-
Die Erfindung bezieht sich auf Wicklungen für elektrische Energiewandler auf Basis einer elektromagnetischen Kraftwirkung, daraus hergestellte Energiewandler und ein Verfahren zu deren Herstellung. Unter elektrischen Energiewandlern werden insbesondere rotatorische oder translatorische elektrische Maschinen auf der Basis elektrischer und/oder magnetischer Feldern sowie von magnetischen Lagern und elektrischen bzw. elektromagnetischen Wandlern verstanden. Die elektrisch leitfähigen Wicklungen treten insbesondere in der Form von Ankerwicklungen, Erregerwicklungen, Strangwicklungen, Käfigwicklungen oder Dämpferwicklungen auf.
-
Konventionelle Wicklungen für elektrische Energiewandler werden mittels isolierter Kupfer- oder Aluminiumdrähte hergestellt. Solche Wicklungen haben besonders bei sehr kleinen elektrischen Maschinen verhältnismäßig große Luftspalte zur Folge, da sowohl die ausführbare Stromdichte als auch der realisierbare Wicklungsfüllfaktor begrenzt sind. Dies wiederum führt zu einem höheren Magnetisierungsstrombedarf und damit zu einem geringeren Wirkungsgrad bzw. zu einem größeren Bauvolumen. Nachteilig ist weiterhin, dass diese Wicklungen statisch um ihr jeweiliges Trägerelement angeordnet sind und Reparaturen im Falle von Schäden (Durchbrennen einer Wicklung) nur mit hohem Aufwand oder gar nicht möglich sind.
-
Zur Behebung der genannten Probleme wurden im Stand der Technik Wicklungen vorgeschlagen, die auf flexiblen Trägermaterialien angeordnet sind und zum Einbau aufgerollt und in das Gehäuse des Energiewandlers eingeführt werden.
-
In der
DE 199 33 369 A1 wird dazu die Verwendung von kupferkaschierten Folien zur Herstellung der elektrischen Wicklungen vorgeschlagen. Die Wicklung wird dabei durch Laminieren hergestellt, wobei auf ein Substrat abwechselnd eine leitfähige und eine isolierende Struktur aufgebracht werden. Die dabei für eine Spule entstehende Schichtdicke aus Substrat und Kupferkaschierung sowie Schutzschichten beträgt üblicherweise mehrere 100 μm. Nachteilig an dieser Lösung sind vergleichsweise hohe Herstellungskosten und der eingeschränkte Biegeradius der Wicklung aufgrund einer relativ hohen mechanischen Steifigkeit. Dieser eingeschränkte Biegeradius ist besonders nachteilig für Wicklungen von kleinen Energiewandlern, die konstruktionsbedingt sehr kleine Biegeradien benötigen.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Wicklung für elektrische Energiewandler anzugeben, die kostengünstig in der Herstellung ist und eine geringe mechanische Steifigkeit aufweist, wodurch diese für kleine Energiewandler mit geringen Radien geeignet ist. Ein weiterer Aspekt der Aufgabenstellung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Energiewandlers mit einer erfindungsgemäßen Wicklung anzugeben.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorzugsweise Weiterbildungen sind in rückbezogenen Unteransprüchen dargelegt.
-
Die erfindungsgemäße Wicklung für elektrische Energiewandler auf der Basis elektromagnetischer Kraftwirkung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen auf einem flexiblen Trägermaterial mittels Siebdruckverfahren aufgebracht sind.
-
Vorteilhaft lassen sich mittels siebdgedruckter Wicklungen bei gleicher elektrischer Durchflutung geringere Foliendicken als bei Verwendung von kupferkaschierten Folien erreichen. Darüber hinaus sind kleinere Biegeradien von unter 2 mm sowie, abhängig vom gewählten Substrat, eine hohe Temperaturbeständigkeit erreichbar. Anwendungsbeispiele für die erfindungsgemäßen Wicklungen sind Anker-, Erreger-, Strang-, Käfig- oder Dämpferwicklungen.
-
Vorteilhaft werden die Leiterbahnen aus einer elektrisch leitfähigen Paste oder Tinte hergestellt. Beispielsweise kann diese Paste einen Silberanteil aufweisen. Es sind jedoch auch andere Metalle oder Legierungen möglich, die die Leitfähigkeit der Pasten bestimmen. Auch der Gehalt an leitfähigen Partikeln ist ausschlaggebend für die maximal mögliche Stromdichte.
-
Die Leiterbahnen können mit Pasten gedruckt werden, die unterschiedliche Leitfähigkeiten der resultierenden Leiterbahnen erzeugen. Da typischerweise besonders hochleitfähige Pasten deutlich teurer sind als weniger leitfähige, ist es möglich Wicklungen gleicher Abmessungen mit unterschiedlichen Charakteristika (bspw. unterschiedlichen erzeugten Magnetfeldstärken) zu schaffen. Auf diese Weise können die Wicklungen den tatsächlichen technischen Anforderungen angepasst werden.
-
Das Bedrucken des Trägermaterials kann ein- oder zweiseitig und in mehreren Lagen geschehen. Um mehrere gedruckte Lagen elektrisch voneinander zu isolieren, wird eine elektrisch isolierende Schicht, bevorzugt ein Dielektrikum zwischen die elektrisch leitfähigen Schichten gedruckt. Zur Reduzierung der entstehenden Schichtdicke der Wicklung und zur Vermeidung unnötigen Schichtaufbaus können vorteilhaft die Leiterbahnen versetzt gedruckt werden. Dabei wird ein besserer Wicklungsfüllfaktor erreicht als bei übereinander gedruckten Schichten.
-
In einer bevorzugten Ausführung ist das Trägermaterial eine PET-Folie. Diese hat eine hohe Festigkeit und Formbeständigkeit auch bei höheren Temperaturen. Je nach Anwendungsfall sind aber auch andere Materialien bevorzugt, so sind beispielsweise PEN oder PEEK auch einsetzbar, die eine noch bessere Temperaturbeständigkeit als PET aufweisen.
-
Vorteilhaft können mit den erfindungsgemäßen Wicklungen Biegeradien von unter 2 mm erreicht werden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Leiterbahnen der Wicklung derart angeordnet, dass im einbaufertigen, zusammengerollten Zustand, die Leiterbahnen der übereinanderliegenden Wicklungsschichten transversal gegeneinander verschoben sind. Das heißt, im zusammengerollten Zustand greifen die Leiterbahnen übereinanderliegender Wicklungsschichten verzahnungsartig ineinander. Dadurch weist die Wicklung geringere Außenmaße auf.
-
Bevorzugt weisen die axialen Anfänge und/oder Enden der Wicklung Kontaktfahnen zur elektrischen Kontaktierung auf. Die Kontaktfahnen sind dabei axial auskragende Bereiche des Trägermaterials mit aufgedruckten Leiterbahnen. Dadurch kann die Wicklung einfach angeschlossen werden.
-
Der erfindungsgemäße elektrische Energiewandler auf der Basis elektromagnetischer Kraftwirkung weist eine erfindungsgemäße, mittels Druckverfahrens, bevorzugt Siebdruckverfahrens, hergestellte Wicklung auf. Dadurch können die Abmaße und die Masse des Energiewandlers gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden, was insbesondere bei Anwendungen in der Medizintechnik, der Raumfahrttechnik und im Modellbau relevant ist.
-
Ein Hauptelement (bspw. Stator) eines elektrischen Energiewandlers kann für unterschiedliche Anwendungen mit passenden Wicklungen ausgerüstet und zu angemessenem Preis genutzt werden. Darüber hinaus kann bei wechselnden Anforderungen ein Austausch der Wicklungen dazu führen, dass ein vorhandenes Hauptelement eines elektrischen Energiewandlers weiterhin genutzt werden kann, indem lediglich eine den Anforderungen besser angepasste Wicklung eingesetzt wird. Im Schadensfall kann eine durchgebrannte Wicklung leicht durch einfaches Austauschen ersetzt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kontaktierung der Wicklung durch Kontaktfahnen, die mittels einer Kontaktplatte fixiert werden. Die Kontaktplatte kann dabei als axialer Deckel der Wicklung ausgebildet sein. Besonders bevorzugt weist die Kontaktplatte Gegenkontakte mit federnden Elementen auf, die im zusammengebauten Zustand gegen die Kontaktfahnen der Wicklung drücken und damit den Kontakt herstellen. Anstatt der federnden Elemente sind auch die Kontaktfahne umklammernde Elemente möglich. Durch die Kontaktierung mittels federnder oder klammernder Elemente ist es möglich, einen flächigen bandagenartigen Verbund zwischen den Anschlussleitern und den Leiterbahnen der Wicklung zu schaffen. Durch diesen flächigen Kontakt kann die Stromdichte an der Kontaktstelle gering gehalten werden.
-
Weiterhin bevorzugt fixiert die Kontaktplatte die radiale und/oder axiale Position der Wicklung. Dadurch kann der Zusammenbau des Energiewandlers sehr einfach und kostengünstig erfolgen, da die Kontaktierung bzw. die Fixierung der Wicklung in einem Arbeitsschritt zusammen mit dem Schließen des Gehäuses erfolgt.
-
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform wird im Energiewandler eine erfindungsgemäß bedruckte Wicklung zur elektrischen und magnetischen Abschirmung von sensiblen Baugruppen und Leiterzügen verwendet. Die Bedruckung kann hierfür auch in Flächen- oder Gitterstrukturen bestehen.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Wicklung weist folgende Verfahrensschritte auf:
Zuerst werden Parameter wie die erforderlichen Strangzahl, Strangwindungszahl und der erforderliche Leiterquerschnitt berechnet. Hierfür maßgeblich ist die vom herzustellenden Energiewandler geforderte Leistungs- und Drehmomentcharakteristik.
-
Anschließend erfolgt die Festlegung der Wicklungsgeometrie. Dies betrifft die Aufteilung der Wicklung in mehrere Ebenen oder Schichten wobei auch eine mögliche, oben beschriebene, transversale Verschiebung der Leiterbahnen übereinanderliegender Wicklungsschichten mit dem Ziel einer Reduzierung der Gesamtschichtdicke vorgesehen wird.
-
Nach der Bereitstellung des Trägermaterials und eines Siebes mit einer Struktur entsprechend der zu druckenden leitfähigen und isolierenden Schichten erfolgt das Drucken. Dabei muss nach jedem Druckvorgang die gedruckte Schicht trocknen bevor eine weitere aufgebracht werden kann. Es werden abwechselnd Leiterbahnen und isolierende Schichten aufgebracht, bis die gewünschte Anzahl an Leiterbahnen gedruckt ist.
-
Bevorzugt wird bei dem Verfahren zur Herstellung der Wicklung eine Durchkontaktierung zwischen den einzelnen Leiterbahnen durch gezielte Aussparungen beim Druck der isolierenden Schicht hergestellt.
-
Durch die Aussparung in der isolierenden Schicht, wird beim Druck der nächsten leitfähigen Schicht eine elektrische Verbindung zwischen den leitfähigen Ebenen durch Auffüllen der Aussparung mit leitender Paste erreicht.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einbau einer erfindungsgemäßen Wicklung in einen elektrischen Energiewandler umfasst folgende Schritte:
In einem ersten Schritt wird die Wicklung in die benötigte geometrische Form gebracht, welche dabei durch die Abmessungen des entsprechenden wicklungstragenden Hauptelementes vorgegeben ist. Das wicklungstragende Hauptelement ist hier beispielsweise der Rotor oder der Stator des Energiewandlers. Formgebend sind der Innendurchmesser des Stators bzw. der Außendurchmesser des Rotors.
-
In einem zweiten Schritt erfolgt die Fixierung der gewünschten Wicklungsform durch direkte form- oder kraftschlüssige Verfahren, beispielsweise Kleben, Schweißen oder Klammern. Alternativ erfolgt eine indirekte Fixierung mittels einer Vorrichtung, welche der Form des wicklungstragenden Hauptelementes entspricht.
-
Im dritten Schritt erfolgt das Einbringen der fixierten Wicklung in das wicklungstragende Hauptelement, wobei die Wicklung in ihrer Lage durch geeignete Formstücke, beispielsweise einen Anschlag oder Führungsschienen, fixiert wird. Bevorzugt erfolgt die Fixierung der Wicklung durch die Kontaktplatte.
-
Vorteilhaft werden bereits vorfixierte Wicklungen bereit gehalten, die bei wechselnden Anforderungen oder im Schadensfall einfach durch Austausch die bisherige Wicklung ersetzen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Energiewandlers, aufweisend eine mittels Siebdruckverfahren hergestellte Wicklung, werden in einem Prozessschritt Teile der für den Betrieb notwendigen Steuer-, Auswerte-, und Leistungselektronik mittels Siebdruckverfahren in einem gemeinsamen Prozess mit der elektrischen Wicklung hergestellt. Im Ergebnis sind auf dem Trägermaterial neben der Wicklung auch Teile der für den Betrieb notwendigen Steuer-, Auswerte-, und Leistungselektronik angeordnet.
-
Anhand beigefügter Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel erläutert.
-
Dabei zeigen:
-
1 eine Schnittdarstellung einer Schicht der Wicklung mit versetzt angeordneten Leiterbahnen,
-
2 eine Schnittdarstellung eines Energiewandlers, aufweisend eine siebgedruckte Wicklung,
-
3 einen Längsschnitt eines Energiewandlers, aufweisend eine siebgedruckte Wicklung, und
-
4 die Draufsicht einer Kontaktplatte.
-
1 zeigt die Schnittdarstellung einer Schicht einer siebgedruckten Wicklung. Diese hat mittig eine Trägerfolie 3, bestehend aus einer PET-Folie mit einer Dicke von 50 μm, auf die Leiterbahnen 2 und ein Dielektrikum 1 mittels Siebdruckverfahren aufgebracht wurden. Das Material der Leiterbahnen 2 ist eine elektrisch leitfähige Paste, das Dielektrikum 1 ist eine isolierende Paste. Zur Reduzierung der Gesamtdicke der Wicklung wurden die zwei Schichten der Leiterbahnen 2 versetzt angeordnet. Zur Herstellung der Wicklung wurden auf die Trägerfolie 3 zuerst die erste Schicht Leiterbahnen 2 gedruckt und anschließend die erste Schicht Dielektrikum 1 die die erste Schicht Leiterbahnen 2 von der zweiten Schicht Leiterbahnen 2 trennt. Die zweite Schicht Leiterbahnen 2 ist versetzt angeordnet, so dass sie sich über den mit Dielektrikum 1 gefüllten Zwischenräumen der Leiterbahnen der ersten Schicht befindet. Abschließend wird eine weitere Schicht Dielektrikum 1 aufgedruckt, die eine elektrische Verbindung übereinanderliegender Schichten der Wicklung im gewickelten Zustand verhindert.
-
2 zeigt eine in einen Stator 4 eines elektrischen Energiewandlers eingebaute, einseitig bedruckte Wicklung 6, bestehend aus Trägerfolie 3 und versetzt angeordneten Leiterbahnen 2 mit dazwischen und außenseitig angeordneten Schichten Dielektrikum 1. Innen hat der elektrische Energiewandler einen Rotor 5.
-
3 zeigt einen Längsschnitt des elektrischen Energiewandlers aus 2. Mittig hat der Rotor 5 eine Bohrung für eine Welle 9. Weiterhin hat der Stator 4 Anschläge zur Arretierung der Wicklung 8, welche die Wicklung in ihrer Einbauposition fixieren. Innen im Stator 4 ist die Wicklung 6 eingelegt. An einem axialen Ende hat die eingelegte Wicklung 6 Kontaktfahnen 7, die im eingebauten Zustand in radiale Richtung umgebogen sind. Eine Kontaktplatte 12 hat Gegenkontakte 10 zur Kontaktierung der Kontaktfahnen 7 der Wicklung 6. Die Gegenkontakte 10 weisen federnde Elemente 13 auf, die im eingebauten Zustand auf die Kontaktfahnen 13 drücken. Somit ist keine Verlötung oder ein anderes aufwendiges Verfahren zur Kontaktierung notwendig. Innenseitig hat die Kontaktplatte ebenfalls Anschläge zur Arretierung 11 der Wicklung 6. Somit ist die Wicklung 6 beidseitig arretiert.
-
4 zeigt eine Draufsicht auf die Innenseite der Kontaktplatte 12 mit Gegenkontakten 10 und darauf befindlichen federnden Elementen 13.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Dielektrikum
- 2
- Leiterbahn
- 3
- Trägerfolie
- 4
- Stator
- 5
- Rotor
- 6
- eingelegte Wicklung
- 7
- Kontaktfahnen
- 8
- Anschlag des Stators zur Arretierung
- 9
- Welle
- 10
- Gegenkontakte
- 11
- Anschlag des Kontaktplatte zur Arretierung
- 12
- Kontaktplatte
- 13
- federnde Elemente
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
