DE102017212808A1

DE102017212808A1 - Mehrschichtspule, Antriebselement und Planarantriebssystem, sowie Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtspule

Info

Publication number: DE102017212808A1
Application number: DE102017212808.9A
Authority: DE
Inventors: Anton Paweletz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-26
Filing date: 2017-07-26
Publication date: 2019-01-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mehrschichtspule (10) für ein Antriebselement eines Planarantriebssystems, aufweisend eine Mehrzahl von Spulen (12), wobei die Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) miteinander elektrisch verbunden sind, wobei jede Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) zumindest zwei Windungen aus einem elektrischen Leiter (14) aufweist, wobei die zumindest zwei Windungen durch ein wärmeleitfähiges Isolationsmaterial (42) miteinander derart mechanisch starr verbunden sind, dass die Spulen (12) selbsttragend ausgebildet sind, und wobei jede Spule (12) der Mehrzahl von Spulen (12) jeweils in einer separaten Schicht (124a, 124b, 124m, 124n) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Antriebselement und ein Planarantriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Mehrschichtspule (10), sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtspule (10).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrschichtspule für ein Antriebselement, insbesondere einen Stator, eines Planarantriebssystems, insbesondere mit magnetischer Levitation, sowie ein Antriebselement für ein Planarantriebssystem und ein Planarantriebssystem mit einer erfindungsgemäßen Mehrschichtspule. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtspule. Die Erfindung liegt somit auf dem Gebiet der Planarantriebe sowie von Levitationsvorrichtungen und von planaren, permanenterregten Synchronmaschinen.
Stand der Technik
Planare, elektrische Antriebsysteme sind oftmals als magnetisch levitierende, elektrische Linearmaschinen gebaut. Die Antriebselemente bzw. Statoren von solchen Linearmaschinen verfügen dabei häufig über die Möglichkeit, magnetische Felder zu erzeugen, die für den Antrieb von zu befördernden Transportkörpern benötigte Kräfte und Momente in bis zu sechs Freiheitsgraden generieren können. In vielen derartigen Antrieben sind insbesondere Antriebskräfte für einen Antrieb in einer x/y-Ebene, etwa Richtung x und y des mit dem Stator verbundenen Koordinatensystems innerhalb der Ebene des Antriebs, von Bedeutung, sowie zusätzlich eine Levitationskraft in Richtung z senkrecht zur x/y-Ebene. Die Statoren bzw. Antriebselemente solcher Antriebe haben oftmals eine entscheidende Bedeutung für die Qualität des Antriebes, dessen Wirkungsgrad und/oder die erreichbare Genauigkeit bei der Positionierung.
Häufig umfassen Planarantriebssysteme Spulenelemente, bei welchen einzelnen Spulen mit einer oder mehreren Leiterplatten verbunden sind. Die Leiterplatten sind dabei typischerweise solche Leiterplatten, welche in der englischen Sprache als „printed circuit board“ (PCB) bekannt sind. Die Spulen werden von der Leiterplatte gestützt, wobei oftmals lediglich eine Windung der Spule pro Leiterplatte vorliegt. Aus diesem Grund ist für Spulen, welche eine Mehrzahl von Windungen aufweisen, häufig eine entsprechend große Anzahl von Leiterplatten erforderlich, um die Spulen zu stützen. Dies führt dazu, dass derartige Spulen oftmals ein großes Volumen aufweisen und deren Durchflutung mit magnetischem Feld in der räumlichen Funktion einen signifikanten Anteil von Oberwellen aufweist, der zu unerwünschten, parasitären Effekten des Antriebs, insbesondere zu Rippeln in der Antriebskraft, führen kann. Zudem führt die Anordnung der Spulen mittels der Leiterplatten oftmals zu einer sehr großen Bauhöhe des Planarantriebssysteme und somit zu Nachteilen insbesondere bei mehrdimensionalen Planarantriebssystemen, bei welchen Spulen für mehrere Antriebsrichtungen übereinander angeordnet werden müssen. Dadurch vergrößert sich beispielsweise eine systembedingte Asymmetrie der magnetischen Felder für verschiedene Antriebsrichtungen, da die die Felder erzeugenden Spulen zwangsläufig unterschiedliche Entfernungen zu einem zu bewegenden Transportkörper aufweisen, wodurch sich Differenzen bei den Kräften ergeben, welche von den Spulen auf den Transportkörper bereitgestellt werden.
Diese auf Leiterplatten basierende Ausgestaltung der Spulen ermöglicht ferner oftmals nur kleine Windungszahlen, weshalb Planarantriebssysteme auf Basis solcher Spulen oft nur eine kleine Nennspannung aufweisen, was wiederum Einschränkungen für die optimale Auslegung von Planarantriebssystemen, wie etwa hinsichtlich ihrer Spannungsversorgung und/oder Verkabelung, mit sich bringt.
Beispielsweise offenbart WO 2013/059934 A1 ein Planarantriebssystem mit derartigen Spulen.
Beispielsweise sind aus der US 6452292 auch gewickelte Statoren bekannt. Der Nachteil derartiger Statoren ist, dass zumindest ein Spulensystem in x- und/oder y-Richtung keine Aufteilung auf Sektionen ermöglicht, weshalb derartige Spulensysteme nur für kurze Fahrstrecken einsetzbar sind. Auch sind die Anschlüsse solcher Spulensysteme häufig nur schwer zugänglich.
Weiterhin sind auch Planarantriebe bekannt, bei denen Statoren mit verschiedenen Mustern von Spulen im Stator ausgestattet sind, die jedoch keinen Schichtaufbau aufweisen. Derartige Spulen sind häufig wechselweise nebeneinander angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß werden eine Mehrschichtspule, ein Antriebselement, ein Planarantriebssystem und ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtspule mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung ermöglicht das Bereitstellen eines Planarantriebssystems, bei welchem mehrere Spulen auf effiziente Weise übereinander angeordnet werden können und die Spulen aus unterschiedlichen Schichten effektiv zum Antrieb eines Transportkörpers beitragen können. Insbesondere können auf einfache Weise die Spulen aus unterschiedlichen Schichten ihre Hauptanteile der Magnetfelder in unterschiedlichen Richtungen (x und y) erzeugen. Insbesondere können die Spulen durch eine entsprechende Steuer-Elektronik gesteuert werden.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine Mehrschichtspule für ein Antriebselement eines Planarantriebssystem, aufweisend eine Mehrzahl von Spulen, wobei die Spulen der Mehrzahl von Spulen, beispielsweise aufgeteilt in ein Mehrphasensystem, miteinander elektrisch verbunden sind, wobei jede Spule der Mehrzahl von Spulen zumindest zwei Windungen aus einem elektrischen Leiter aufweist. Dabei sind die zumindest zwei Windungen durch ein wärmeleitfähiges Isolationsmaterial miteinander derart mechanisch starr verbunden, dass die Spulen selbsttragend ausgebildet sind. Zudem ist jede Spule der Mehrzahl von Spulen jeweils in einer separaten Schicht angeordnet.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Antriebselement für ein Planarantriebssystem, umfassend zumindest eine erfindungsgemäße Mehrschichtspule.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Planarantriebssystem mit einem erfindungsgemäßen Antriebselement und/oder mit einer erfindungsgemäßen Mehrschichtspule.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtspule, umfassend ein Bereitstellen einer Mehrzahl von elektrischen Leitern, welche mit einem wärmeleitfähigen Isolationsmaterial umgeben sind, sowie ein gleichzeitiges Wickeln der Mehrzahl von elektrischen Leitern zu einer Mehrzahl von Spulen um eine Wickelhaspel, wobei die Spulen der Mehrzahl von Spulen jeweils durch zumindest eine Formplatte zumindest teilweise räumlich voneinander getrennt sind und wobei die Mehrzahl von Spulen jeweils in mehreren Windungen konzentrisch um eine Drehachse der Wickelhaspel gewickelt werden. Ferner umfasst das Verfahren ein elektrisches Kontaktieren der Spulen der Mehrzahl von Spulen miteinander mittels eines elektrischen Verbindungselements, wobei das elektrische Verbindungselement an einer der Drehachse der Wickelhaspel zugewandten Seite der zu kontaktierenden Spulen der Mehrzahl von Spulen angeordnet ist und zumindest teilweise parallel zur Drehachse der Wickelhaspel verläuft. Des Weiteren umfasst das Verfahren ein mechanisches Verbinden der Windungen jeder jeweiligen Spule der Mehrzahl von Spulen derart, dass jede Spule eine mechanisch starre Form aufweist, und ein Entfernen der Wickelhaspel von der Mehrschichtspule.
Als eine Windung ist dabei ein teilweiser oder vollständiger Umlauf des elektrischen Leiters um eine Spulenachse zu verstehen, der zumindest einen Winkel von 180° um die Spulenachse herum abdeckt.
Ein wärmeleitfähiges Isolationsmaterial ist dabei insbesondere ein Material, welches dazu ausgelegt ist, Wärme bzw. thermische Energie zu leiten, während es elektrisch isolierend ist, d.h. nicht elektrisch leitend ausgebildet ist. Das wärmeleitfähige Material kann somit zwar zwei benachbarte und durch das wärmeleitfähige Isolationsmaterial getrennte elektrische Leiter voneinander elektrisch isolieren, jedoch einen Wärmeaustausch zwischen den beiden benachbarten elektrischen Leitern ermöglichen.
Dass die zumindest zwei Windungen miteinander mechanisch starr verbunden sind bedeutet, dass sich diese zueinander in einer festen bzw. gleichbleibenden räumlichen Anordnung befinden, sodass nur eine sehr geringe und vorzugsweise keine Relativbewegung zueinander möglich ist.
Dass die Spulen selbsttragend sind, bedeutet, dass diese nicht notwendigerweise ein weiteres Stützelement, wie etwa einen Windungsträger, aufweisen, sondern eigenständig in ihrer vorgesehenen räumlichen Anordnung verweilen. Insbesondere ist es für selbsttragende Spulen nicht erforderlich, diese auf einem Substrat, wie etwa einer Leiterplatte, anzuordnen, um deren Anordnung und/oder Positionierung und/oder relative Lage und/oder erforderliche Stabilität sicherzustellen.
Separate Schichten können dabei separate Lagen sein, welche beispielsweise in separaten Ebenen zumindest teilweise senkrecht zur Spulenachse verlaufen. Vorzugsweise sind die separaten Schichten zueinander parallel angeordnet bzw. anordenbar. Beispielsweise können separate Schichten senkrecht zur Spulenachse übereinanderliegend angeordnet sein, wobei sich vorzugsweise in jeder der separaten Schichten eine Spule der Mehrzahl von Spulen befindet. Die separaten Schichten müssen dabei nicht notwendigerweise baulich voneinander getrennt sein, insbesondere nicht durch eine Leiterplatte.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass mittels der Mehrschichtspule eine Spule mit mehreren Schichten bereitgestellt werden kann, ohne jedoch Leiterplatten zu deren Stabilisierung und/oder Stützung bereitstellen zu müssen. Dadurch können Mehrschichtspulen bzw. Spulenanordnungen mit einer geringeren Dicke und/oder einem geringeren Volumen bereitgestellt werden. Zudem können die Herstellungskosten für Mehrschichtspulen bzw. Spulenanordnungen reduziert werden. Außerdem kann der Herstellungsaufwand reduziert werden, da der Aufwand zur Herstellung einer Mehrschichtspule geringer sein kann, als der für eine herkömmliche Spulenanordnung mit Leiterplatten.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass in einer Mehrschichtspule vorzugsweise schmälere elektrische Leiter verwendet werden können als die herkömmlichen Leiterbahnen in Spulenanordnungen mit Leiterplatten. Insbesondere können die Querschnitte des elektrischen Leiters gegenüber herkömmlichen Spulenanordnungen reduziert werden. Dies wird insbesondere durch vorteilhafte thermische Eigenschaften eines erfindungsgemäßen Antriebselements und/oder eines erfindungsgemäßen Spulensystems begünstigt. Ferner können elektrische Leiter mit runden oder im Wesentlichen rechteckigen Querschnittsformen verwendet werden, wie etwa ein Profildraht. Im Wesentlichen rechteckig bedeutet dabei, dass geringe Abweichungen von der rechteckigen Form zulässig sind, wie beispielsweise durch abgerundete Ecken.
Ferner können vorzugsweise durch kleinere Dimensionen der elektrischen Leiter in eine Richtung quer bzw. senkrecht zum Verlauf der Hauptanteile des magnetischen Feldes parasitäre Wirbelströme und damit einhergehende Leistungsverluste reduziert und/oder vermieden werden. Dies kann die vorteilhaften thermischen Eigenschaften weiter begünstigen.
Zudem bietet die Erfindung den Vorteil, dass die erfindungsgemäßen Mehrschichtspulen mit vorteilhafteren Füllfaktoren bereitgestellt werden können als herkömmliche auf Leiterplatten basierende Spulenanordnungen. Dadurch können beispielsweise die Mehrschichtspulen kompakter aufgebaut werden als herkömmliche auf Leiterplatten basierende Spulenanordnungen. Insbesondere kann ein vorteilhafterer Füllfaktor zu einer besseren Wärmeabfuhr von den Spulen dienen. Insbesondere können erfindungsgemäß auch Profildrähte als elektrischer Leiter verwendet werden. Dadurch kann ferner ein hohes Magnetfeld auf sehr kleinem Raum erzeugt werden.
Zudem bietet die Erfindung den Vorteil, dass gegenüber herkömmlichen auf leiterplattenbasierenden Spulenanordnungen deutlich bessere thermische Eigenschaften erzielt werden können. Insbesondere ermöglicht die Erfindung einen effektiven Wärmetransport zwischen den einzelnen Windungen, wodurch die Kühlungseigenschaften der Spulen bzw. der Mehrschichtspule deutlich verbessert werden können. Die thermischen Eigenschaften werden gegenüber herkömmlichen auf Leiterplatten basierenden Spulenanordnungen auch dadurch verbessert, dass zur Stützung der Windungen keine Substrate bzw. Leiterplatten erforderlich sind, welche eine Wärmeverteilung und/oder einen Wärmefluss und/oder eine Wärmeabfuhr verringern und/oder verhindern können. Aufgrund der besseren thermischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Mehrschichtspule können diese vorzugsweise auch größere Ströme führen, ohne dass die Gefahr einer Überhitzung bestünde. Ferner können die selbsttragenden Spulen gegebenenfalls auch besser gekühlt werden, da die elektrischen Leiter bzw. das wärmeleitende Isolationsmaterial besser zugänglich für ein Kühlelement sein kann. Somit bietet die Erfindung ferner den Vorteil, dass mit einer erfindungsgemäßen Mehrschichtspule gegenüber herkömmlichen auf Leiterplatten basierenden Spulenanordnungen die Stromdichten vergrößert werden können und dadurch der Querschnitt bzw. das Volumen der elektrischen Leiter reduziert werden kann.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass durch eine Reduktion des Querschnitts des elektrischen Leiters die Spulenhöhen, d.h. die Ausdehnung der Spulen entlang der Spulenachse, reduziert werden können. Ferner bietet dies den Vorteil, dass die einzelnen Spulen näher übereinanderliegend angeordnet werden können und/oder Abweichungen des Abstands der einzelnen Spulen zueinander reduziert werden können. Insgesamt können dadurch am Ort des Transportkörpers Unterschiede der magnetischen Felder von übereinander angeordneten Spulen reduziert werden. Vorzugsweise können die einzelnen Spulen der einzelnen Schichten miteinander verflochten werden, um beispielsweise die Unterschiede weiter zu reduzieren.
Ferner bietet die Erfindung den Vorteil, dass die Flexibilität hinsichtlich der Windungszahlen und der Nennspannung der Spulen bzw. der Mehrschichtspule verbessert werden kann, sodass eine bessere Anpassung der Mehrschichtspule an den Verwendungszweck und/oder an bereits vorhandene Komponenten einer Leistungselektronik ermöglicht wird. Dadurch kann beispielsweise eine Kostenreduktion bei einer Verkabelung und/oder bei einer Ansteuerung der Mehrschichtspule erzielt werden.
Vorzugsweise umfasst der elektrische Leiter einen metallischen Draht und/oder eine metallische Folie. Dies bietet den Vorteil, dass die Spulen besonders effektiv gewickelt werden können. Vorzugsweise umfasst der elektrische Leiter Aluminium und/oder Kupfer. Dabei sind vorzugsweise verschiedenste Querschnittsformen für den metallischen Draht verwendbar, wie etwa rund, rechteckig und quadratisch. Insbesondere kann ein metallischer Draht verwendet werden, dessen Querschnitt hinsichtlich eines besonders vorteilhaften Füllfaktors optimiert ist.
Vorzugsweise sind die Windungen einer Spule durch das wärmeleitfähige Isolationsmaterial miteinander verklebt und/oder vergossen. Dies bietet den Vorteil, dass die Windungen einer jeweiligen Spule auf besonders vorteilhafte Weise mechanisch fest und/oder starr miteinander verbunden werden können. Insbesondere lassen sich die Windungen bzw. lässt sich die Spule auf diese Weise integral und/oder einstückig ausbilden, sodass vorzugsweise die Spule als ein abgeschlossenes Element bereitgestellt wird. Insbesondere bietet dies den Vorteil, dass die Windungen sich gegenseitig stabilisieren und auf diese Weise eine besonders steife und/oder starre und/oder feste Spule bilden.
Besonders bevorzugt wird das wärmeleitfähige Isolationsmaterial als eine zumindest teilweise Ummantelung des elektrischen Leiters bereitgestellt, sodass beim Wickeln der Windungen bzw. der Spule benachbarte Windungen mit ihrer jeweiligen Ummantelung aus dem wärmeleitfähigen Isolationsmaterial aneinander angrenzen. Beispielsweise können der elektrische Leiter und das wärmeleitende Isolationsmaterial zusammen als eine kompakte Einheit ausgebildet sein. Das wärmeleitfähige Isolationsmaterial kann dabei vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass mittels des wärmeleitfähigen Isolationsmaterials die benachbarten Windungen einer Spule aneinander befestigt, besondere miteinander verklebt werden können. Beispielsweise kann dazu ein Erhitzen des wärmeleitfähigen Isolationsmaterials vorteilhaft sein, um beispielsweise ein Verschmelzen der angrenzenden wärmeleitfähigen Isolationsmaterialien der aneinandergrenzenden elektrischen Leiter zu bewirken. Beispielsweise können dazu die gewickelten Windungen bzw. Spulen bzw. die Mehrschichtspule gepresst und gebacken werden, um ein mechanisches Verbinden der einzelnen Windungen zu bewirken. Alternativ oder zusätzlich kann die Befestigung der benachbarten Windungen unter Einfluss einer Erwärmung der Windungen während des Wickel- und Formprozesses der Windungen erfolgen.
Alternativ oder zusätzlich können die Windungen bzw. die Spulen der Mehrschichtspule mit einem wärmeleitfähigen Hüllenmaterial, wie etwa Harz, gebacken werden, um beispielsweise die mechanische Festigkeit und/oder die elektrische Isolierung weiter zu verbessern. Besonders bevorzugt wird dabei ein wärmeleitfähiges Hüllenmaterial verwendet, welches ebenfalls eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Vorzugsweise sind die Spulen der Mehrzahl von Spulen derart übereinander angeordnet, dass sie in ihrem Querschnitt senkrecht zur Spulenachse zumindest teilweise überlappen. Mit anderen Worten können die Spulen einer Mehrschichtspule derart angeordnet werden, dass sich die Querschnitte in einer Projektion in eine Ebene senkrecht zu den Spulenachsen vorzugsweise zumindest teilweise, besonders bevorzugt vollständig, überlappen. Vorzugsweise sind die Spulen einer Mehrschichtspule derart angeordnet, dass die Spulenachsen der Spulen parallel verlaufen und besonders bevorzugt zusammenfallen. Mit anderen Worten sind die Spulen der Mehrzahlen von Spulen vorzugsweise parallel zueinander angeordnet und/oder verlaufen die separaten Schichten zumindest teilweise parallel zueinander. Dies bietet den Vorteil, dass mehrere Mehrschichtspulen ineinander verschachtelt werden können. Mit anderen Worten können vorzugsweise mehrere Mehrschichtspulen derart angeordnet werden, dass sich in einem Zwischenraum zwischen zwei Spulen bzw. Schichten einer Mehrschichtspule eine Spule und/oder Schicht einer anderen Mehrschichtspule erstreckt.
Vorzugsweise sind die Spulen der Mehrzahl von Spulen an einer einer jeweiligen Spulenachse zugewandten Seite mittels eines elektrischen Verbindungselements miteinander elektrisch verbunden, wobei sich das elektrische Verbindungselement vorzugsweise zumindest teilweise parallel zur jeweiligen Spulenachse der Mehrzahl von Spulen erstreckt. Mit anderen Worten sind die Spulen einer Mehrschichtspule vorzugsweise an Ihrer Innenseite miteinander elektrisch kontaktiert. Besonders bevorzugt sind die Spulen einer Mehrschichtspule aus zwei komplementären Spulen ausgebildet. Beispielsweise kann eine Spule gegensinnig zur anderen gewickelt auf die andere gelegt sein, wie in 1 gezeigt.
Vorzugsweise weist jede Spule der Mehrzahl von Spulen einen aktiven Bereich, zwei Wickelkopfbereiche und einen Anschlussbereich auf, wobei zumindest einer der zwei Wickelkopfbereiche und/oder der Anschlussbereich nicht mit dem aktiven Bereich in einer Ebene liegend angeordnet sind. Mit anderen Worten sind die Spulen als 3D-Formspulen ausgebildet, d.h. dass diese dreidimensional geformt sind und die Wicklungen nicht plan in einer Ebene liegend ausgebildet sind. Bevorzugt sind der oder die Wickelkopfbereiche und/oder der Anschlussbereich gegenüber dem aktiven Bereich abgebogen und/oder abgeknickt. Dies bietet den Vorteil, dass eine besonders platzsparende Anordnung der Mehrschichtspulen erfolgen kann und dadurch ein besonders vorteilhaftes Antriebselement aus Mehrschichtspulen aufgebaut werden kann, welches beispielsweise besonders nah an einem angrenzenden Antriebselement anliegend angeordnet werden kann.
Vorzugsweise umfasst ein Antriebselement zumindest eine erste Mehrschichtspule und eine zweite Mehrschichtspule, wobei die erste und die zweite Mehrschichtspule derart miteinander verschachtelt angeordnet sind, dass zwischen zwei Spulen der Mehrzahl von Spulen der ersten Mehrschichtspule eine Spule der Mehrzahl von Spulen der zweiten Mehrschichtspule angeordnet ist. Mit anderen Worten umfasst ein Antriebselement vorzugsweise mehrere Mehrschichtspulen, deren Spulen vorzugsweise ineinander verschachtelt sind. Dies bietet den Vorteil, dass eine besonders dichte Aneinanderreihung der Spulen erreicht werden kann. Insbesondere bietet dies den Vorteil, dass mehrere Mehrschichtspulen für unterschiedliche Antriebsrichtungen, beispielsweise eine für eine x-Richtung und eine andere für eine y-Richtung, dicht aneinander und/oder ineinander verschachtelt angeordnet werden können. Vorzugsweise ist die erste Mehrschichtspule für einen Antrieb zumindest eines Transportkörpers relativ zum Antriebselement in eine erste Beförderungsrichtung (z.B. x) ausgelegt und die zweite Mehrschichtspule für einen Antrieb des zumindest einen Transportkörpers in eine von der ersten Beförderungsrichtung verschiedene zweite Beförderungsrichtung (z.B. y) eingerichtet und/oder angeordnet.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt in einer schematischen Darstellung in Draufsicht eine Mehrschichtspule gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform.
2A bis 2C zeigen in schematischen Schnittansichten Vorrichtungen zur Herstellung erfindungsgemäßer Spulen und/oder Mehrschichtspulen.
3A und 3B zeigen jeweils eine Mehrschichtspule gemäß bevorzugten Ausführungsformen in einer schematischen Schnittansicht.
4A und 4B zeigen Mehrschichtspulen gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen in einer Schnittansicht.
5 zeigt in einem Graphen einen beispielhaften Verlauf einer Durchflutung bzw. eines Magnetfelds.
6A bis 6C zeigen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen von Spulen, welche in unterschiedlichen geometrischen Formen verwirklicht sind.
7A und 7B zeigen bevorzugte Ausführungsformen eines Wickelschemas bzw. eines Anordnungsschemas für Spulen.
8A und 8B zeigen gemäß bevorzugten Ausführungsformen eine Spulenanordnung oder eine Mehrschichtspule mit mehreren Spulen, welche einer Formung und/oder Prägung unterzogen wurde.
9 zeigt in vier Lagen bzw. Schichten übereinanderliegend angeordnete Spulen, bei welchen abermals die Wickelkopfbereiche abgeknickt bzw. abgebogen wurden.
10 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Wickelschema eines Antriebselements.
11 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Antriebselement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.
12A und 12B zeigen in einer schematischen Darstellung ein Antriebselement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform für ein Statorsegment eines Planarantriebs.
13 zeigt ein Antriebselement gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 13 B, welches in einem Gehäuse angeordnet ist.
14 zeigt das Antriebselement mit Gehäuse gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 13 in einer schematischen Schnittansicht.
15 und 16 zeigen eine Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche aus vier einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist, in einer Draufsicht bzw. einer Schnittansicht.
17A und 17B zeigen ein Antriebselement und eine Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt in einer schematischen Darstellung in Draufsicht eine Mehrschichtspule 10 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, welche aus zwei komplementären Spulen 12 zusammengesetzt ist. Die komplementären Spulen 12 sind dabei auf der linken Seite und in der Mitte separat voneinander dargestellt, während auf der rechten Seite die aus den beiden Spulen 12 zusammengesetzte Mehrschichtspule 10 abgebildet ist. Die Spulen 12 umfassen dabei jeweils einen elektrischen Leiter 14, welcher in einer Mehrzahl von Windungen zu der Spule 12 gewickelt ist. Gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform umfassen die Spulen 12 jeweils vier Windungen (N=4) des elektrischen Leiters 14. Dabei sind die beiden Spulen 12 komplementär zueinander ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass die beiden Spulen 12 entgegengesetzt bzw. gegenläufig bzw. gegensinnig gewickelt sind. Durch diese Methode werden die Anschlüsse der Mehrschichtspule im äußeren Bereich der jeweiligen Wickelköpfe herausgeführt, sodass vorzugsweise anders als bei herkömmlich gewickelten Spulen kein zusätzlicher Raumbedarf für die Zuführung des Spulenanfangs notwendig ist.
Die Mehrschichtspule 10 sowie die Spulen 12 können in mehrere Abschnitte unterteilt werden, wobei ein erster Abschnitt mit einer Länge LA einen aktiven Bereich 20 darstellt, welcher als Statorfläche dient und in welchem hauptsächlich eine elektromechanische Energiewandlung eines Motors, in dem die Mehrschichtspule 10 betrieben wird, erfolgt. Die daran angrenzend angeordneten Bereiche bilden jeweils einen Wickelkopfbereich 22, welcher nicht oder nur in einem sehr geringen Maße zu der elektromechanischen Energiewandlung beiträgt. Der unten dargestellte Wickelkopfbereich 22 umfasst dabei auch die elektrischen Anschlüsse 18.
Die Spulen 12 sind gemäß der gezeigten bevorzugten Ausführungsform leicht schräg gewickelt, sodass deren Wicklungen nicht exakt gemäß einem Rechteck angeordnet sind, sondern in Art eines Parallelogramms. Die Seiten schließen dabei einen Winkel ein, welcher um einen Winkel α vom rechten Winkel abweicht. Der Winkel α ist dabei relativ klein gewählt, sodass dieser einen Wert von τp/(3N·LA) (Polteilung τp) nicht übersteigt. Durch die schräge Wicklung der Spulen 12 mit einem relativ kleinen Winkel α können negative Effekte, welche beispielsweise von Oberwellen des magnetischen Feldes herrühren können, das durch die Spulen 12 erzeugt wird, reduziert werden, um unerwünschte Diskontinuitäten, wie etwa Kraftrippel, zu vermeiden und einen homogenen Antrieb zu ermöglichen. Die Pfeile 102 indizieren dabei die Stromrichtung, mit welcher die jeweilige Spule 12 von elektrischem Strom durchflossen wird, um das gewünschte Magnetfeld zu erzeugen.
Auf der rechten Seite ist die Mehrschichtspule 10 dargestellt, bei welcher die links und in der Mitte dargestellten komplementären Spulen 12 zu der Mehrschichtspule 10 zusammengesetzt sind. Somit ist die Mehrschichtspule 10 in mehreren Segmenten aus den Spulen 12 zusammengesetzt. An der Verbindungsstelle 16 sind dabei die beiden Spulen 12 der Mehrschichtspule 10 miteinander elektrisch verbunden, sodass der elektrische Strom vorzugsweise unterbrechungsfrei von einer der Spulen 12 auf die andere der Spule 12 fließen kann und die beiden Spulen 12 somit ein kontinuierlich verlaufendes Leitungssystem von elektrischen Leitern bilden, welches durch die elektrischen Anschlüsse 18 bestromt werden kann.
Die Spulen 12 können beispielsweise aus einem Draht als elektrischer Leiter 14 gewickelt werden. Vorzugsweise wird dabei ein Backlackdraht verwendet, so dass die Spulen nach dem Wickeln unter Einsatz von hohen Temperaturen zu einem starren bzw. mechanisch steifen Körper gebacken und/oder gepresst werden können.
Die 2A bis 2C zeigen in schematischen Darstellungen Vorrichtungen zur Herstellung von Spulen 12 bzw. einer Mehrschichtspule 10. 2A zeigt dabei eine Vorrichtung zum Wickeln einer Spule 12, wobei ein im gezeigten Beispiel als runder Profildraht ausgebildeter elektrischer Leiter 14 verwendet wird. Beispielsweise kann der elektrische Leiter 14 einen Draht aus Aluminium und/oder Kupfer umfassen. Die Vorrichtung umfasst eine Wickelhaspel 26, welche eine untere Formplatte 28 und eine obere Formplatte 30 aufweist, zwischen welchen der elektrische Leiter 14 bzw. der Draht zu der Spule 12 gewickelt werden kann. Zum Wickeln umfasst die Wickelhaspel 26 mittig eine Antriebswelle 32, welche dazu ausgelegt ist, die Wickelhaspel 26 um eine Rotationsachse 104 in einer Rotationsrichtung 106 zu rotieren, sodass der Draht bzw. der elektrischen Leiter 14 zu der Spule 12 gewickelt wird. Beispielsweise kann die Wickelhaspel von einer Drahtspule 34 mit Draht versorgt werden. Der Pfeil 114 indiziert eine Zugkraft des elektrischen Leiters 14 zum Vermeiden einer lockeren Wicklung 26.
Nach erfolgtem Wickeln der Spule 12 kann beispielsweise über die untere Formplatte 28 und/oder über die obere Formplatte 30 in Richtung 108 und/oder mittels einer separaten Pressvorrichtung (nicht gezeigt) in Richtung 110 während eines Backvorgangs ein Druck auf die gewickelte Spule 12 ausgeübt werden, um etwa die gewickelte Spule 12 zu einem mechanisch starren bzw. steifen Körper zu verfestigen, sodass die Spule 12 als selbsttragende Spule ausgebildet wird und nicht mittels eines etwaigen Substrates gestützt werden muss.
Zusätzlich kann beispielsweise mittels der unteren Formplatte 28 ein Wärmeeintrag erfolgen, welcher durch die Pfeile 112 dargestellt ist, um das Verpressen und/oder Verbacken des elektrischen Leiters 14 zur Spule 12 zu ermöglichen. Außerdem kann beim Wickeln der Spule ein Fortsatz des elektrischen Leiters 14 bzw. der Spule 12 als Verbindungselement 36 ausgebildet werden, welches sodann zur Herstellung der Verbindungsstelle 16 zum elektrischen Verbinden mehrerer Spulen 12 zu einer Mehrschichtspule 10 dienen kann.
Nach erfolgtem Wickeln der Spule 12 bzw. nach erfolgter Herstellung der Spule 12 kann der elektrische Leiter 14 der Spule 12 mittels eines Schneidelements 38 von dem elektrischen Leiter 14 der Drahtspule 34 getrennt werden.
2B zeigt eine Vorrichtung zum Wickeln einer Mehrschichtspule 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche zumindest teilweise auf der in 2A gezeigten Vorrichtung zum Wickeln einer Spule 12 basiert. Insbesondere ermöglicht die in 2B dargestellte Vorrichtung das gleichzeitige Wickeln von zumindest zwei Spulen 12 und die Herstellung einer Mehrschichtspule 10 aus den zumindest zwei Spulen 12. Abweichend von der in 3A gezeigten Vorrichtung weist die in 3B gezeigte Wickelhaspel 26 ferner eine weitere, äußere Formplatte 40 unterhalb der unteren Formplatte 28 auf. Somit kann mittels des elektrischen Leiters 14, vorzugsweise eines Drahtes, eine weitere, untere Spule 12 gleichzeitig zur oberen Spule 12 gewickelt werden kann. Das Verbindungselement 36, welches beispielsweise als ein Fortsatz der oberen Spule 12 und/oder der unteren Spule 12 ausgebildet werden kann, verbindet dabei die beiden Spulen 12, wodurch diese die Mehrschichtspule 10 bilden. Vorzugsweise handelt es sich um einen durchgängigen Leiter bzw. Draht 14, d.h. das Verbindungselement 36 ist kein separates Element, sondern nur eine Bezeichnung für die Verbindungsstelle.
Mit der Vorrichtung gemäß 2B kann ferner die Mehrschichtspule 10, welche mehrere Spulen 12 umfasst, als Ganzes verpresst und/oder verbacken werden, indem beispielsweise - nach optionaler Entfernung der Formplatte 28, welche beispielsweise aus Kreisringsegmenten bestehen kann - über die äußere Formplatte 40 der Wärmeeintrag 112 erfolgt und/oder mittels einer Druckausübung 108 über die obere Formplatte 30 und/oder die äußere Formplatte 40 Druck auf die gewickelten elektrischen Leiter 14 bzw. die Spulen 12 ausgeübt wird. Somit kann mittels der Vorrichtung gemäß 2B eine mehrere Spulen 12 umfassende Mehrschichtspule 10 in einem einzigen Herstellungsprozess hergestellt werden. Insbesondere kann die Formplatte 28 aus einem dünnen, elektrisch isolierenden Material ausgebildet sein, sodass ein Entfernen der Formplatte 28 nicht erforderlich ist und diese vielmehr innerhalb der Wicklung verbleiben kann und optional als ein Trägerelement dienen kann. Alternativ kann die Formplatte 28 dazu ausgebildet sein, dass diese nach dem Wickeln der Spulen entfernt werden kann. Hierzu ist sie insbesondere mehrteilig ausgebildet, so dass sie in Einzelteilen entfernt werden kann.
2C zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung einer Spule 12 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, welche im Wesentlichen der in 2A gezeigten Vorrichtung entspricht. Abweichend von 2A wird hier jedoch ein Profildraht mit viereckigem Querschnitt als elektrischer Leiter 14 gewickelt. Dies ergibt einen höheren Füllfaktor und/oder bessere thermische und/oder mechanische (selbstragende) Eigenschaften der der Spule 12. Außerdem lässt sich die Windungszahl der Spulen 12 flexibler wählen bzw. einstellen und ist nicht notwendigerweise an die geometrischen Gegebenheiten der Polteilung gekoppelt.
Die 3A und 3B zeigen jeweils eine Mehrschichtspule 10 gemäß bevorzugten Ausführungsformen in einer schematischen Querschnittsdarstellung, die beispielsweise gemäß den 2B und 2C hergestellt sind. Die Mehrschichtspulen 10 umfassen dabei jeweils zwei komplementäre Spulen 12, nämlich einer ersten Spule 12a und einer zweiten Spule 12b, welche über ein Verbindungselement 36, welches wie erwähnt durch den ununterbrochenen Wickeldraht gebildet wird, miteinander elektrisch verbunden bzw. kontaktiert sind. Dabei zeigt die Querschnittsdarstellung jeweils nur die Hälfte einer Mehrschichtspule 10, nämlich einen Bereich zwischen einer Spulenachse 116 und einem Ende 122 der Mehrschichtspule 10 bzw. der Spulen 12a und 12b, wobei die Mehrschichtspule 10 im Wesentlichen achsensymmetrisch zur Spulenmittelachse bzw. Spulenachse 116 ist. Im Wesentlichen achsensymmetrisch bedeutet dabei, dass die Windungen zwar symmetrisch um die Spulenachse gewickelt sind, jedoch die Symmetrie beispielsweise durch das Verbindungselement 36 gebrochen werden kann. Das Verbindungselement 36 ist demnach derart angeordnet, dass es sich auf der der Spulenachse 116 zugewandten Seite der Windungen bzw. der elektrischen Leiter 14 befindet. Die erste Spule 12a wird durch Windungen des ersten elektrischen Leiters 14a gebildet, wohingegen die zweite Spule 12b durch Windungen des zweiten elektrischen Leiters 14b gebildet wird, wobei jedoch, wie bereits erwähnt, sinnvollerweise der ununterbrochene Leiter 14 sowohl 14a als auch 14b bildet.
Gemäß den gezeigten Ausführungsformen sind die elektrischen Leiter 14a und 14b jeweils von einem wärmeleitenden Isolationsmaterial 42 und/oder einem wärmeleitenden Hüllenmaterial umgeben. Insbesondere können der elektrische Leiter 14a bzw. 14b mit dem jeweiligen wärmeleitenden Isolationsmaterial 42 als eine bauliche Einheit ausgebildet sein, beispielsweise als ein Backlackdraht, welcher mittels Wärmezufuhr und/oder Druckbeaufschlagung zu einer baulichen Einheit mit benachbarten Backlackdrähten verbacken werden kann. Die in den elektrischen Leitern 14a bzw. 14b dargestellten Markierungen 120 indizieren dabei die Stromrichtung, wenn die elektrischen Leiter 14a und14 bestromt werden.
Gemäß der in 3A gezeigten Ausführungsform weist die bauliche Einheit aus elektrischem Leiter 14a bzw. 14b und dem jeweiligen wärmeleitenden Isolationsmaterial 42 eine runde Querschnittsform auf. Abweichend davon weist gemäß der in 4B gezeigten Ausführungsform die bauliche Einheit aus elektrischem Leiter 14a bzw. 14b und dem jeweiligen wärmeleitenden Isolationsmaterial 42 eine viereckige, insbesondere eine rechteckige Querschnittsform auf.
Die in 3A und 3B gezeigten bevorzugten Ausführungsformen der Mehrschichtspule und sind dabei derart ausgelegt, dass auf deren Oberseite 118 ein Transportkörper befördert werden kann, welcher beispielsweise durch ein Permanentmagnetfeld erregt ist.
Die 4A und 4B zeigen Mehrschichtspulen 10 gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen, welche in vielen Aspekten den Mehrschichtspulen 10 aus 3A bzw. 3B entsprechen. Jedoch unterscheiden sich die Mehrschichtspulen 10 aus 4A bzw. 4B von den Mehrschichtspulen 10 aus 3A bzw. 3B dadurch, dass die erste Spule 12a entlang der Spulenachse 116 von der zweiten Spule 12b beabstandet angeordnet ist und zwischen den Spulen 12a und 12b einer Mehrschichtspule 10 zumindest eine Spule 12n angeordnet ist, wobei die Spule 12n nicht zur gleichen Mehrschichtspule 10 gehört, wie die Spulen 12a und 12b. Mit anderen Worten sind die Spulen 12a und 12b der Mehrschichtspule 10 in den Schichten 124a bzw. 124b angeordnet, während in einer dazwischenliegenden Schicht 124n und in einer darunterliegenden Schicht 124m jeweils andere Spulen 12n und 12m angeordnet sind, welche nicht zur Mehrschichtspule 10 der Spulen 12a und 12b gehören. Dies bietet den Vorteil, dass auf diese Weise beispielsweise mehrere Mehrschichtspulen 10 ineinander verschachtelt angeordnet werden können. Dadurch lassen sich beispielsweise für verschiedene Antriebsrichtungen, beispielsweise in eine x-Richtung und in eine y-Richtung, welche jeweils senkrecht zur Spulenachse verlaufen, besonders homogene und/oder kontinuierliche Magnetfeldverläufe und/oder besonders geringe Differenzen in den Magnetkräften, die von den jeweiligen Spulen 12a, 12b, 12n, 12m bereitgestellt auf einen Transport wirken, erreichen. Beispielsweise ist die Mehrschichtspule 10 derart eingerichtet, dass diese mit den Spulen 12a und 12b einen Antrieb eines Transportkörpers (nicht gezeigt) entlang einer x-Richtung an der Oberseite 118 ermöglicht, während die anderen Spulen 12n und 12m einen Antrieb des Transportkörpers entlang einer y-Richtung ermöglichen. Die Mehrschichtspulen 10 gemäß 4A und 4B unterscheiden sich somit von den Mehrschichtspulen aus 3A bzw. 3B insbesondere darin, dass das jeweilige Verbindungselement 36 länger ausgestaltet ist, um einen größeren Abstand entlang der Spulenachse 116 zu ermöglichen.
Auch hierbei weist die Mehrschichtspule gemäß der Ausführungsform in 4A einen runden Profildraht als elektrischen Leiter 14a, 14b auf, während die Ausführungsform gemäß 4B einen viereckigen Profildraht als elektrischen Leiter 14a, 14b aufweist.
5 zeigt in einem Graphen einen beispielhaften Verlauf einer Durchflutung bzw. eines Magnetfelds, welches durch eine Spule 12, wie in 1 dargestellt, generiert wird. Die horizontale Achse 126 indiziert eine Ortskoordinate entlang eines Schnitts A'-A', wie in 1 dargestellt. Die vertikale Achse 128 indiziert eine Amplitude einer magnetischen Durchflutung, welche von der jeweiligen Spule 12 generiert wird, sowie eines Strombelags.
Die erste Harmonische bzw. die Grundwelle der magnetischen Durchflutung in Abhängigkeit von der Ortskoordinate x folgt dabei einer Kurve 130, welche eine glockenähnliche Form aufweist, die ein Maximum in der Mitte der Spule zwischen den elektrischen Leitern 14 aufweist. An den Rändern, hin zu den elektrischen Leitern 14, fällt die Kurve nahezu linear auf null, wobei die Kurve den Nullpunkt an der Ortskoordinate erreicht, die der Position des äußersten elektrischen Leiters 14 bzw. der äußersten Windung entspricht. Der dem zugrunde liegende Strombelag 132 ist treppenförmig.
Die elektrischen Leiter 14 der entsprechenden Spule sind dabei übersichtshalber unterhalb der horizontalen Achse 126 dargestellt, um die Zuordnung des Verlaufs der magnetischen Durchflutung 130 bzw. des Strombelags 132 zur Lage der Spule 12 bzw. der elektrischen Leiter 14 zu erleichtern. Ferner ist mit den Pfeilen 120 die Stromrichtung der Bestromung der elektrischen Leiter 14 veranschaulicht. Zwischen den Wicklungssträngen der Spule 12 sind die Wicklungsstränge (ebenfalls je vier Leiter) von zwei anderen Spulen eines insgesamt dreiphasigen Spulensystems dargestellt.
Die räumliche Verteilung der magnetischen Durchflutung einer Spule 12 bzw. einer Mehrschichtspule 10 ist dabei besonders vorteilhaft, insbesondere im Vergleich zu einer herkömmlichen Spulenanordnung, welche Leiterplatten aufweist. Im Vergleich zu dieser herkömmlichen Spulenanordnung bewirkt die Stufenfunktion des Strombelages den gewünschten sinusförmigen Verlauf der magnetischen Durchflutung wesentlich genauer als eine herkömmliche Rechteckfunktion des Strombelages. Dies führt dazu, dass die Spulen 12 gemäß der bevorzugten Ausführungsform für Planarantriebe deutlich besser geeignet sind als herkömmliche Spulenanordnungen, da die magnetische Durchflutung und somit auch der Verlauf des Magnetfelds weniger ausgeprägte Oberwellen aufweisen und dadurch Inhomogenitäten bzw. Diskontinuitäten, wie etwa Kraftrippel, reduziert werden können und somit ein Wirkungsquerschnitt des Planarantriebs erhöht werden kann.
Die 6A bis 6C zeigen verschiedene bevorzugte Ausführungsformen von Spulen 12, welche in unterschiedlichen geometrischen Formen verwirklicht sind. Insbesondere weisen die gezeigten Spulen 12 eine Prägung der Spule 12 für einen Lagenausgleich in z-Richtung auf.
Insbesondere zeigt 6A die Entstehung einer komplementären Mehrschichtspule 10, bei welcher die beiden Spulen 12 separat gewickelt werden. Ganz links ist eine einzelne Spule 12 dargestellt. Durch den ersten Pfeil kenntlich gemacht wird, wie in der Mitte dargestellt, die erste Spule 12 an eine dazu symmetrischen zweite Spule 12 angrenzend angeordnet, wobei die gestrichelte Linie die Symmetrieebene darstellt. Wie durch den zweiten Pfeil dargestellt, werden diese beiden Spulen 12 sodann zusammengeklappt bzw. übereinander gelegt, sodass diese sich in Ihrem Querschnitt im Wesentlichen überlappen. Somit ist auf der rechten Seite eine fertige Mehrschichtspule 10 mit zwei Spulen 12 dargestellt, bei welcher die Mittelkontakte 18a verbunden sind.
6B zeigt eine Formspule bzw. Mehrschichtspule 10 für ein magnetisches System mit einer doppelten Polteilung, bei welcher eine Rückverbindung auf einer Anschlussseite ausgebildet ist. Die Verwendung einer derartigen Mehrschichtspule 10 kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn in die Spulen 12 der Mehrschichtspule 10 Strom mit gleicher Polarität eingespeist wird. Die Spulen 12 der Mehrschichtspule können dabei auf gleiche Weise zusammengeklappt sein, wie die Spulen 12 in 6A. An einem unteren Ende der Mehrschichtspule 10 können die Anschlüsse bzw. Spulenenden 18a und 18b angeordnet sein. Dies kann vorteilhaft für die Gestaltung bzw. Anordnung der Wickelköpfe sein. 6C zeigt drei übereinander angeordnete Spulen 12, welche als dreidimensional ausgestaltete Formspulen, d.h. als 3D-Formspulen ausgebildet sind. Die drei Spulen 12 können dabei beispielsweise für drei verschiedene Phasen eines Planarantriebs verwendet werden. Die Länge LA bezeichnet erneut die Länge des aktiven Bereichs der Spulen 12. Insbesondere weisen bei den dargestellten Spulen 12 die Wickelkopfbereiche 22 eine dreidimensionale Formgebung auf. Unterhalb der dargestellten Spulen 12 sind schematisch die Querschnitte der elektrischen Leiter 14 dargestellt. In dem dargestellten Fall weisen die Spulen drei Windungen des elektrischen Leiters 14 auf
Die 7A zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Wickelschemas bzw. eines Anordnungsschemas für Spulen 12, welches beispielsweise ein Teilsystem eines Planarantriebs bilden kann, beispielsweise für den Antrieb in die x-Richtung oder in die y-Richtung. Beispielsweise können die Spulen 12 des Anordnungsschemas dazu ausgebildet sein, mit verschiedenen Phasen bestromt zu werden. Gemäß dem gezeigten Anordnungsschema befinden sich sämtliche Anschlüsse 18 der Spulen 12 auf einer Seite der Spulen 12 und sind insbesondere in den jeweiligen Wickelkopfbereichen 22 der Spulen 12 angeordnet. Die Spulen 12 weisen jeweils im Wesentlichen eine aktive Länge LA von 6 Polteilungen τp auf.
Die 7B zeigt eine Abwandlung der bevorzugten Ausführungsform gemäß 7A, wobei die in 7B gezeigte Ausführungsform hinsichtlich der Anzahl der Anschlüsse 18 bzw. Enden der elektrischen Leiter 14 der Spulen 12, welche von der Anordnung herausgeführt werden, minimiert ist.
8A zeigt eine Spulenanordnung oder eine Mehrschichtspule 10 mit mehreren Spulen 12, welche einer Formung und/oder Prägung unterzogen wurde, sodass die Spulenanordnung bzw. die Mehrschichtspule 10 eine dreidimensionale Formgebung aufweist. Insbesondere wurden dabei die Wickelkopfbereiche 22 relativ zum aktiven Bereich 20 abgebogen bzw. abgeknickt, sodass diese nicht in der Ebene des aktiven Bereichs 20 verlaufen. Ferner erstrecken sich gemäß der gezeigten Ausführungsform von einem der Wickelkopfbereiche 22 die Anschlüsse 18 nach unten. Sofern die Mehrschichtspule 10 bzw. die Anordnung der Spulen 12 derart angeordnet ist, dass der aktive Bereich 20 in einer x-y-Ebene verläuft, erstrecken sich die Wickelkopfbereiche 22 und die Anschlüsse 18 zumindest teilweise in eine z-Richtung, welche senkrecht auf der x-y-Ebene steht. Die dreidimensionale Formgebung der Spulenanordnung bzw. der Mehrschichtspule 10 ist dabei weitestgehend unabhängig von der ursprünglichen, zweidimensionalen Formgebung der Spulen 12, bevor diese durch eine Formung und/oder Prägung die dreidimensionale Form gebracht wurden.
8B zeigt beispielhaft in einer schematischen Darstellung die Herstellung von übereinander angeordneten, dreidimensional geformten Spulen 12. Dazu wird eine zunächst zweidimensional vorliegende Spule 12 entlang der Linien A-A und B-B abgebogen bzw. abgeknickt, sodass sich die Wickelkopfbereiche 22 nach unten erstrecken. Anschließend kann die dreidimensional geformte Spule auf einer anderen bereits dreidimensional geformten Spule 12 angeordnet werden, sodass diese vorzugsweise passgenau aufeinander angeordnet sind. Anschließend können beispielsweise die aufeinander angeordneten Spulen 12 miteinander verpresst und/oder verbacken werden, sodass diese eine bauliche Einheit bilden.
9 zeigt in vier Lagen bzw. Schichten übereinanderliegend angeordnete Spulen 12, bei welchen abermals die Wickelkopfbereiche 22 abgeknickt bzw. abgebogen wurden, und welche sodann miteinander verbacken und/oder verpresst wurden. Die Anordnung der Spulen 12 weist dabei eine minimale Anzahl von Anschlüssen 18 auf, welche an einem der Wickelkopfbereiche 22 ausgebildet sind und mittels welcher die Spulen 12 kontaktiert werden können. Die Spulen 12 sind gemäß der in 10 gezeigten Ausführungsform miteinander verflochten, wobei je zwei Lagen, z.B. in der Zeichenebene, für die x-Richtung und zwei Lagen, z.B. senkrecht zur Zeichenebene, für die y-Richtung vorhanden sind.
10 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Wickelschema eines Spulensystems bzw. Antriebselements, beispielsweise für einen Planarantrieb in x-Richtung oder in y-Richtung, mit 3 × 3 Spulen 12. Insbesondere ist die in 10 gezeigte bevorzugte Ausführungsform für eine Sternverbindung der unterschiedlichen Phasen ausgebildet. 11 zeigt somit eine mögliche Anordnung der verschiedenen Phasen einer Spulengruppe eines Spulensystems bzw. eines Antriebselements, welches drei Phasen aufweist und wobei für jede Phase jeweils drei Spulen ausgebildet sind. Die Anschlüsse 18 sind dabei alle in einem Wickelkopfbereich 22 des Spulensystems angeordnet. Gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen können die Anschlusspunkte bzw. Anschlüsse 18 auch anderenorts angebracht sein. Der aktive Bereich 20 des Spulensystems bzw. des Antriebselements weist dabei eine Länge LA von 6τp auf. Insbesondere können die Anschlüsse 18 derart angeordnet sein, dass diese in Draufsicht auf das Spulensystem bzw. Antriebselement nicht erkennbar sind. Zwischen den Lagen des Spulensystems, bzw. zwischen einzelnen Spulen 12 und/oder zwischen mehreren Spulensystemen kann vorzugsweise noch eine Isolationsfolie und/oder eine Isolationsschicht ausgebildet sein, welche beispielsweise das Spulensystem bzw. die Spulen 12 gegenüber deren Umgebung thermisch und/oder elektrisch isoliert.
11 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Spulensystem bzw. Antriebselement gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit drei Phasen in einer Seitenansicht, bei welchem die Anschlüsse unterhalb bzw. innerhalb eines der Wickelkopfbereiche 22 angeordnet sind und insbesondere im Wesentlichen nicht seitlich aus den Wickelkopfbereichen herausragen bzw. im Wesentlichen vollständig unterhalb der Spulen 12 angeordnet sind.
12A zeigt in einer schematischen Darstellung ein Spulensystem für ein Statorsegment bzw. ein Antriebselement eines Planarantriebs, welches Spulen 12 mit drei Phasen für einen Antrieb in eine x-Richtung und Spulen 12 mit drei Phasen für einen Antrieb in y-Richtung aufweist.
Somit ist das Antriebselement für eine Spannungs- bzw. Stromversorgung mit insgesamt sechs Phasen ausgelegt, nämlich die Phasen Ax, Bx, Cx, Ay, By und Cy, wobei die Stromversorgung bzw. Spannungsversorgung einer jeden Phase jeweils drei Spulen 12 versorgt. Die Spulen 12, welche dem Antrieb in die x-Richtung dienen, verlaufen dabei in y-Richtung, während die Spulen 12, welche dem Antrieb in die y-Richtung dienen, in die x-Richtung verlaufen. Die Spulen 12 für den Antrieb in y-Richtung sind dabei oberhalb der darunterliegenden Spulen für den Antrieb in die x-Richtung angeordnet. Die Anschlüsse 18 für die Phasen Ax, Bx und Cx, sowie die Masse Nx sind dabei in einem der Wickelkopfbereiche 22 der Spulen 12 für den Antrieb in x-Richtung angeordnet, während die Anschlüsse 18 für die Phasen Ay, By, Cy sowie die Masse Ny in einem der Wickelkopfbereiche 22 der Spulen 12 für den Antrieb in y-Richtung angeordnet sind.
12B zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Spulensystems bzw. eines Antriebselements eines Planarantriebssystems in einer schematischen Darstellung, welches im Wesentlichen der in 12A gezeigten Ausführungsform entspricht und sich darin von dieser unterscheidet, dass die Sternpunkte nicht aus dem Spulensystem herausgeführt sind, wodurch sich die Anzahl der Kontakte bzw. Anschlüsse 18 deutlich reduziert.
13 zeigt ein Spulensystem bzw. ein Antriebselement gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 12B, welches in einem Gehäuse 44 angeordnet ist. Das Gehäuse 44 umfasst dabei vorzugsweise Kohlefasern oder besteht aus Kohlefasern. Die Spulenanordnung bzw. die Spulen 12 sind dabei mittels Befestigungselementen 46 an dem Gehäuse 44 befestigt, wobei die Befestigungselemente 46 vorzugsweise aus einem elektrisch nicht-leitenden und nicht-magnetischen Material ausgebildet sind. Ferner weist die in 13 gezeigte bevorzugte Ausführungsform Temperatursensoren 48 auf, welche über separate Temperatursensoranschlüsse 50 kontaktiert werden können. Mittels der Temperatursensoren 48 kann vorzugsweise eine Temperatur im Inneren des Gehäuses 44 und/oder eine Temperatur von zumindest einem Teil der Spulen 12 gemessen werden.
14 zeigt das Spulensystem mit Gehäuse gemäß der bevorzugten Ausführungsform aus 13 in einer schematischen Seitenansicht. Die Spulen 12a dienen dabei einem Antrieb in x-Richtung, während die Spulen 12b einem Antrieb in die y-Richtung dienen. Die Spulen 12a und 12b sind dabei in einem Gehäuse 44 angeordnet, welches vorzugsweise Kohlefasern umfasst. Die Spulen 12a und 12b verlaufen senkrecht zueinander.
15 zeigt eine Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welche aus vier einzelnen Segmenten zusammengesetzt ist, wobei jedes Segment durch ein Spulensystem mit Gehäuse, wie in 13 und 14 dargestellt, gebildet wird. Aufgrund der dreidimensionalen Formgebung der Spulen 12 und insbesondere aufgrund der abgeknickten bzw. abgebogenen Wickelkopfbereiche 22 und der entsprechenden Anordnung der Kontakte 18 können derartige Segmente in nahezu beliebiger Anzahl in x-Richtung und/oder in y-Richtung aneinandergereiht werden. Ferner bietet die bevorzugte Ausführungsform den Vorteil, dass aufgrund der abgeknickten bzw. abgebogenen Wickelkopfbereiche etwaige passive Bereiche 24 zwischen den einzelnen Segmenten und/oder im Grenzbereich zwischen benachbarten Segmenten minimiert werden, und auf diese Weise etwaige Schwachstellen des Antriebs bzw. des Planarantriebs vermieden werden können. 16 zeigt die bevorzugte Ausführungsform der Anordnung aus 15 in einer schematischen Querschnittsansicht.
Die 17A und 17B zeigen ein Antriebselement und eine Anordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, wobei die 17A ein einzelnes Antriebselement zeigt, während 17B zwei nebeneinander angeordnete, aneinander angrenzende Antriebselemente zeigt. Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform weist das Antriebselement in den Wickelkopfbereichen 22 zwei Wickelkopfbereichskühlelemente 52 auf, welche dazu eingerichtet sind, das Antriebselement bzw. die Spulen 12 im jeweiligen Wickelkopfbereich 22 zu kühlen. Ferner weist das Antriebselement Kühlelemente 54 im aktiven Bereich 20 des Antriebselements auf, welche unterhalb der Spulen 12 angeordnet sind und dazu eingerichtet sind, die Spulen 12 im aktiven Bereich 20 zu kühlen. Während die Wickelkopfbereichskühlelemente 52 gemäß der bevorzugten Ausführungsform mit den Spulen 12 im Wickelkopfbereich 22 zusammen mit einer Vergussmasse 56 vergossen sind, sind die Kühlelemente 54 im aktiven Bereich separat an die Spulen 12 bzw. an dem Antriebselement angeordnet und befestigt und nicht mit diesem vergossen, wobei auch andere Befestigungsmöglichkeiten möglich sind. Die Vergussmasse 56 umfasst vorzugsweise ein thermisch leitfähiges und elektrisch isolierendes Material.
Gemäß der gezeigten Ausführungsform sind die Kühlelemente 54 im aktiven Bereich an einer Unterseite des Gehäuses 44 angeordnet und befestigt. Beispielsweise können in anderen bevorzugten Ausführungsformen die Kühlelemente 54 im aktiven Bereich 20 mit den Spulen 12 vergossen sein, während die Wickelkopfbereichskühlelemente 52 separat an dem Antriebselement befestigt sind.
Die Kühlelemente 54 und die Wickelkopfbereichskühlelemente 52 sind vorzugsweise als Kühlkanäle ausgebildet und vorzugsweise dazu ausgelegt, von einem Kühlfluid, insbesondere von einer Kühlflüssigkeit, wie etwa Kühlwasser, durchströmt zu werden, um auf diese Weise von bzw. in den Spulen 12 erzeugte Wärme abzuführen. Die Kühlelemente 54 und die Wickelkopfbereichskühlelemente 52 dienen dabei einem effektiven Wärmeabtransport, wodurch ein Überhitzen der Spulen 12 sowie eine thermisch bedingte Verformung der Spulen vermieden werden kann. Dadurch kann die Positionierungsgenauigkeit erhöht werden.
Bei einer aneinandergrenzenden Anordnung von Antriebselementen, wie in 17B gezeigt, sind vorzugsweise zwischen den angrenzenden Antriebselementen, insbesondere zwischen deren Wickelkopfbereichen 22, Verbindungselemente 58 angeordnet, welche dazu dienen, die Anordnung aus mehreren Antriebselementen zu stabilisieren, so dass diese vorzugsweise keine Relativbewegung zueinander ausüben können, sondern vorzugsweise starr miteinander verbunden sind.
Die bevorzugte Ausführungsform ermöglicht eine homogene und vorzugsweise unterbrechungsfreie Antriebsfläche für einen Antrieb, insbesondere in x-Richtung. Ferner ist die gezeigte Ausführungsform vorteilhaft hinsichtlich des Wirkungsgrades und hinsichtlich eines vibrationsarmen Betriebs. Somit können mittels dieser bevorzugten Ausführungsform auch für große Beförderungsdistanzen besonders vorteilhafte Betriebseigenschaften und eine hohe Positionierungsgenauigkeit erzielt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/059934 A1 [0005]
US 6452292 [0006]

Claims

Mehrschichtspule (10) für ein Antriebselement eines Planarantriebssystems, aufweisend: eine Mehrzahl von Spulen (12), wobei die Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) miteinander elektrisch verbunden sind, wobei jede Spule (12) der Mehrzahl von Spulen (12) zumindest zwei Windungen aus einem elektrischen Leiter (14) aufweist, wobei die zumindest zwei Windungen durch ein wärmeleitfähiges Isolationsmaterial (42) miteinander derart mechanisch starr verbunden sind, dass die Spulen (12) selbsttragend ausgebildet sind, und wobei jede Spule (12) der Mehrzahl von Spulen (12) jeweils in einer separaten Schicht (124a, 124b, 124m, 124n) angeordnet ist.
Mehrschichtspule (10) nach Anspruch 1, wobei der elektrische Leiter (14) einen metallischen Draht und/oder eine metallische Folie umfasst.
Mehrschichtspule (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die zumindest zwei Windungen durch das wärmeleitfähige Isolationsmaterial (42) miteinander verklebt und/oder vergossen sind.
Mehrschichtspule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter (10) und das wärmeleitfähige Isolationsmaterial (42) zusammen als ein Thermodraht ausgebildet sind.
Mehrschichtspule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) derart übereinander angeordnet sind, dass die Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) in Ihrem Querschnitt zumindest teilweise überlappen.
Mehrschichtspule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) parallel zueinander angeordnet sind und/oder wobei die separaten Schichten (124a, 124b, 124m, 124n) zumindest teilweise parallel zueinander verlaufen.
Mehrschichtspule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) an einer jeweiligen Spulenachse (116) zugewandten Seite mittels eines Verbindungselements (36) miteinander elektrisch verbunden sind, und wobei sich das elektrische Verbindungselement (36) zumindest teilweise parallel zur jeweiligen Spulenachse (116) erstreckt.
Mehrschichtspule (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede Spule (12) der Mehrzahl von Spulen (12) einen aktiven Bereich (20), zwei Wickelkopfbereiche (22) und einen Anschlussbereich aufweist, wobei zumindest einer der zwei Wickelkopfbereiche (22) und/oder der Anschlussbereich nicht mit dem aktiven Bereich (20) in einer Ebene liegend angeordnet sind.
Mehrschichtspule (10) nach Anspruch 8, die wenigstens ein Wickelkopfbereichskühlelement (52) zur Kühlung wenigstens eines der zwei Wickelkopfbereiche (22) und/oder wenigstens ein Kühlelement (54) zur Kühlung des aktiven Bereichs (20) aufweist.
Antriebselement für ein Planarantriebssystem umfassend zumindest eine Mehrschichtspule (10) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche.
Antriebselement gemäß Anspruch 10, umfassend zumindest eine erste Mehrschichtspule (10) und eine zweite Mehrschichtspule (10), wobei die erste und die zweite Mehrschichtspule (10) derart miteinander verschachtelt angeordnet sind, dass zwischen zwei Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) der ersten Mehrschichtspule eine Spule (12) der Mehrzahl von Spulen (12) der zweiten Mehrschichtspule (10) angeordnet ist.
Antriebselement gemäß Anspruch 11, wobei die erste Mehrschichtspule (10) für einen Antrieb zumindest eines Transportkörpers relativ zum Antriebselement in eine erste Beförderungsrichtung eingerichtet und/oder angeordnet ist und die zweite Mehrschichtspule (10) für einen Antrieb des zumindest einen Transportkörpers in eine von der ersten Beförderungsrichtung verschiedene zweite Beförderungsrichtung eingerichtet und/oder angeordnet ist.
Planarantriebssystem mit einem Antriebselement gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 und/oder mit einer Mehrschichtspule (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zur Herstellung einer Mehrschichtspule (10), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend: - Bereitstellen einer Mehrzahl von elektrischen Leitern (14), welche mit einem wärmeleitfähigen Isolationsmaterial (42) umgeben sind; - gleichzeitiges Wickeln der Mehrzahl von elektrischen Leitern (14) zu einer Mehrzahl von Spulen (12) um eine Wickelhaspel (26), wobei die Spulen der Mehrzahl von Spulen (12) jeweils durch zumindest eine Formplatte (28, 30, 40) zumindest teilweise räumlich voneinander getrennt sind und wobei die Mehrzahl von Spulen (12) jeweils in mehreren Windungen konzentrisch um eine Drehachse (116) der Wickelhaspel gewickelt werden; - elektrisches Kontaktieren der Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) miteinander mittels eines elektrischen Verbindungselements (36), wobei das elektrische Verbindungselement (36) an einer der Drehachse (116) der Wickelhaspel zugewandten Seite der zu kontaktierenden Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) angeordnet ist und zumindest teilweise parallel zur Drehachse (116) der Wickelhaspel verläuft; - mechanisches Verbinden der Windungen jeder jeweiligen Spule (12) der Mehrzahl von Spulen (12) derart, dass jede Spule (12) eine mechanisch starre Form aufweist; und - Entfernen der Wickelhaspel (25) von der Mehrschichtspule (10).
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das mechanische Verbinden der Windungen ein Erhitzen und/oder ein Aushärten der Windungen der jeweiligen Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) umfasst, und/oder wobei das mechanische Verbinden der Windungen der jeweiligen Spulen (12) der Mehrzahl von Spulen (12) ein Vergießen mit einem wärmeleitfähigen Hüllenmaterial umfasst.