Bezeichnung der Erfindung

ELEKTRONISCH KOMMUTIERTξR SCHEIBENLAUFERMOTOR MIT EINER VIELZAHL VON LEITERSCHICHTEN UMFASSENDEN VERBUNDPLATINEN

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Elektromotor, welcher einen permanentmagnetbestückten Rotor sowie einen in Multilay- er-Technik aufgebauten Stator aufweist.

Hintergrund der Erfindung

Aus der EP 0 374 805 B1 ist ein elektronisch kommutierter Synchronnnotorantrieb bekannt, welcher einen Wicklungs-Multilayer aufweist, der laminar in vier Lagen, nämlich drei Wicklungsphasen sowie eine Lage für eine SMD- Schaltung, unterteilt ist. Die in Multilayer-Technologie hergestellten Wicklun- gen können beispielsweise als 8-polige 5-Phasen-Evolventenwicklung oder als 12-polige 3-Phasen-Spiralwicklung ausgebildet sein. In jedem Fall sind bei dem aus der EP 0 374 805 B1 bekannten Elektromotor radial außenliegende, nicht drehmomentbildende Leiterbahnen außerhalb des magnetischen Luftspaltfelds verbreitert, während die Breite der in das Luftspaltfeld eintauchenden Leiter- bahnen im Wesentlichen konstant ist. Damit soll bei vertretbarem Herstellungsaufwand ein guter Rundlauf erzielbar sein.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen rotativen, elektronisch kommutierten Antrieb mit einem besonders günstigen Bauraum-Leistungs- Verhältnis bereitzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb eines Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Vorrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.

Der Motor ist als bürstenloser, elektronisch kommutierter Elektromotor ausge- bildet, welcher einen permanentmagnetbestückten Rotor sowie einen bestrom- bare Wicklungen aufweisenden Stator umfasst. Der Stator ist als Verbundplatine, das heißt in Multilayer-Technologie, aufgebaut, wobei mindestens 16 Leiterschichten die Wicklungen des Motors bilden. Die einzelnen Wicklungen weisen gerade Leiterabschnitte auf, welche sich in radialer Richtung des Elektro- motors erstrecken, wobei zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten derartigen Leiterabschnitten keilförmige Zwischenräume gebildet sind.

Die einzelnen Permanentmagnete des Rotors weisen in vorteilhafter Ausgestaltung eine trapezartige Grundform auf, womit eine besonders gute Flächen- und Volumenausnutzung erzielbar ist. Unabhängig von der genauen Geometrie der Permanentmagnete sind diese vorzugsweise aus seltenen Erden gefertigt. Beispielhaft sind Neodym-Eisen-Bor-Magnete zu nennen.

Jede Leiterschicht des Stators ist in bevorzugter Ausgestaltung zu mindestens 70 % mit Leitermaterial, insbesondere Kupfer, belegt. Der Leitermaterial-

Flächenfüll-Faktor beträgt somit mindestens 0,7. Bezogen auf den Rauminhalt der gesamten Verbundplatine nimmt das Leitermaterial bevorzugt ein Volumen von mindestens 30 % ein. Der entsprechende Wert 0,3 wird auch als Leiterma- terial-Volumenfüll-Faktor bezeichnet. Der Massenanteil des Leitermaterials an der Verbundplatine beträgt vorzugsweise mindestens 2/3. Jede Leiterschicht weist in bevorzugter Ausgestaltung eine Dicke von mindestens 70 μm auf.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise in grob schematisierter Darstellung:

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 im Querschnitt einen elektronisch kommutierten E- lektromotor,

Figur 2 den Schichtaufbau des Stators des Elektromotors nach Figur 1 ,

Figur 3 Konturen von Permanentmagneten des Rotors des

Elektromotors nach Figur 1 ,

Figur 4 ausschnittsweise Wicklungen des Elektromotors nach Figur 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Ein in Figur 1 stark vereinfacht und nicht maßstäblich dargestellter Elektromotor 1 weist einen bestrombare Wicklungen 2 tragenden Stator 3 sowie einen mit einer Welle 4 verbundenen Rotor 5 auf, welcher mit Permanentmagneten 6 bestückt ist. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktionsweise des als rotativer Syn- chronmotor arbeitenden, als Scheibenläufer ausgebildeten bürstenlosen Elektromotors 1 wird beispielhaft auf die EP 0 152 508 B1 verwiesen.

Der eisenlose Stator 3 des Elektromotors 1 ist in Multilayer-Technologie aufgebaut, wie im Folgenden anhand Figur 2 näher erläutert wird. Trägerschichten 7 aus einem isolierenden Prepreg-Material sind beidseitig mit einer Leiterschicht

8 aus Kupfer mit einer Stärke von 70 μm beschichtet. Insgesamt 10 solcher jeweils aus einer Trägerschicht 7 und zwei Leiterschichten 8 gebildeten Lagen

9 sind jeweils durch eine Zwischenschicht 10, beispielsweise aus dem Leiter-

plattenmaterial FR4, voneinander getrennt. Die Zwischenschichten 10 haben die gleiche Dicke wie die Trägerschichten 7, nämlich 100 μm. Der Stator 3 um- fasst somit 20 Leiterschichten 8. Die durch die Lage der Welle 4 gegebene axiale Richtung des Rotors 5 und damit des gesamten Elektromotors 1 ist in den Figuren 1 und 2 mit A bezeichnet.

In Figur 3 ist eine Einzelheit des Rotors 5 anhand von zwei einzelnen Permanentmagneten 6 veranschaulicht. Jeder Permanentmagnet 6 weist in Draufsicht, das heißt in axialer Blickrichtung, die Grundform eines Trapezes auf, so dass die auf dem Rotor 5 für die Anordnung der Permanentmagnete 6 zur Verfügung stehende ringförmige Fläche gleichmäßig ausgenutzt ist. Der in Figur 3 mit R bezeichnete Pfeil kennzeichnet die radiale Richtung des Elektromotors 1.

Eine einzelne durch eine Leiterschicht 8 gebildete Wicklung 2 weist, wie in Figur 4 erkennbar, ebenfalls die Grundform eines Trapezes auf. Einzelne Leiterabschnitte 11 der Wicklung 2 verlaufen exakt in radialer Richtung R. Die radialen Leiterabschnitte 11 sowie diese verbindende, im Wesentlichen in tangentialer Richtung verlaufende Leiterabschnitte 12 bilden insgesamt 10 Windungen 13, welche die Trapezfläche, auf der sich die Wicklung 2 befindet, größtenteils ausfüllen. Die in Figur 4 ausschnittsweise dargestellte Schicht, in welcher sich die als aufgewachsenes Dickkupfer ausgebildete Leiterschicht 8 befindet, ist zu mindestens 70 % von Leitermaterial bedeckt. Bezogen auf das gesamte Volumen des als Multilayer-Bauteil ausgebildeten Stator 3 nimmt das Leitermaterial einen Anteil von mindestens 30 % ein. Der Massenanteil des Leitermaterials an der Gesamtmasse des Stators 3 beträgt mindestens 2/3. Auf das Volumen des Stators 3 bezogen ist mit dem Elektromotor 1 eine Kraft von mindestens 4 N/cm ³ erzeugbar.

Die in tangentialer Richtung verlaufenden Leiterabschnitte 12 haben im Aus- führungsbeispiel eine leicht abgeknickte Form, könnten jedoch abweichend hiervon auch kreisbogenförmig gestaltet sein. Die in radialer Richtung R verlaufenden Leiterabschnitte 11 sind in jedem Fall nicht gekrümmt. Jeweils zwischen zwei in Umfangshchtung benachbarten radialen Leiterabschnitten 11 ist

ein keilförmiger Zwischenraum 14 gebildet. Dieser ist derart gemessen, dass im radial inneren Bereich der Wicklung 2 noch ein ausreichender Isolationsabstand zwischen den Leiterabschnitten 11 gegeben ist. Jeder Leiterabschnitt 11 weist eine über seine gesamte Länge konstante Breite auf. Die Breite der ra- dialen Leiterabschnitte 11 stimmt mit der Breite der tangentialen Leiterabschnitte 12 überein. Ein gerader Leiterabschnitt 11 der äußersten Windung 13 weist eine Länge auf, die der gesamten radialen Erstreckung der Windung 13 entspricht. Damit wird der in der Leiterschicht 8 zur Verfügung stehende Raum optimal für Leiterabschnitte 11 , welche zur Erzeugung eines Drehmoments beitragen, genutzt.

Bezugszeichen

1 Elektromotor

2 Wicklung

3 Stator

4 Welle

5 Rotor

6 Permanentmagnet

7 Trägerschicht

8 Leiterschicht

9 Lage

10 Zwischenschicht

11 Leiterabschnitt

12 Leiterabschnitt

13 Windung

14 Zwischenraum

A axiale Richtung

R radiale Richtung