer schematischen Schnittdarstellung;

Fig. 4 ein Industrieroboter mit einem Antriebsmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung der magnetischen Flussdichte des Erregerfelds eines Elektromotors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel.

In der Fig. 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 Fig. 1 nicht dargestellte Drehachse drehbar ist. Eine Bewegungsrichtung R entspricht einer Umfangsrichtung des Elektromotors 1 , die konzentrisch zur Drehachse des Läufers 3 angeordnet ist.

Alternativ ist es denkbar, dass der in Fig. 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.

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 Fig. 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.

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 Fig 1 mit dem Bezugszeichen D4 gekennzeichnet. Die Darstellung Fig. 1 zeigt, dass ein Zahn- Abstand D5 zwischen den Zähnen 6 des Statorkerns 4 kleiner ist als dieser Polabstand D4 des Läufers.

Um den Wirkungsgrad zu steigern, ohne den Aufwand für die Fertigung des Elektromotors zu erhöhen, sind bei dem Elektromotor 1 nach Fig. 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.

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.

In der Fig. 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 Fig. 1 auf beide Statoren 2, 2‘ des zweiten Ausführungsbeispiels zutreffen.

Die Darstellung in Fig. 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. Fig. 1 - oder in Doppelstatorbauweise - vgl. Fig. 2 - ausgestaltet und entweder als Axialflussmotor oder Linearmotor ausgebildet sein.

Bei dem Elektromotor 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel kann, wie bei den Elektromotoren gemäß Fig. 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 Fig. 3 gezeigten Linie 6.1 und es wird auf die Ausführungen zur Fig. 1 und Fig. 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 Fig. 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.

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 Fig. 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.

Um den Wirkungsgrad zu steigern, ohne den Aufwand für die Fertigung des Elektromotors zu erhöhen, sind bei dem Elektromotor 1 nach Fig. 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.

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.

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.

Gemäß einer Abwandlung der in Fig. 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.

Die Darstellung in Fig. 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.

In Fig. 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 Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels geltend gleichermaßen für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 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 Fig. 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.

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.

Bezugszeichenliste

1 Elektromotor

2, 2‘ Stator

3 Läufer

4, 4‘ Statorkern

5, 5‘ Rückschlussabschnitt

6, 6‘ Zahn

6.1 , 6.1‘ freies Ende

7, T Leiterplattenwicklung

8 Grundkörper

9 Permanentmagnet

11 erster Wicklungsleiter

12 weiterer Wicklungsleiter

13, 14, 15 zweiter Wicklungsleiter

16 Leiterplatte

100 Antriebsmodul

200 Industrieroboter

201 Gelenkarm

B magnetische Flussdichte

B1, B2 Querschnittsbreite

D1 Leiterplatte-Läufer-Abstand

D2 Zahn-Läufer-Abstand

D3 Abstands-Differenz

D4 Polabstand

D5 Zahn-Abstand

H Querschnittshöhe

R Bewegungsrichtung

Claims

Patentansprüche 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) mit mehreren Zähnen (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 eine erste Querschnittsfläche der ersten Wicklungsleiter (11) kleiner ist als eine zweite Querschnittsfläche der zweiten Wicklungsleiter (13, 14, 15). Elektromotor (1) nach Anspruch 1, 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). 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. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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) kleiner ist als ein Wicklungsleiter-Läufer-Abstand (D1) zwischen den ersten Wicklungsleitern (11) der ersten Lage und dem Läufer (3). 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). 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, besonders bevorzugt im Bereich 1 ,0 mm bis 1 ,7 mm, beispielsweise 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 0,8 mm liegt. 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. 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. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (3) einen Grundkörper (8) und in dem Grundkörper (8) eingelassene Permanentmagnete (9) aufweist, wobei die Permanentmagnete (9) eine Magnetisierung in der Bewegungsrichtung (R) des Läufers (3) aufweisen. Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer einen Grundkörper und an dem Grundkörper angeordnete Permanentmagnete aufweist, wobei die Permanentmagnete eine Magnetisierung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Läufers aufweisen. Antriebsmodul (100) zum Bewegen eines Gelenkarms (201) eines Industrieroboters (200) mit einem als Axialflussmotor ausgebildeten Elektromotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.