DE102009016042B4

DE102009016042B4 - Voice-Coil-Actuator und Verfahren zum Herstellen desselben

Info

Publication number: DE102009016042B4
Application number: DE102009016042A
Authority: DE
Inventors: Randolf Hoche
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2011-02-10
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: DE102009016042A1; WO2010112447A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Voice-coil-Aktuator mit einem permanentmagnetischen Stator (54) und einem als Induktionspule (110) ausgebildeten Läufer (50), wobei die Läuferspule (110) aus ringartigen Segmenten (30) aus eloxierter Aluminiumfolie (36) gefertigt ist, wobei jedes Segment auf jeder Seite jeweils einen nichteloxierten Kontaktbereich (32, 34) aufweist, der mit dem entsprechenden Kontaktbereich des jeweils benachbarten Segments leitend verbunden ist, und wobei die beiden Kontaktbereiche eines jeden Segments in Umfangsrichtung versetzt und durch einen nichtleitenden Bereich (38) voneinander getrennt angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Voice-Coil-Actuator mit einem permanentmagnetischen Stator und einem als Induktionsspule ausgebildeten Läufer. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Aktuators.
Die Leistungsfähigkeit von Motoren wird u. a. durch deren Kraftkonstante (Kraft pro Strom) und Motorkonstante (Kraftkonstante geteilt durch die Wurzel aus dem Spulenwiderstand) charakterisiert. Die Motorkonstante sagt etwas über die Effizienz des Motors aus. Durch die Verwendung von dünnerem Draht kann man mehr Windungen im Motor unterbringen und somit die Kraftkonstante in gewissem Rahmen erhöhen. Die erhöhte Anzahl von Wicklungen bewirkt aber auch, dass der Widerstand und somit die Verlustleistung steigt. Somit ist die Motorkonstante in Bezug auf die Leistungsfähigkeit eines bestimmten Motors aussagekräftiger als die Kraftkonstante.
Motoren der eingangs genannten Art werden in der Regel mit Kupfer-Runddraht gewickelt. Dadurch entstehen Hohlräume, die ungenutzt bleiben; man spricht bei Spulen in diesem Zusammenhang vom Füllfaktor. Am stärksten tritt die Verminderung des Füllfaktors an der Kante zum Spulenkörper auf, ist jedoch auch zwischen den Lagen nicht unerheblich und hängt generell nicht vom Radius des Drahts ab. So kommt ein Motor mit vier Lagen z. B. lediglich auf einen Füllfaktor von 66%.
Ferner haben Motoren der eingangs genannten Art üblicherweise einen topfförmigen Wickelkern, was folgende Nachteile mit sich bringt. Der Kern erhöht die bewegte Masse, ohne an der Krafterzeugung beteiligt zu sein – im Gegensatz zum stromdurchflossenen Draht, der zwar auch bewegt wird, aber die ihn bewegende Kraft auch erzeugt. Ferner besteht der Wickelkern häufig aus Aluminium. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass beim Bewegen des Topfes im Magnetfeld Wirbelströme entstehen, welche die Bewegung zum Teil erheblich bremsen und den Motor somit ineffizienter machen. Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, besteht darin, den Topf seitlich zu schlitzen, was jedoch einen erhöhten Fertigungsaufwand bedeutet und die Wirbelströme nicht vollständig beseitigt.
Aus der DE 31 38 624 A1 ist eine Transformatorspule bekannt, welche aus eloxierter Aluminiumfolie in Bandform gewickelt ist. In der DE 36 22 973 C2 ist eine Schwingspule für einen Lautsprecher beschrieben, welche aus eloxierter Aluminiumfolie gewickelt ist. In der DE 6750471 U1 ist eine aus eloxierter Aluminiumbandfolie auf ein Tragrohr gewickelte Spule bekannt, wobei sich keine Angaben zu deren Verwendung finden.
In der DE 32 12 060 A1 ist allgemein eine Verklebung von Wicklungen aus Aluminiumfolie für Trockentransformatoren beschrieben.
Aus eloxiertem Aluminiumband gewickelte Induktionsspulen für stationäre Anwendungen sind beispielsweise unter der Bezeichnung „ANO-FOL” von der Firma Steinert Elektromagnetbau GmbH, Köln, erhältlich.
In der DE 100 48 491 A1 und der DE 10 2004 044 986 A1 ist die Verwendung von aus Flachdraht gewickelten Spulen im Stator eines Elektromotors beschrieben.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Voice-Coil-Actuator der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher besonders effizient ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Aktuator gemäß Anspruch 1 bzw. 11 sowie durch ein entsprechendes Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 15.
Die erfindungsgemäße Lösung ist insofern vorteilhaft, als dadurch, dass die Läuferspule aus ringartigen Segmenten aus eloxierter Aluminiumfolie gefertigt ist bzw. aus eloxiertem Aluminiumflachdraht gewickelt ist, einerseits ein sehr hoher Füllfaktor und andererseits im Vergleich zur Verwendung von Kupferdraht aufgrund der geringeren Dichte von Aluminium eine Gewichtsersparnis erzielt wird, was sich vorteilhaft auf die zu erreichenden Beschleunigungen auswirkt. Im Vergleich zu einer aus Runddraht gewickelten Spule nimmt durch die Ausfüllung der Hohlräume gewissermaßen die Querschnittsfläche des Drahtes zu und somit der Widerstand ab. Dies hat eine Verbesserung der Motorkonstante zur Folge.
Durch Verklebung der Wicklungen bzw. der ringartigen Foliensegmente kann eine Spule erzeugt werden, die selbsttragend ist und somit keinen Wickelkern mehr benötigt. Dabei kann eine runde Scheibe aus geeignetem Material an ein Ende der Spule geklebt werden, so dass eine topfförmige Anordnung entsteht. Durch den schichtartigen Aufbau bzw. den permanenten Materialwechsel in der Spule axialer und ggf. auch in radialer Richttung erhält man ein gutes Dämpfungsverhalten des Motors bezüglich unerwünschter Resonanzen, da sich eine geringe Schallübertragung bei mittleren (ab 20 Hz) bis hohen Frequenzen ergibt.
Die Lösung gemäß Anspruch 1 bzw. 15 ist insbesondere deshalb vorteilhaft, weil man das mühsame Wickeln der Spule, das zu einer gewissen Streuung im Füllfaktor führt, vermeiden kann, wodurch ferner eine sehr maßhaltige Spule erzeugt werden kann, womit man aufgrund der geringeren Toleranzen den verbleibenden Luftspalt zu verkleinern vermag. Dies erhöht die Wärmeleitfähigkeit und somit die Leistungsfähigkeit des Motors weiter (da ein Motor nicht überhitzen darf, gibt die Wärmeleitfähigkeit die Grenze der Belastbarkeit vor).
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert, wobei:
1 eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 eine Aufsicht auf ein Segment einer Spule gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3 eine seitliche schematische Ansicht einer aus Segmenten gemäß 2 aufgebauten Spule zeigt; und
4 schematisch einen eine erfindungsgemäße Spule verwendenden Aktuator zeigt.
In 1 ist ein Beispiel für eine Läuferspule 10 für einen Voice-Coil-Actuator gezeigt, die aus eloxiertem Aluminiumflachdraht 12 gewickelt ist, wobei die Wicklungen verklebt sind. Der Klebstoff, z. B. EPO-TEK 353ND, wird dabei in die verbleibenden Zwischenräume zwischen den Drahtwicklungen durch die Kapillarwirkung der porös ausgelegten Eloxal-Schicht eingesaugt. Auf diese Weise hält die Spule 10 in sich und benötigt keinen Wickelkern mehr. Eine runde Scheibe 14 aus geeignetem Material wird auf das eine Spulenende geklebt, so dass eine topfförmige Anordnung entsteht. Das andere Spulenende bleibt dabei offen. Die Scheibe 14 ist mit Öffnungen 16 versehen, durch welche die elektrischen Anschlüsse 18 der spule 10 hindurchgeführt werden können.
Typischerweise hat der Flachdraht folgende Abmessungen: Breite: etwa 3 mm, Dicke: etwa 0.5 mm. Es versteht sich, dass die Spule 10 mehrlagig aufgebaut ist, wobei typischerweise mehr als zwei Wicklungslagen vorgesehen sind.
In 2 und 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Läuferspule gezeigt, wobei die Läuferspule aus ringartigen Segmenten 30 aus eloxierter Aluminiumfolie gefertigt ist. Jedes Segment 30 weist dabei auf jeder Seite jeweils Kontaktbereich auf, der mit dem entsprechenden Kontaktbereich des jeweils benachbarten Segments leitend verbunden ist, wobei die beiden Kontaktbereiche eines jeden Segments in Umfangsrichtung versetzt und durch einen nicht-leitenden Bereich voneinander getrennt angeordnet sind.
In 2 ist der Kontaktbereich der sichtbaren Vorderseite mit 32 bezeichnet, während der Kontaktbereich der nicht sichtbaren Rückseite mit 34 bezeichnet ist. Die beiden Kontaktbereiche 32, 34 sind durch einen die Aluminiumfolie 36 durchtrennenden Schnitt 38 voneinander getrennt, d. h. der Schnitt 38 bildet einen nicht leitenden Bereich zwischen den beiden Kontaktbereichen 32 und 34. In 3 sind schematisch vier benachbarte Segmente 30A bis 30D gezeigt (die Abmessungen sind nicht maßstäblich), wobei die Kontaktbereiche 32A und 34B der Segmente 30A bzw. 30B mittels leitfähigem Kleber 42 miteinander verklebt sind. Alternativ könnten die Kontaktbereiche benachbarter Segmente verschweißt werden. Außerhalb der Kontaktbereiche 32, 34, d. h. in den noch mit der Eloxalschicht 40 versehenen Bereichen der Folie 36, sind die Segmente 30 mit nicht leitendem Klebstoff 44 zu einem Rohr verklebt, wodurch eine selbsttragende Struktur der Spule 110 erzielt wird.
Insgesamt bilden die Segmente 30 eine helixartige Struktur, wobei der Stromfluss jeweils zwischen den beiden Kontaktbereichen 32 und 34 eines jeden Segments durch die Folie 36 hindurch erfolgt. Vorzugsweise ist der Anteil der Kontaktflächen klein gegenüber der Gesamtfläche eines Ringes und ist so gewählt, dass der sich ergebende Übergangswiderstand an der Stelle der Verbindung der Kontaktstellen klein gegenüber dem Widerstand des Ringes in Umfangrichtung ist. Vorzugsweise beträgt der Anteil der Kontaktflächen 32, 34 an der Gesamtfläche nicht mehr als 10%.
Vorzugsweise hat die Folie eine Dicke im Bereich von 0.05 mm bis 5 mm. Die Anzahl der für eine Spule verwendeten Segmente 30 beträgt typischerweise 10 bis 1000.
Um einen unerwünschten Kontakt zwischen benachbarten Segmenten 30 am Außenrand bzw. Innenrand zu vermeiden, kann man alternierend zwei unterschiedliche Segmenttypen verwenden, die sich im Innendurchmesser und Außendurchmesser leicht unterscheiden, beispielsweise jeweils um weniger als 0,1 mm, d. h. es liegen jeweils abwechselnd ein etwas größeres und ein etwas kleineres Segment aufeinander (der Außenrand eines jeden Segments kann konstruktionsbedingt frei von Eloxal sein). Ein Beispiel für eine solche Anordnung ist in 3 gezeigt.
Bei der Herstellung der Spule gemäß 2 und 3 werden vorzugsweise zunächst die Segmente 30 aus eloxierter Aluminiumfolie ausgeschnitten, z. B. mittels eines Lasers, wobei der Schnitt 38 den Ring öffnet. Der Laser kann auch dazu verwendet werden die bereits vorhandene Eloxalschicht in den Bereichen 32 und 34 abzutragen. Die Segmente 30 werden konzentrisch übereinander gelegt und bilden einen Stapel, der einen Hohlzylinder formt. Benachbarte Segmente im Stapel werden dabei so zueinander ausgerichtet, dass die uneloxierten Kontaktbereiche 32, 34 jeweils übereinander zu liegen kommen. Die elektrische Verbindung der benachbarten Kontaktbereiche der Segmente kann wie bereits erwähnt durch Verkleben mit leitfähigen Klebern oder durch Verschweißen, z. B. mittels Ultraschall, erfolgen. Da die Klebeschicht sehr dünn ist, ist der durch sie erzeugte elektrische Widerstand insgesamt zu vernachlässigen.
In 4 ist schematisch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Spule, z. B. der Spule gemäß 1 oder 3, als Läufer 50 in einem Aktuator 52 gezeigt, wobei der permanentmagnetische Stator des Aktuators 52 mit 54 bezeichnet ist. Der Deckel der Spule ist mit 56 bezeichnet.

Claims

Voice-coil-Aktuator mit einem permanentmagnetischen Stator (54) und einem als Induktionseule (110) ausgebildeten Läufer (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferspule (110) aus ringartigen Segmenten (30) aus eloxierter Aluminiumfolie (36) gefertigt ist, wobei jedes Segment auf jeder Seite jeweils einen nicht-eloxierten Kontaktbereich (32, 34) aufweist, der mit dem entsprechenden Kontaktbereich des jeweils benachbarten Segments leitend verbunden ist, und wobei die beiden Kontaktbereiche eines jeden Segments in Umfangsrichtung versetzt und durch einen nicht-leitenden Bereich (38) voneinander getrennt angeordnet sind.
Akutuator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-leitende Bereich zwischen den beiden Kontaktbereichen (32, 34) eines jeden Segments (30) von einem die Aluminiumfolie durchtrennenden Schnitt (38) gebildet wird.
Akutuator gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich benachbarte Segmente (30) im Außendurchmesser und im Innendurchmesser unterscheiden.
Akutuator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (32, 34) benachbarter Segmente (30) mittels leitfähigem Kleber (42) verklebt sind.
Akutuator gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (32, 34) benachbarter Segmente (30) verschweißt sind.
Akutuator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (30) außerhalb der Kontaktbereiche (32, 34) mit nicht-leitendem Klebstoff (44) zu einem Rohr verklebt sind.
Akutuator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähig verklebten Segmente (30) eine Helix bilden.
Akutuator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Anteil der Kontaktflächen (32, 34) an der Gesamtfläche nicht mehr als 10% beträgt.
Akutuator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumfolie (36) eine Dicke zwischen 0.05 mm und 5 mm aufweist.
Akutuator gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Segmente (30) mindestens 10 beträgt.
Voice-coil-Aktuator mit einem permanentmagnetischen Stator (54) und einem als Induktionseule (10) ausgebildeten Läufer (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferspule (10) aus eloxiertem Aluminiumflachdraht (12) gewickelt ist.
Akutuator gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen verklebt sind.
Akutuator gemäß einem der Ansprüche 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferspule (10) an einem Ende mit einem Deckel (14, 56) verklebt ist.
Akutuator gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Flachdrahts (12) zwischen 1 mm und 10 mm und die Dicke des Flachdrahts zwischen 0.1 mm und 4 mm liegt.
Verfahren zum Herstellen eines Voice-coil-Aktuators mit einem permanentmagnetischen Stator (54) und einem als Induktionseule (110) ausgebildeten Läufer (50), dadurch gekennzeichnet, dass die Läuferspule (110) aus ringartigen Segmenten (30) aus eloxierter Aluminiumfolie (36) gefertigt wird, wobei jedes Segment auf jeder Seite jeweils einen nicht-eloxierten Kontaktbereich (32, 34) aufweist, der mit dem entsprechenden Kontaktbereich des jeweils benachbarten Segments leitend verbunden wird, und wobei die beiden Kontaktbereiche eines jeden Segments in Umfangsrichtung versetzt und durch einen nicht-leitenden Bereich (38) voneinander getrennt angeordnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht-leitende Bereich zwischen den beiden Kontaktbereichen (32, 34) eines jeden Segments (30) dadurch gebildet wird, dass die Aluminiumfolie mit einem Schnitt (38) durchtrennt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (32, 34) benachbarter Segmente (30) mittels leitfähigem Kleber (42) verklebt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (32, 34) benachbarter Segmente (30) mittels Ultraschall verschweißt werden.
Verfahren gemäß eine der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (30) außerhalb der Kontaktbereiche (32, 34) mit nicht-leitendem Klebstoff (44) zu einem Rohr verklebt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente mittels eines Lasers aus eloxierter Aluminiumfolie (36) ausgeschnitten werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (32, 34) auf den Segmenten (30) dadurch gebildet werden, dass die Eloxalschicht mittels eines Lasers abgetragen wird.