WO2009068079A1 - Elektronisch kommutierter scheibenläufermotor mit einer vielzahl von leiterschichten umfassenden verbundplatinen - Google Patents
Elektronisch kommutierter scheibenläufermotor mit einer vielzahl von leiterschichten umfassenden verbundplatinen Download PDFInfo
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- H02K1/2795—Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
Definitions
- the invention relates to a brushless, electronically commutated electric motor which has a permanent magnet-tipped rotor and a stator constructed in multilayer technology.
- EP 0 374 805 B1 discloses an electronically commutated synchronous motor drive which has a winding multilayer which is laminarly subdivided into four layers, namely three winding phases and one position for an SMD circuit.
- the windings produced using multilayer technology can be designed, for example, as an 8-pole 5-phase involute winding or as a 12-pole 3-phase spiral winding.
- radially outer, non-torque-forming interconnects are broadened outside the magnetic air gap field, while the width of the interconnects immersed in the air-gap field is substantially constant. This should be achievable at reasonable production cost a good concentricity.
- the invention has for its object to provide a rotary, electronically commutated drive with a particularly favorable space-power ratio. Summary of the invention
- the motor is designed as a brushless, electronically commutated electric motor, which comprises a permanent magnet-equipped rotor and a stator which can be supplied with windings.
- the stator is designed as a composite board, that is in multilayer technology, with at least 16 conductor layers forming the windings of the motor.
- the individual windings have straight conductor sections, which extend in the radial direction of the electric motor, wherein wedge-shaped intermediate spaces are formed between two circumferentially adjacent such conductor sections.
- the individual permanent magnets of the rotor have in an advantageous embodiment, a trapezoidal basic shape, whereby a particularly good surface and volume utilization can be achieved. Regardless of the exact geometry of the permanent magnets, these are preferably made of rare earths. Examples include neodymium-iron-boron magnets.
- Each conductor layer of the stator is in a preferred embodiment at least 70% coated with conductor material, in particular copper.
- the conductor material in particular copper.
- Area filling factor is thus at least 0.7.
- the conductor material preferably occupies a volume of at least 30%.
- the corresponding value 0.3 is also referred to as conductor material volume filling factor.
- the mass fraction of the conductor material on the composite board is preferably at least 2/3.
- Each conductor layer in a preferred embodiment, has a thickness of at least 70 ⁇ m.
- FIG. 2 shows the layer structure of the stator of the electric motor according to FIG. 1,
- FIG. 3 shows contours of permanent magnets of the rotor of FIG
- FIG. 4 shows partial windings of the electric motor according to FIG. 1.
- electric motor 1 has a bestrombare windings 2 supporting stator 3 and connected to a shaft 4 rotor 5, which is equipped with permanent magnets 6.
- a shaft 4 rotor 5 which is equipped with permanent magnets 6.
- the basic mode of operation of the brushless electric motor 1 operating as a rotary synchronous motor and designed as a disk rotor reference is made by way of example to EP 0 152 508 B1.
- the ironless stator 3 of the electric motor 1 is constructed in multilayer technology, as will be explained in more detail below with reference to FIG.
- Carrier layers 7 made of an insulating prepreg material are on both sides with a conductor layer
- the stator 3 thus comprises 20 conductor layers 8.
- the axial direction of the rotor 5 given by the position of the shaft 4 and thus of the entire electric motor 1 is designated A in FIGS. 1 and 2.
- FIG. 3 illustrates a detail of the rotor 5 on the basis of two individual permanent magnets 6.
- Each permanent magnet 6 has in plan view, that is, in the axial direction, the basic shape of a trapezoid, so that the available on the rotor 5 for the arrangement of the permanent magnets 6 annular surface is used evenly.
- the arrow labeled R in FIG. 3 indicates the radial direction of the electric motor 1.
- a single winding 2 formed by a conductor layer 8 also has the basic shape of a trapezoid.
- Individual conductor sections 11 of the winding 2 extend exactly in the radial direction R.
- the radial conductor sections 11 and connecting them, extending substantially in the tangential direction conductor sections 12 form a total of 10 turns 13, which fill the trapezoidal surface on which the winding 2 is located for the most part.
- the layer shown in fragmentary form in FIG. 4, in which the conductor layer 8 formed as a grown-up thick copper, is at least 70% covered by conductor material.
- the conductor material occupies a proportion of at least 30%.
- the mass fraction of the conductor material on the total mass of the stator 3 is at least 2/3.
- a force of at least 4 N / cm 3 can be generated with the electric motor 1.
- the conductor sections 12 running in the tangential direction have a slightly bent shape, but, deviating from this, they could also have a circular arc shape.
- the extending in the radial direction R conductor sections 11 are not curved in any case.
- Each between two circumferentially adjacent radial conductor sections 11 a wedge-shaped gap 14 is formed. This is measured such that in the radially inner region of the winding 2 is still given a sufficient isolation distance between the conductor sections 11.
- Each conductor section 11 has a constant width over its entire length.
- the width of the radial conductor sections 11 coincides with the width of the tangential conductor sections 12.
- a straight conductor section 11 of the outermost turn 13 has a length which corresponds to the entire radial extent of the turn 13.
- the space available in the conductor layer 8 is optimally utilized for conductor sections 11 which contribute to the generation of a torque.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Windings For Motors And Generators (AREA)
Abstract
Elektronisch kommutierter Elektromotor (1), mit einem permanentmagnetbestückten Rotor (5) und einem bestrombare Wicklungen (2) aufweisenden Stator (3), welcher als Verbundplatine mit mehreren die Wicklungen (2) bildenden Leiterschichten (8) aufgebaut ist, wobei die Anzahl der Leiterschichten (8) mindestens 16 beträgt und die Wicklungen (2) Leiterabschnitte (11, 12) aufweisen, welche sich in radialer Richtung (R) des Rotors (5) erstrecken, wobei zwischen zwei benachbarten Leiterabschnitten (11, 12) keilförmige Zwischenräume (14) gebildet sind.
Description
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/cm3 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
Claims
1. Elektronisch kommutierter Elektromotor (1 ), mit einem permanentmagnetbestückten Rotor (5) und einem bestrombare Wicklungen (2) aufwei- senden Stator (3), welcher als Verbundplatine mit mehreren die Wicklungen (2) bildenden Leiterschichten (8) aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Leiterschichten (8) mindestens 16 beträgt und die Wicklungen (2) Leiterabschnitte (11 , 12) aufweisen, welche sich in radialer Richtung (R) des Rotors (5) erstrecken, wobei zwi- sehen benachbarten Leiterabschnitten (11 , 12) keilförmige Zwischenräume (14) gebildet sind.
2. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) mit trapezförmigen Permanentmagneten (6) bestückt ist.
3. Elektromotor (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) mit Seltenerdmagneten (6) bestückt ist.
4. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens 70 % der Fläche einer Leiterschicht (8) mit
Leitermaterial bedeckt ist.
5. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leiterschicht (8) mindestens 70 μm dick ist.
6. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 30 % des Volumens der Verbundplatine (2, 3) mit Leitermaterial ausgefüllt ist.
7. Elektromotor (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Massenanteil des Leitermaterials an der Verbundplatine (2, 3) mindestens 2/3 beträgt.
8. Verfahren zum Betrieb eines elektronisch kommutierten Elektromotors (1 ), welcher einen permanentmagnetbestückten Rotor (5) sowie einen bestrombaren, mindestens 16 Leiterschichten (8) umfassenden Stator (2, 3) aufweist, wobei eine auf das Volumen des Stators (3) bezogene Kraft von mindestens 4 N/cm3 erzeugt wird.
Priority Applications (1)
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Publications (1)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 07847387 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 07847387 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |