DE102007045946A1 - Coil e.g. rectangular coil, producing method for generating spatially defined, controllable magnetic field, involves rolling flexible, electrical insulating substrate on which conductor is superimposed or in which conductor is placed - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Spule und eine Spule.The The invention relates to a method for producing a coil and a coil.
Im Stand der Technik erfolgt eine Erzeugung räumlich definierter, steuerbarer Magnetfelder mittels Erregerspulen, die aus einem oder mehreren zweckmäßig angeordneten elektrischen Leitern, z. B. Metalldrähten oder Metallfolien, bestehen und von elektrischen Strömen durchflossen werden.in the State of the art is a generation of spatially defined, controllable Magnetic fields by means of excitation coils, which consist of one or more arranged appropriately electrical conductors, z. As metal wires or metal foils exist and electric currents be flowed through.
Üblicherweise bestehen elektrische Spulen aus einem mit einer definierten Windungsanzahl um ein magnetisches oder nichtmagnetisches Kernmaterial gewickelten, hochwertigen elektrischen Leiter, z. B. einem Metalldraht oder einer Metallfolie. Die Drähte oder Folien sind dabei entweder frei oder definiert auf einen Spulenkörper gewickelt und mittels einer Isolationslage, z. B. einem Lack, elektrisch isoliert.Usually electric coils consist of one with a defined number of turns wrapped around a magnetic or non-magnetic core material, high quality electrical conductor, z. B. a metal wire or a Metal foil. The wires or foils are either free or defined wound on a bobbin and by means of an insulating layer, e.g. As a paint, electrically isolated.
Spulen können beispielsweise nach einer Spulenform, z. B. Zylinderspulen, Rechteckspulen, Formspulen, nach einer Spulenausführung, z. B. Drahtspulen, Folienspulen, nach einer Spulenwicklung, z. B. Reihenwicklung, orthozyklische Wicklung, ungeordnete Wicklung, oder einer Spulenanzahl, z. B. mit einer Spule, mit mehreren Spulen, deren elektrische Felder sich überlagern, eingeteilt werden.Do the washing up can for example, according to a coil shape, z. B. cylindrical coils, rectangular coils, form coils, after a coil execution, z. B. wire coils, foil coils, after a coil winding, z. B. In-line winding, orthocyclic winding, disordered winding, or a number of coils, z. B. with a coil, with several coils, whose electric fields overlap, to be grouped.
Weiterhin sind im Stand der Technik Folien- oder Bandspulen bekannt, bei welchen mit dem Ziel eines hohen Leiterfüllfaktors ein Folien- oder Bandmaterial aufgewickelt wird, wobei einzelne Lagen des Folien- oder Bandmaterials mittels einer eingebrachten Isolationsschicht voneinander elektrisch isoliert ausgeführt sind.Farther Foil or tape reels are known in the art, in which with the goal of a high conductor fill factor a film or tape material is wound, with individual Layers of the film or strip material by means of an introduced Insulation layer are executed electrically isolated from each other.
Nachteilig ist jedoch, dass bei Spulensystemen, wie z. B. Statorwicklungen in Elektromotoren oder Multipolspulen in elektronenoptischen Geräten, das zuvor beschriebene klassische Wickeln der Spulen sehr aufwändig ist. Dabei müssen Einzelspulen nach einem definierten Wickelschema derart gewickelt werden, dass bei einer Beaufschlagung der Spulen mit einem elektrischen Strom ein dreidimensionales Magnetfeld erzeugt wird, dessen Feldstärke- und Induktionsverteilung genau definiert ist. Bei geringen Herstellungsstückzahlen ist häufig ein aufwändiges manuelles Bewickeln notwendig, bei großen Herstellungsstückzahlen werden mechanische Vorrichtungen verwendet, mit denen der elektrische Leiter, z. B. der Metalldraht, gewickelt und durch einen Statorhohlkörper geführt wird.adversely is, however, that in coil systems, such. B. stator windings in electric motors or multipole coils in electron-optical devices, the previously described classic winding the coil is very expensive. It must Single coils wound according to a defined winding scheme be that when an energization of the coils with an electric Power is generated a three-dimensional magnetic field, its field strength and Induction distribution is precisely defined. For small production quantities is common an elaborate one manual winding necessary, with large production quantities mechanical devices are used with which the electrical conductor, z. B. the metal wire, wound and passed through a Statorhohlkörper.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Spule und eine Spule anzugeben, die insbesondere die im Stand der Technik angegebenen Nachteile überwinden.The The object of the invention is an improved method to provide for the preparation of a coil and a coil, in particular the overcome disadvantages indicated in the prior art.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 und durch eine Spule mit der Merkmalskombination gemäß Anspruch 21.The solution The object succeeds according to the invention by a method with the Feature combination according to claim 1 and by a coil with the combination of features according to claim 21st
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.advantageous Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Spule wird ein flexibles, elektrisch isolierendes Substrat, auf welches ein Stromleiter aufgebracht oder in welches der Stromleiter eingebracht ist, gerollt. Dabei ist es notwendig, dass auch dass Leitermaterial des Stromleiters flexibel ausgeführt ist, d. h. derart ausgebildet ist, dass ein Rollen des elektrisch isolierenden Substrates mit aufgebrachtem oder eingebrachtem Stromleiter keine Beschädigung oder Zerstörung einer Struktur des Stromleiters verursacht.at the method according to the invention For producing a coil is a flexible, electrically insulating Substrate on which a current conductor is applied or in which the conductor is inserted, rolled. It is necessary that also conductor material of the conductor is made flexible, d. H. is formed such that a rolling of the electrically insulating Substrates with applied or introduced conductor none damage or destruction caused a structure of the conductor.
Dabei wird das flexible, elektrisch isolierende Substrat mit dem aufgebrachten oder eingebrachten Stromleiter derart gerollt, dass die Spule eine zylindrische Form aufweist. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Kreiszylinder, einen Quader oder ein Prisma mit einer unterschiedlichen Anzahl von Mantelflächen handeln.there becomes the flexible, electrically insulating substrate with the applied or introduced conductor so rolled that the coil a has cylindrical shape. This may, for example, to a circular cylinder, a cuboid or a prism with a different one Number of lateral surfaces act.
Anhand des Rollens des flexiblen, elektrisch isolierenden Substrates mit dem aufgebrachten oder eingebrachten Stromleiter wird eine dreidimensionale Leiterstruktur erreicht, so dass bei einer Beaufschlagung mit einem elektrischen Strom in vorteilhafter Weise ein Magnetfeld mit einer genau definierten, vorgegebenen Feldstruktur erzeugbar ist.Based the rolling of the flexible, electrically insulating substrate with the applied or introduced conductor is a three-dimensional Achieved ladder structure, so that when subjected to a Electric current advantageously a magnetic field with a exactly defined, predetermined field structure can be generated.
Besonders vorteilhaft ist es, dass aus dem Aufrollen des flexiblen, elektrisch isolierenden Substrates mit aufgebrachten oder eingebrachten Stromleitern eine Spule resultiert, die im Vergleich zu herkömmlichen Drahtwicklungen eine verbesserte thermische Leitfähigkeit aufweist. Diese verbesserte Wärmeleitfähigkeit wird insbesondere dadurch erreicht, dass die einzelnen Lagen der Spule, beispielsweise mittels Pressung, so miteinander verbunden sind, dass keine Lufteinschlüsse innerhalb der Spule existieren. Alternativ oder zusätzlich kann zwischen die einzelnen Lagen eine Zwischenschicht, insbesondere ein thermischer Leiter, z. B. ein thermisch leitender Klebstoff, eingebracht werden. Somit kann trotz eines geringen Leiterfüllfaktors, der in vorteilhafter Weise zu einem geringen Gewicht der Spule führt, eine hohe zulässige Stromdichte erreicht werden. Der Leiterfüllfaktor gibt dabei den Anteil des Leitervolumens, z. B. des Volumens von Kupfer, zum Gesamtvolumen der Spule an.Especially It is advantageous that from the rolling of the flexible, electric insulating substrate with applied or introduced conductors a coil results in comparison to conventional wire windings a improved thermal conductivity having. This improved thermal conductivity is achieved in particular by the fact that the individual layers of Coil, for example by pressing, are interconnected, that no air pockets exist within the coil. Alternatively or additionally between the individual layers an intermediate layer, in particular a thermal conductor, z. B. a thermally conductive adhesive, be introduced. Thus, despite a low conductor fill factor, which leads advantageously to a low weight of the coil, a high permissible Current density can be achieved. The conductor fill factor gives the proportion the conductor volume, z. As the volume of copper to the total volume to the coil.
Ferner wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vor dem Rollen ein Stromleiter zumindest einschichtig auf oder in mindestens eine Seite des flexiblen, elektrisch isolierenden Substrates aufgebracht oder eingebracht. Das heißt, dass auf das flexible, elektrisch isolierende Substrat entweder einseitig oder beidseitig Stromleiter aufgebracht oder eingebracht sind, wobei die Stromleiter ein- oder mehrschichtig ausgeführt sind. Die Stromleiter können dabei derart aufgebracht oder eingebracht werden, dass eine oder mehrere Flachspulen auf einer Lage erzeugt werden. Die Flachspulen können dabei beispielsweise als Spiralspule, Mäanderspule oder als Helixspule mit einem magnetischen Leiter ausgeführt sein.Furthermore, in the inventive Method before rolling a conductor applied at least one layer on or in at least one side of the flexible, electrically insulating substrate or introduced. This means that the flexible, electrically insulating substrate is either applied or introduced on one or both sides of the current conductors, wherein the current conductors are designed in one or more layers. The current conductors can be applied or introduced in such a way that one or more flat coils are produced on one layer. The flat coils can be designed, for example, as a spiral coil, meander coil or as a helix coil with a magnetic conductor.
Das flexible, elektrisch isolierende Substrat wird zu mehreren Lagen mit lagenweise korrespondierenden Abschnitten von Stromleitern aufgerollt. Die lagenweise korrespondierenden Abschnitte von Stromleitern können dabei in einer Reihe und/oder parallel auf dem Substrat angeordnet sein. Das Aufbringen der Stromleiter wird insbesondere mit einem lithografischen Herstellungsverfahren ausgeführt, welches einfach re alisierbar ist und eine präzise Positionierung der Stromleiter ermöglicht.The flexible, electrically insulating substrate becomes multiple layers Rolled up with layers of corresponding sections of conductors. The Layerwise corresponding sections of conductors can thereby be arranged in a row and / or parallel on the substrate. The application of the current conductor is in particular a lithographic Produced manufacturing process, which It is easy to reorient and precise positioning of the conductors allows.
Dabei können die Stromleiter einer Lage untereinander und/oder lagenweise korrespondierende Abschnitte von Stromleitern einer Lage und/oder verschiedener Lagen an Kontaktflächen elektrisch miteinander verbunden werden. Somit ist es möglich, die Stromleiter je nach vorgegebenen Anforderungen so elektrisch zu verschalten, dass beispielsweise bei einer zyklischen Anordnung der lagenweise korrespondierenden Stromleiter ein Multipol, z. B. ein Dipol, ein Kreuzdipol, ein Quadrupol oder ein Hexapol mit der gerollten Spule realisierbar ist. Diese Schaltungsanordnungen sind mit herkömmlichen Spulenanordnungen nur sehr aufwändig, dagegen mit der vorliegenden Erfindung einfach und kostengünstig umsetzbar.there can the conductors of a layer with each other and / or layers corresponding sections of conductors of a layer and / or different layers of contact surfaces electrically be connected to each other. Thus, it is possible the power conductors depending on preset requirements so electrically connect, for example in a cyclic arrangement of the layerwise corresponding Power conductor a multipole, z. A dipole, a cross dipole, a quadrupole or a hexapole can be realized with the rolled coil. These Circuit arrangements are with conventional coil arrangements very expensive, in contrast, with the present invention, simple and inexpensive to implement.
Weiterhin können von den Kontaktflächen aus über einen Längsrand des Substrates überstehende Fahnen ausgebildet sein, mittels derer die lagenweise korrespondierenden Abschnitte von Stromleitern verschiedener Lagen elektrisch miteinander verbunden werden und die Spule von außen in einfacher Weise elektrisch kontaktierbar ist.Farther can from the contact surfaces via a longitudinal edge protruding from the substrate Flags be formed by means of which the corresponding layers Sections of conductors of different layers electrically connected be and the coil from the outside can be electrically contacted in a simple manner.
Die überstehenden Fahnen werden dabei zur elektrischen Kontaktierung der lagenweise korrespondierenden Abschnitte von Stromleitern verschiedener Lagen oder zu einer elektrischen Kontaktierung von außen mittels eines Löt-, Bond-, Klebe- und/oder eines Klemmverfahrens elektrisch verbunden.The supernumerary Flags are used for electrical contacting of the layers corresponding sections of conductors of different layers or to an external electrical contact by means of a soldering, bonding, Adhesive and / or a clamping method electrically connected.
Die verschiedenen Lagen der Spule werden zusätzlich punktuell und/oder flächig stoffschlüssig, kraftschlüssig oder formschlüssig, z. B. mittels Niet-, Schweiß-, Löt- oder Klebetechniken miteinander verbunden. Weiterhin werden Abstände zwischen den Abschnitten von Stromleitern derart sich vergrößernd ausgebildet, dass beim Rollen mit sich lagenweise vergrößerndem Umfang der Lagen korrespondierende Abschnitte von Stromleitern versatzlos übereinander liegen. Das lithografische Herstellungsverfahren ermöglicht es, dass die Lage jedes Stromleiters präzise vorgegeben werden kann. Somit wird eine Durchkontaktierung der lagenweise korrespondierenden Abschnitte von Stromleitern verschiedener Lagen an den Kontaktflächen ermöglicht.The different layers of the coil are additionally punctiform and / or surface cohesive, non-positive or a form fit, z. B. by riveting, welding, Soldering or Bonding techniques linked together. Furthermore, distances between the sections of conductors designed so enlarging, that when rolling with layer by layer increasing extent of the layers corresponding Sections of conductors lie one above the other without offset. The lithographic Manufacturing process allows that the position of each conductor can be specified precisely. Thus, a via of the layerwise corresponding Sections of conductors of different layers at the contact surfaces allows.
Weiterhin wird eine lagenweise Überprüfung auf Versatz der übereinander liegenden, korrespondierenden Abschnitte von Stromleitern anhand einer Verwendung von Markierungen, insbesondere einer Markierung pro Umfang, erreicht. Dazu werden auf dem flächigen Substrat insbesondere Justagemarken oder Justagelöcher eingebracht, die neben einer Verwendung als Markierung in vorteilhafter Weise gleichzeitig als Verbindungspunkte der einzelnen Lagen mittels Niet-, Schweiß-, Löt- oder Klebetechniken verwendet werden können.Farther gets a layer by layer check up Offset the one above the other lying, corresponding sections of conductors based a use of markings, in particular a mark per scope, reached. For this purpose, in particular on the flat substrate Adjustment marks or alignment holes introduced, in addition to a use as a marker in advantageous Way at the same time as connecting points of the individual layers means Rivet, welding, Soldering or gluing techniques used can be.
Ein Versatz übereinander liegender korrespondierender Abschnitte von Stromleitern wird lagenweise mittels einer Korrektur ausgeglichen, wobei diese Korrektur speziell anhand einer Variierung einer Stärke einer zwischen den einzelnen Lagen angeordneten Zwischenschicht vorgenommen wird. Dazu kann beispielsweise eine Menge an Klebstoff zwischen den einzelnen Lagen variiert werden.One Offset one above the other lying corresponding sections of conductors is in layers balanced by means of a correction, this correction being specific based on a variation of a strength an intermediate layer arranged between the individual layers is made. For this, for example, a lot of glue between the individual layers are varied.
In die Spule können zusätzlich Hohlräume eingearbeitet werden, in denen weichmagnetische und/oder hartmagnetische Elemente anordbar sind. Diese Hohlräume entstehen entweder vor dem Rollen durch Einbringen von Hohlräumen in das flexible, elektrisch isolierende Substrat oder können nach dem Rollen, z. B. mittels eines Bohrers oder eines Lasers, in die Spule eingebracht werden.In the coil can additionally Cavities incorporated in which soft magnetic and / or hard magnetic elements can be arranged. These cavities arise either before rolling through the introduction of cavities in the flexible, electrically insulating substrate or can after the Roles, z. B. by means of a drill or a laser, in the coil be introduced.
Weiterhin können Eisenkreisteile teilweise und/oder vollständig eingearbeitet werden. Diese werden beim Rollen von dem Substrat vollständig umwickelt oder werden nach dem Rollen in Hohlräume, die gemäß den Hohlräumen für die weichmagnetischen und/oder hartmagnetischen Elemente erzeugt werden, eingebracht.Farther can Ironwork parts partially and / or completely incorporated. These are completely wrapped or rolled in rolls from the substrate after rolling in cavities, in accordance with the cavities for the soft magnetic and / or hard magnetic elements are introduced introduced.
Aus dem gezielten Einbringen von weich- und/oder hartmagnetischen Elementen sowie von Eisenkreisteilen resultiert der Vorteil, dass ein Verlauf und die Größe eines magnetischen Flusses bei der Herstellung der Spule beeinflusst bzw. vorgegeben werden kann.Out the targeted introduction of soft and / or hard magnetic elements As well as iron parts, the advantage that a course and the size of a influenced or magnetic flux during the production of the coil can be specified.
Während des Rollens der Spule können elektrische Bauelemente, z. B. ohmsche Widerstände, Kapazitäten oder Transistoren, in die Spule eingearbeitet und mit den Kontaktflächen der Stromleiter elektrisch verbunden werden. Somit können bei der Herstellung der Spule komplexe elektrische Schaltungen kleinbauend realisiert werden. Die elektrischen Bauelemente können alternativ und/oder zusätzlich auch nach dem Rollen so an der Spule angeordnet werden, dass diese mittels der überstehenden Fahnen elektrisch mit den Stromleitern verbindbar sind.While rolling the coil can electrical components, eg. As ohmic resistors, capacitors or transistors, incorporated into the coil and are electrically connected to the contact surfaces of the conductors. Thus, in the manufacture of the coil complex electrical circuits can be realized physically small. As an alternative and / or in addition, the electrical components can also be arranged on the coil after rolling such that they are electrically connectable to the conductors by means of the projecting lugs.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.The Invention will be explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.
Dabei zeigen:there demonstrate:
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.each other corresponding parts are in all figures with the same reference numerals Mistake.
Gezeigt
ist eine Lage des Substrates
Die
Stromleiter
Zu
einer Anwendung der Durchkontaktierung
Eine
Korrektur der Anordnung der einzelnen Lagen kann mittels einer Variation
einer Stärke
einer in
In
das Substrat
Weiterhin
können
an den Kontaktflächen
Die
Herstellung der Spule
Anhand
der dargestellten periodischen/zyklischen Anordnung der Flachspulen
kann bei dem Rollen des Substrates
Zwischen
den einzelnen Lagen des Substrates
Durch
das Rollen wird ferner eine dreidimensionale Leiterstruktur erreicht,
so dass bei einer Beaufschlagung der Stromleiter
- 11
- SpuleKitchen sink
- 22
- Stromleiterconductor
- 33
- Substratsubstratum
- 44
- Kontaktflächecontact area
- 55
- Hohlraumcavity
- 66
- Grundkörperbody
- 77
- Zwischenschichtinterlayer
- 88th
- Spiralspulespiral coil
- 99
- Durchkontaktierungvia
- 1010
- Markierungenmarks
- 1111
- Mäanderspulemeandering
- 1212
- Helixspulehelix coil
- 1313
- FahneBanner, flag
- 1414
- Längsrandlongitudinal edge
- 1515
- magnetischer Leitermagnetic ladder
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