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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spulenanordnung, einen Stator sowie einen mehrdimensionalen Antrieb. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Spulenanordnung eines Stators eines mehrdimensionalen Antriebes, insbesondere eines Planarantriebes, einen Stator eines mehrdimensionalen Antriebes, insbesondere eines Planarantriebes unter Verwendung einer Mehrzahl von Spulenanordnungen sowie einen mehrdimensionalen Antrieb, insbesondere einen Planarantrieb mit dem Stator.
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Bei mehrdimensionalen Antriebssystemen und insbesondere bei Planarantrieben werden mehrphasig magnetische Felder erzeugt, um in magnetischer Wechselwirkung mit einem Beweger diesen entlang ein oder mehrerer Raumrichtungen zu bewegen. Zu diesem Zweck weist ein derartiger Antrieb einen Stator auf, welcher die zu Grunde liegende Magnetfeldanordnung generiert. Zum Erzeugen der entsprechenden zeitlich abhängigen Magnetfelder werden Spulenanordnungen verwendet.
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Im Allgemeinen handelt es sich bei den Spulenanordnungen um Anordnungen mit einer Mehrzahl von Spulen. Diese können unterschiedliche Bauformen aufweisen. Zum Beispiel können gewickelte Spulen verwendet werden, die in verschiedenen Varianten in der Ebene angeordnet werden. Dabei wird jedoch in Kauf genommen, dass nur ein bestimmter Anteil des gesamten Bauraumes der Spule mit dem leitenden Material der Wicklungen gefüllt werden kann.
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Nachteilig ist ferner eine vergleichsweise aufwendige Montage der einzelnen Spulen in Bezug aufeinander.
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Ferner können bei der lagenmäßigen Anordnungen der verwendeten Spulen in gewickelter Form ungleichförmige Feldverläufe auftreten, weil sich die Spulen nicht durchdringen und somit immer eine Vorzugsrichtung vorliegt, welche näher an der gewünschten Wirkstelle platziert ist als eine entsprechend andere Richtung.
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Denkbar ist auch die Verwendung so genannter Mehrschichtplatinen, die jeweils nach Art einer PCB-Struktur aufgebaut sind. Gegenüber der Verwendung gewickelter Spulen hat dies den Vorteil einer deutlich verbesserten Füllung mit leitendem Material. Jedoch ist im Zusammenhang mit den PCB-Substraten zu beachten, dass es sich bei dem dort verwendeten leitenden Material in der Regel um Dickkupfer handelt, wodurch die Herstellungskosten nicht zu vernachlässigen sind.
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Auch begrenzen die vorgegebenen Strukturbreiten sehr kleine Abstände zwischen den Leitern.
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Weiter liegen einem jeweiligen PCB-Substrat Trägerschichten zu Grunde, die nicht beliebig dünn ausgebildet werden können, so dass bei dünneren Leiterbahnen der Füllfaktor an leitfähigem Material auch bei der Multischichtplatine sinkt.
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Folglich besteht ein Bedürfnis, eine Spulenanordnung zu schaffen, bei welcher bei hohem Füllfaktor an leitfähigem Material und guter Handhabbarkeit ein hoher Grad an elektrischer Leitfähigkeit erreicht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass erfindungsgemäß die Vorteile einer gewickelten Spule, nämlich dem vergleichsweise hohe elektrische Leitwert, kombiniert ist mit dem Vorteil einer Multischichtplatinenanordnung, nämlich dem hohen Füllfaktor an leitfähigem Material. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine Spulenanordnung eines Stators eines mehrdimensionalen Antriebes, insbesondere eines Planarantriebes, geschaffen wird mit mindestens einer Spule, welche mit einer Wicklung ausgebildet ist, wobei die Wicklung elektrisch leitfähig ist und ein Wicklungsmaterial aufweist, wobei das Wicklungsmaterial in einer Banderstreckungsrichtung bandförmig ausgebildet ist, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Banderstreckungsrichtung, und wobei die Wicklung eine in der Banderstreckungsrichtung gewickelte und/oder gefaltete Struktur des bandförmigen Wicklungsmaterials mit einer oder mit mehreren Windungen ist. Dabei wird insbesondere ein rechteckiger Querschnitt des Wicklungsmateriales nämlich senkrecht zur Banderstreckungsrichtung, zu Grunde gelegt. Durch eine Isolationsschicht wird ein Überschlag zwischen Nachbarwindungen verhindert. Die Isolationsschicht kann ein Lack oder aus Aluminiumeloxal gebildet sein, wobei auch Mischleiter zum Einsatzkommen können. Durch die Verwendung eines bandförmigen Wicklungsmateriales zur Ausbildung der ein oder mehreren Windungen der Wicklung der Spulenanordnung kann – zum Beispiel verglichen mit einer aus einem zylindrischen Draht gewickelten Spule – die Fülldichte an leitfähigem Material gesteigert werden. Gleichzeitig wird auf Grund der Wicklungsstruktur und der verwendeten Querschnitte die elektrische Leitfähigkeit der Spulenanordnung nicht abgesenkt. Diese vorteilhafte Kombination aus hohem Füllfaktor an leitfähigem Material und hohem elektrischen Leitwert der Spulenanordnung ist mit herkömmlichen Mitteln, zum Beispiel mit gewickelten Drahtspulen und/oder mit PCB-basierten Mehrschichtplatinenanordnungen, nicht erreichbar.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung wird die Herstellung besonders einfach, wenn als Wicklungsmaterial ein einzelnes Band, insbesondere in Form eines Endlosbandes, verwendet wird, um daraus die Windungen der Wicklung der Spulenanordnung zu formen.
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Dabei bietet es sich insbesondere an, das Band des Wicklungsmaterials aus einem gezogenen Draht zu bilden, weil hier insbesondere konventionell hergestellte und bereits auf Lager befindliche Grundmaterialien verwendet werden können.
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Gerade im Hinblick auf den Aufbau komplexerer Spulenanordnungen ist es von Vorteil, wenn statt eines einzelnen Bandes eine mehrere Bänder aufweisende Folie verwendet wird, um das Band für das Wicklungsmaterial bereitzustellen.
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Besonders kompakte Strukturen für die erfindungsgemäße Spulenanordnung lassen sich gewinnen, wenn die mehreren Bänder in der Folie zumindest teilweise in einer Querrichtung quer und insbesondere senkrecht zur Banderstreckungsrichtung angeordnet sind.
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Besonders günstige Eigenschaften ergeben sich, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung das Wicklungsmaterial eine elektrisch leitfähige Komponente aufweist, die insbesondere mit einem metallischen Material, Kuper oder Aluminium und alternativ oder zusätzlich zusammenhängend ausgebildet ist.
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Ein besonders sicherer Betrieb lässt sich mit der erfindungsgemäßen Spulenanordnung erreichen, wenn das Wicklungsmaterial und insbesondere die elektrisch leitfähigen Komponente einen Materialkern der Wicklung bildet und insbesondere der Materialkern der Wicklung in der Banderstreckungsrichtung zumindest teilweise von einem Isolationsmaterial bedeckt ist.
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Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn das Isolationsmaterial eine zusätzlich auf den Materialkern der Wicklung aufgebrachte Beschichtung, insbesondere mit einem Lack oder Oxidmaterial, und/oder eine native und/oder verstärkte Umwandlungsschicht und insbesondere eine Oxidschicht eines Materials des Materialkerns der Wicklung aufweist.
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Gerade die Verwendung nativer oder verstärkter nativer Oxidschichten ist von besonderem Vorteil, weil sich schon inhärent aus der Struktur des zu Grunde liegenden Materialkerns eine gewisse Grundisolation benachbarter Lagen einer Wicklung ergibt. Die zu Grunde liegenden nativen Oxidschichten sind besonders dünn, so dass es zu keinem besonderen Auftrag in der Gesamtdicke einer Wicklung kommt, wie dies bei einem Lackieren denkbar ist.
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Eine Oxidschicht bringt zusätzlich den Vorteil von thermischer Leitfähigkeit, z.B. im Vergleich zu PCB-Strukturen.
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Besonders vorteilhaft sind Spulenanordnungen dann, wenn sie für den auszugestaltenden mehrdimensionalen Antrieb eine Spule mit einem im Wesentlichen planaren Aufbau aufweisen.
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Beim Ausgestalten der Windungen der Wicklung einer Spule bestehen verschiedene Variationsmöglichkeiten:
Eine besonders günstige Orientierung in verschiedenen Raumrichtungen lässt sich mit der erfindungsgemäßen Spulenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dann erreichen, wenn eine Windung der Wicklung (i) zueinander parallele erste und zweite lineare Abschnitte, deren erste Enden bzw. deren zweite Enden jeweils zueinander benachbart einander gegenüberliegen, und (ii) einen Verbindungsabschnitt aufweist, welcher die ersten Enden der linearen Abschnitte miteinander verbindet.
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Dabei ergibt sich eine besonders geeignete Anordnung für die erfindungsgemäße Spulenanordnung, wenn vorzugsweise der Verbindungsabschnitt eine erste Faltung in Verbindung mit dem ersten Ende des ersten linearen Abschnitts und eine zweite Faltung in Verbindung mit dem ersten Ende des zweiten linearen Abschnitts aufweist.
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Prozesstechnisch ergeben sich weitere Vorteile, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung die Faltungen über ein lineares Verbindungsstück miteinander verbunden sind und/oder jede der Faltungen einen Umschlag des bandförmigen Wicklungsmaterials um 180° in einem Winkel von 45° zur Banderstreckungsrichtung aufweist.
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Zur Senkung des Stromes für die erregende Spulenanordnung bei gleichzeitiger Steigerung des zu erzeugenden Magnetfeldes kann es vorgesehen sein, dass eine Wicklung eine Mehrzahl, insbesondere von zwei bis zwölf Windungen aufweist und insbesondere im Übergang zwischen aufeinanderfolgenden Windungen ein Übergangsabschnitt ausgebildet ist, welcher das zweite Ende eines der ersten oder zweiten linearen Abschnitte einer Windung mit dem zweiten Ende des zweiten bzw. ersten lineare Abschnittes einer sich direkt anschließenden oder einer direkt vorangehenden Windung verbindet.
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Eine besonders kompakte Struktur stellt sich für die Spulenanordnung dann ein, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltungsform der Übergangsabschnitt eine erste Faltung in Verbindung mit dem zweiten Ende des ersten oder zweiten linearen Abschnittes der einen Windung und eine zweite Faltung in Verbindung mit dem zweiten Ende des zweiten oder ersten linearen Abschnittes der anderen Windung aufweist und die Faltungen insbesondere über ein lineares Verbindungsstück miteinander verbunden sind und/oder jede der Faltungen einen Umschlag des bandförmigen Wicklungsmaterials um 180° in einem Winkel von 45° zur Banderstreckungsrichtung aufweist.
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Ferner betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem anderen Aspekt einen Stator eines mehrdimensionalen Antriebes, insbesondere eines Planarantriebes. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mehrzahl von erfindungsgemäß ausgestalteten Spulenanordnungen aufweist, wobei insbesondere zumindest ein Teil der Mehrzahl von Spulen ineinander geschachtelt und/oder gefächert angeordnet und kommensurabel einer entsprechenden Mehrzahl von Phasen eines Erregersignals zugeordnet sind, um mit diesem beaufschlagt zu werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, einen Antrieb mehrdimensional, das heißt unabhängig von einander geregelt in voneinander unterschiedliche Raumrichtungen auszuführen. Die Regelbarkeit über verschiedene Phasen eines Erregersignals erlaubt eine Steigerung der Genauigkeit des zu bewirkenden Antriebes.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Stators ist es vorgesehen, dass erste und zweite Sätze von Mehrzahlen von erfindungsgemäßen Spulenanordnungen ausgebildet sind. Die Spulenanordnungen des ersten Satzes und deren Spulen sind in einer gemeinsamen ersten Raumrichtung ausgerichtet und/oder angeordnet. Die Spulenanordnungen des zweiten Satzes und deren Spulen sind in einer gemeinsamen zweiten Raumrichtung ausgerichtet und/oder angeordnet sind, welche unterschiedlich ist zur ersten Raumrichtung und insbesondere senkrecht zu dieser ausgerichtet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein mehrdimensionaler Antrieb, insbesondere einem Planarantrieb, geschaffen, welcher einen Stator gemäß der vorliegenden Erfindung sowie einen Beweger aufweist, welcher eine Magneteinrichtung umfasst, die zur magnetischen Wechselwirkung mit einem vom Stator zu erzeugenden oder erzeugbaren Magnetfeld bestimmt und ausgebildet ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen Spulenanordnung eines Stators eines mehrdimensionalen Antriebes, welche insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, bei welchem mindestens eine Spule mit einer Wicklung ausgebildet wird, wobei die Wicklung elektrisch leitfähig ist und ein Wicklungsmaterial aufweist, das Wicklungsmaterial in einer Banderstreckungsrichtung bandförmig ausgebildet wird, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Banderstreckungsrichtung, und die Wicklung als eine in der Banderstreckungsrichtung gewickelte und/oder gefaltete Struktur des bandförmigen Wicklungsmaterials mit einer oder mit mehreren Windungen ausgebildet wird.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren werden Ausführungsformen der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 ist eine perspektivische Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen mehrdimensionalen Antrieb.
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2 ist eine schematische und teilweise geschnittene Draufsicht auf einen Stator 120 einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mehrdimensionalen Antriebes.
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3-1 bis 3-6 sind schematische Draufsichten auf verschiedene Zwischenzustände, die beim Herstellen einer Wicklung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung erreicht werden.
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4-1 zeigt in schematischer und perspektivischer Draufsicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung.
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4-2 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener perspektivischer Ansicht ein einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung zugrunde liegendes Band.
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5 zeigt eine erfindungsgemäße Spulenanordnung mit einer Spule mit mehreren Windungen in der zugrundeliegenden Wicklung.
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6 bis 22 zeigen Ansichten anderer Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung und deren Details.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 22 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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1 zeigt in perspektivischer Draufsicht einen erfindungsgemäßen mehrdimensionalen Antrieb 100, welcher gebildet wird von einem Stator 120 angeordnet in einer zur xy-Ebene parallelen Ebene und welcher eine Mehrzahl von Spulen 20 mit Wicklungen 30 innerhalb einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10 entlang der x-Richtung sowie innerhalb einer entsprechenden Spulenanordnung 10 mit einer Mehrzahl von Spulen 20 und Wicklungen 30 in der y-Richtung. Auf der Oberseite des Stators 120 ist ein Bewegungselement angeordnet, das auch als Beweger 110 bezeichnet wird. Auf seiner Unterseite weist der Beweger 110 eine Magneteinrichtung 111 auf. Diese kann von einer Anordnung von Permanentmagneten gebildet werden.
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In Betrieb wird der Stator 120 gesteuert mit elektrischem Strom derart gesteuert mehrphasig beaufschlagt, dass die Spulenanordnungen 10 mit den Spulen 20 und den Wicklungen 30 entlang der x-Richtung und entlang der y-Richtung ein magnetisches Wechselfeld erzeugen, das in Wechselwirkung mit Magnetfeldern der Magneteinrichtung 111 der Beweger 110 in gesteuerter Art und Weise mehrdimensional – in der Ausführungsform der 2 in der Ebene xy-bewegbar ist.
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Mit Einschränkung können alle sechs Freiheitsgrade angegsteuert werden.
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2 ist eine schematische und teilweise geschnittene Draufsicht auf einen Stator 120 mit erfindungsgemäßen Spulenanordnungen 10 in x-Richtung und in y-Richtung und mit entsprechenden Spulen 20, welche Wicklungen 30 aufweisen.
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In 2 ist zu erkennen, dass in x-Richtung und in y-Richtung die Spulen 20 der Spulenanordnungen 10 in den x- und y-Richtungen mehrfach ineinander geschachtelt oder gefächert sind, um entlang der jeweiligen Richtung x und y entsprechend einer Mehrzahl verwendeter Phasen eines Wechselstroms unterschiedliche Phasen eines Magnetfeldes erzeugen zu können, die zueinander in zeitlich-räumlicher Beziehung stehen, um die gewünschte mehrdimensionale Bewegung realisieren zu können.
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Die 3-1 bis 3-6 zeigen verschiedene Aufbauphasen einer Windung 40 einer Wicklung 30 einer Spule 20 einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10.
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Gemäß 3-1 wird von einem einzelnen Band 33 aus einem Wicklungsmaterial 31 ausgegangen. Dieses Band 33 mit dem Wicklungsmaterial 31 besitzt einen bandartigen Aufbau entlang einer Erstreckungsrichtung 32. Die Erstreckungsrichtung 32 entspricht in dem in 3-1 gezeigten Zustand der x-Richtung. In einer ersten Quererstreckungsrichtung, die hier mit der Richtung y übereinstimmt, weist das Band 33 eine bestimmte Breite auf. In einer zweiten Quererstreckungsrichtung, die hier mit der z-Richtung übereinstimmt, weist das Wicklungsmaterial 31 des Bandes 33 eine bestimmte Höhe oder Stärke auf. Die Querschnittsgestalt des Bandes 33 ist vorzugsweise rechteckig im Schnitt einer zur yz-Ebene parallelen Schnittebene.
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An einer bestimmten Stelle x1 wird im Übergang vom Zustand gemäß 3-1 zum Zustand gemäß 3-2 das eine freie Ende des Bandes 33, hier das Ende auf der rechten Seite in 3-1, nach unten und vorne umgeschlagen, so dass im Bereich der Stelle x1 ein erstes Ende 41-1 mit einer ersten Faltung 45 entsteht und das umgeschlagene freie Ende des Bandes 33 nunmehr in die y-Richtung zeigt.
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Dabei wird ein minimaler Biegeradius angestrebt, innen idealerweise nahe bei null.
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Auf diese Weise entsteht ein erster linearer Abschnitt 41 in der ursprünglichen Banderstreckungsrichtung 32 und ein senkrecht nach unten in y-Richtung verlaufendes freies Ende des Bandes 33.
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An das so definierte erste Ende 41-1 des ersten linearen Abschnittes 41 schließt sich dann ein kurzer Abschnitt an, der als Verbindungsstück 44 fungiert und an seinem Ende eine zweite Stelle x2 aufweist.
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Im Übergang zu dem in 3-3 gezeigten Zustand wird das freie Ende des Bandes 33 mit dem an die erste Faltung 45 anschließenden Verbindungsstück 44 an der Stelle x2 in einem Winkel von 45° nach oben umgeschlagen, um so eine zweite Faltung 46 auszubilden, an welche sich ein zweiter linearer Abschnitt 42 des Bandes 33 anschließt.
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In dem in 3-3 gezeigten Zwischenzustand liegen ein erster linearer Abschnitt 41 und ein zweiter linearer Abschnitt 42, welche erste Enden 41-1 und 42-1, die einander gegenüberliegen, sowie zweite Enden 41-2 und 42-2 aufweisen, die ebenfalls einander gegenüberliegen. Die ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 und 42 sind in etwa parallel zueinander ausgerichtet und bilden einen planaren Aufbau. Der zweite Linearabschnitt 42 läuft der ursprünglichen Banderstreckungsrichtung 32 entgegen und somit in einer zur x-Richtung antiparallelen Richtung.
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Auf diese Art und Weise ist gemäß 3-3 eine erste halbe Wicklung der Spule 20 der Spulenanordnung 10 ausgebildet.
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Am zweiten Ende 42-2 des zweiten linearen Abschnittes 42 wird gegenüberliegend zum zweiten Ende 41-2 des ersten linearen Abschnittes 41 eine weitere Position x3 definiert, die der Ausbildung einer ersten Faltung 45 am zweiten Ende 42-2 des zweiten linearen Abschnittes 42 des Bandes 33 durch Umschlagen des freien Endes des Bandes 33 in einem Winkel von 45° nach unten dient. Der freie Abschnitt des Bandes 33 ist senkrecht zur ursprünglichen Banderstreckungsrichtung 32 und entgegen der y-Richtung ausgerichtet.
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An diese erste Faltung 45 am zweiten Ende 42-2 schließt sich ein Übergangsabschnitt 47 des freien Endes des Bandes 33 an, welches dem Verbindungsstück 44 an den ersten Enden 41-1 und 42-1 der ersten und zweiten linearen Abschnitte 41, 42 gegenüberliegt.
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Am Ende des Übergangsabschnittes 47 wird eine Position x4 definiert, die der Ausbildung einer zweiten Faltung 46 des freien Endes des Bandes 33 dient. Diese zweite Faltung 46 erfolgt durch Umschlagen des zweiten Endes des Bandes 33 nach oben in einem Winkel von 45°, so dass dann gemäß 3-6 das freie Ende des Bandes 33 wieder in Richtung der ursprünglichen Banderstreckungsrichtung 32 orientiert ist.
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Durch Ausführung der Faltung an der Position x4 nach unten – in den 3 bis 6 nach oben dargestellt – kann eine spiralförmige Spulengestalt erzielt werden.
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Durch die Abfolge der Zustände der 3-1 bis 3-6 wird eine einzelne Windung 40 der Wicklung 30 einer Spule 20 der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10 ausgebildet.
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Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung 10 kann in einer Spule 20 nicht nur eine Windung in der jeweiligen Wicklung 30 aufweisen. In der 4-1 ist eine Spule 20 der Spulenanordnung 10 in perspektivischer Ansicht von oben dargestellt, deren Wicklung 30 drei Windungen 40 aufweist.
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Diese Spule 20 hat eine im Wesentlichen planare Gestalt. Die ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 und 42 einer jeweiligen Windung 40 der Wicklung 30 sind zueinander jeweils parallel ausgerichtet. Dasselbe gilt für die jeweiligen Verbindungsstücke 44 zwischen den ersten und zweiten linearen Abschnitten 41, 42 und auch für die Übergangsabschnitte 47 zwischen den jeweiligen Windungen 40 der Wicklung 30 der Spule 20.
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Die ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 und 42 liegen über dem Verbindungsstück 44; dies ist für die Verschachtelung gemäß 7 notwendig.
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Im Bereich der zweiten Enden 41-2, 42-2 ist bei der Ausführungsform gemäß 4-1 das freie Ende des Bandes 33 entsprechend abgelängt, steht senkrecht aus der xy-Ebene hervor, in welcher die Spulenanordnung 10 mit den Windungen 40 der Wicklung 30 im Wesentlichen ausgerichtet ist, läuft entgegen der z-Richtung nach unten und bildet z.B. einen Anschlussabschnitt 49.
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Bei anderen Ausführungsformen kann der Anschlussabschnitt 49 auch in der z-Richtung senkrecht nach oben oder aber auch entgegen der x- oder y-Richtung und lateral nach außen geführt werden. Jedoch ergibt die Anordnung gemäß 4-1 einen besonders kompakten Aufbau.
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4-2 zeigt den oben bereits erwähnten rechteckigen Querschnitt des Wicklungsmateriales 31 des Bandes 33, welches der Wicklung 30 der Spule 20 der Spulenanordnung 10 zu Grunde liegt. Gemäß der Darstellung der 4-2 wird das Wicklungsmaterial 31 gebildet von einer leitfähigen Komponente 31-1, die den Kern des Wicklungsmaterials 31 bildet. Der Kern mit der leitfähigen Komponente 31-1 wird von einem Isolationsmaterial 31-2 umgeben. Das Band 33 insgesamt erstreckt sich in der Banderstreckungsrichtung 32, die in 4-2 mit der x-Richtung zusammenfällt.
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Das Isolationsmaterial 31-2 kann eine zusätzlich aufgebrachte Beschichtung, zum Beispiel in Form eines Lackes oder Oxides, sein. Bevorzugt ist jedoch, dass das Isolationsmaterial 31-2 insbesondere inhärent aus der leitfähigen Komponente 31-1 gewonnen wird. Dies kann zum Beispiel ein natives Oxid sein, wie es bei Aluminium vorliegt. Es kann sich aber auch um ein künstlich generiertes Umwandlungsmaterial handeln, zum Beispiel um eine zusätzlich verstärkte Ausführungsform eines nativ ausgebildeten Oxids der leitfähigen Komponente 31-1.
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Zusätzlich zur elektrischen Isolation ist eine gute thermische Leitfähigkeit für das Material bevorzugt.
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Die 5 bis 9 zeigen verschiedene Details von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10 mit einer Mehrzahl von Windungen 40 in jeder Wicklung 30 jeder Spule 20 in perspektivischer Seitenansicht.
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Dabei wird jede Windung 40 einer Wicklung 30 gebildet von einem einzelnen Band 33 eines Wicklungsmateriales 31. Jede Windung 40 weist zwei in der Banderstreckungsrichtung 32, hier parallel zur x-Richtung, länglich erstreckte erste und zweite lineare Abschnitte 41 und 42 auf. Die linearen Abschnitte 41, 42 besitzen an ihren ersten Enden 41-1 bzw. 42-1 erste und zweite Faltungen 45 und 46, die verbunden sind durch ein Verbindungsstück 44. Auf diese Weise kehrt sich die Erstreckung der jeweiligen Windung 40 um 180° um, so dass die Spule 20 eine insgesamt spiralförmig verlaufende Wicklung 30 mit einer Mehrzahl von Windungen 40 bildet.
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Bei der Ausführungsform der 5 wird die Wicklung 30 von vier Windungen 40 gebildet.
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Bei der Ausführungsform der 6 sind zwei Windungen 40 in der Banderstreckungsrichtung 32 in der Wicklung 30 vorgesehen. Die Ansicht zeigt die zweiten Enden 41-2 und 42-2 der ersten und zweiten linearen Abschnitte 41, 42, die jeweils mit ersten und zweiten Faltungen 45 und 46 mit einem Übergangsabschnitt 47 zwischen aufeinander folgenden Windungen 40 der Wicklung 30 ausgebildet sind. Das freie Ende der Spule 20 der Spulenanordnung 10 bildet wieder einen Anschlussabschnitt 49.
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Die Spulenanordnung 10 gemäß 7 umfasst drei Einzelspulen 20 für unabhängige Phasen eines erregenden elektrischen Stroms, die im Betrieb über voneinander unabhängige Anschlussabschnitte 49 eingespeist werden. Die einzelnen Spulen 20 selbst erstrecken sich in der Banderstreckungsrichtung 32 parallel zur x-Richtung und sind aber in der Querrichtung, welche der y-Richtung entspricht, ineinander geschachtelt und/oder gefächert angeordnet und werden hier zur besseren Veranschaulichung einzeln mit den Bezugszeichen 20-1, 20-2 bzw. 20-3 bezeichnet. Je nach Anzahl der Phasen eines mehrphasigen Erregerstroms sind entsprechende Anzahlen von Spulen 20-1, 20-2, ... vorzusehen, um über die räumliche Anordnung zueinander einen für den Antrieb 100 notwendigen räumlichen und zeitlichen Zusammenhang der zu erzeugenden Magnetfelder auszubilden.
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8 zeigt eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10 aus 7. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die mit 20-1, 20-2, 20-3 bezeichneten einzelnen Spulen 20 der Spulenanordnung 10 mit ihren Wicklungen 30 aus einzelnen Windungen 40 ineinander geschachtelt angeordnet sind.
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Bisher wurde beim Ausgestalten der einzelnen Spulen 20, 20-1, 20-2, ... von Einzelbändern 33 ausgegangen.
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9 zeigt, dass auch so genannte Folienbänder 34, die Bestandteile einer übergeordneten und zusammenhängenden Folie 35 sind, in vorteilhafter Weise bei der Herstellung und Anordnung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 100 mit einer Mehrzahl von Spulen 20 eingesetzt werden kann.
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Die Bänder 34 der Folie 35 sind direkt zueinander benachbart, senkrecht zur Erstreckungsrichtung 32 der einzelnen Bänder angeordnet und voneinander elektrisch isoliert. Die Isolation erfolgt zum Beispiel durch das Vorsehen eines durchoxidierten Trennbereichs zwischen direkt zueinander benachbarten Folienbänder 34 der Folie 35.
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10 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10, bei welcher erste und zweite Enden 41-1, 41-2; 42-1, 42-2 der linearen Abschnitte 41 und 42 einer Windung 40 der Wicklung 30 der Spule 20 aus der Ebene, hier der xy-Ebene der Spule 20, durch entsprechende Ausgestaltung der ersten und zweiten Faltungen 45 und 46 herausragen und entgegen der z-Richtung abgewinkelt sind, so dass die Verbindungsstücke 44 und die Übergangsabschnitte 47 nach unten und somit entgegen der z-Richtung aus der xy-Ebene heraus zeigen. Der Anschlussabschnitt 49 ist hier parallel zur xy-Ebene lateral nach außen geführt.
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11 zeigt eine Kombination mehrerer Anordnungen, wie sie in 10 dargestellt sind, um eine Spulenanordnung 10 auszubilden, die drei aufeinanderfolgende Spulen 20 jeweils in der x-Richtung und in der y-Richtung aufweisen, wobei sich zur Gesamtausgestaltung eines Stators 120 die Abfolge der drei Spulen 20-1, 20-2 und 20-3 in der x-Richtung und in der y-Richtung für die verschiedenen Phasen des Erregerstroms räumlich wiederholt.
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Die 12 bis 13 zeigen in perspektivischer Ansicht von der Seite verschiedene Zwischenstadien eines Wickelprozesses auf der Grundlage einer Folie 35 mit einer Mehrzahl von Folienbändern 34 zur Ausgestaltung einer Mehrzahl von Spulen 20 in einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10.
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12 zeigt eine als dreidimensionale Struktur gefaltete Spulenanordnung 10 mit Einzelspulen 20-1, 20-2 und 20-3.
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13 zeigt entsprechende Schichten für Spulenanordnungen 10, die in der x-Richtung bzw. in der y-Richtung ausgerichtet sind, wobei die beiden unteren Spulenanordnungen 10 sich in der x-Richtung erstrecken und sich die obere Spulenanordnung 10 in der y-Richtung erstreckt.
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14 zeigt eine konkrete Ausführungsform mit Spulenanordnungen 10 für die x-Richtung und die y-Richtung mit aus der xy-Ebene hinaus abgewinkelten Bereichen der ersten und zweiten Enden 41-1, 41-2; 42-1, 42-2.
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Die 15 bis 22 zeigen in schematischer Form verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten der ersten und zweiten Faltungen 45 und 46 im Zusammenhang mit den ersten und zweiten Enden 41-1, 41-2; 42-1, 42-2 der jeweiligen ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 bzw. 42 der Windungen 40 der Wicklungen 30 der Spulenanordnungen 10.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Für Planarantriebe werden Magnetfelder benötigt, welche z.B. auf der Grundlagen der folgenden Vorgehensweisen erzeugt werden können.
- (1) Es werden gewickelte Spulen in verschiedenen Varianten in der Ebene angeordnet. Dabei wird in Kauf genommen, dass nur ein Teil des Bauraums mit Kupfer ausgefüllt werden kann.
- (2) Es werden Spulen in Form einer Multilayerplatine aufgebaut. Dies hat gegenüber dem Vorgehen nach (1) den Vorteil eines gesteigerten Füllfaktors.
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Bisher sind keine Fertigungsverfahren bekannt, welche die Vorteile von der Vorgehensweisen aus (1) und (2) kombinieren. Dies ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung.
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Bei der hier vorgeschlagenen Spulenanordnung 10 des Spulenmaterials wird ein bandförmiger Leiter verwendet. Dadurch wird eine hohe Lagendichte mit minimierten Zwischenräumen erreicht, es ergibt sich ein hoher Füllfaktor an leitfähigem Material.
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Weiter kann z.B. durch Verwendung eines Aluminiumbandes der Leiter- oder Leitungsquerschnitt erhöht werden, weil die äußere Eloxalschicht bereits als sehr guter lsolator genutzt werden kann. Bei einem Aufbau mit Kupferband ist eine entsprechende Lackierung bzw. andere lsolierung vorzusehen.
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Ein Vorteil bei der Verwendung einer Aluminiumeloxalschicht als elektrische Isolation ist deren gute thermische Leitfähigkeit.
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Durch den verwendeten Querschnitt mit bandförmiger und insbesondere im Wesentlichen rechteckiger Gestalt wird ein vergleichsweise hoher Materialfüllfaktor erreicht. Dadurch kann ein entsprechend niedriger Widerstand realisiert werden. Dies führt zu geringeren Verlustleistungen führt.
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Wird statt eines lackierten Kupferbandes ein eloxiertes Aluminiumband eingesetzt, wird auch die interne Wärmeleitfähigkeit verbessert. Durch die Montage der Spulen 20 auf einen entsprechenden Kühlkörper – z.B. aus Aluminium – kann eine vergleichsweise lange Zeitspanne mit einer rein passiven Kühlung gearbeitet werden. Dies begrenzt den Aufwand und die Kosten des Gesamtsystems.
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Spulenvariante 1:
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Durch das möglichst enge Gelege aus den Windungen 40 oder Spulenbahnen kann ein sehr hoher Füllfaktor erreicht werden. Da der gewählte Leiterquerschnitt bandförmig und insbesondere rechteckig ist, wird der aktive Bereich nahezu komplett genutzt.
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Anders sieht es in den Randbereichen aus, in denen (i) Platz für Verbindung der Rückführung oder für den Anschluss 49 der Spule 20 benötigt wird und (ii) durch das Ineinanderanordnen mehrerer Spulen 20 ein entsprechender Versatz der Spulen 20 relative zueinander entsteht.
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Die Querkontaktierung der x-Spulen, also von Spulen in der x-Richtung, wird z.B. erreicht, indem durch einen Umschlag des Spulenbandes um 180° über einen 45°-Winkel die Durchführung eine Leitungsebene tiefer und damit unter den anderen x-Spulen realisiert wird.
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Da in dieser Ebene im montierten Zustand die y-Spulen, also Spulen in y-Richtung, verlaufen, kommt es zu keinem Bauraumkonflikt.
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Um im Bereich der Quer- und Durchkontaktierung noch weiteren Bauraum zu gewinnen, kann das fertige Spulenfeld der Spulenanordnung 10 in den Randbereichen, also den Bereichen der ersten und zweiten Enden 41-1, 42-1, 41-2, 42-2 der jeweiligen ersten und zweiten linearen Abschnitte 41, 42 nach unten um 90° gebogen werden. Dadurch wird in der Draufsicht der Totbereich kleiner, wenn es der Bauraum nach unten zulässt.
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Spulenvariante 2:
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Analog Spulenvariante 1 wird auch hier eine kaskadierte Anordnung von drei Spulen im Paket angestrebt. Es wird jedoch im Bereich der Querkontaktierung nicht mit einem Umschlag mit 180° gearbeitet, sondern nur mit einem Umschlag in 90°. So steht das Band 33 im Bereich der Querkontaktierung senkrecht, was einen geringeren Bauraum in den Richtungen x und y erlaubt.
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Spulenvariante 3:
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Während bei den Varianten 1 und 2 von ineinander laufenden Spulen in den Richtungen x und y ausgegangen wird, können auch immer gleiche Spulenpakete gewickelt werden, welche nebeneinander bzw. übereinander montiert werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil einer einfachen Fertigung und Montage, allerdings mit dem Nachteil, dass das Magnetfeld der unteren Spulen im Wirkbereich deutlich schwächer ist. Damit erhält der Stator 120 eine Vorzugsrichtung, was beispielsweise bei einer vertikalen Anordnung durchaus von Vorteil sein kann.
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Spulenvariante 3:
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Bei dieser Variante wird das Flachmaterial aus der Variante 1 durch mehrere Parallelleiter ersetzt und genauso gefaltet; dadurch kann N gesteigert werden.
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Herstellung der Spulen:
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Die Herstellung der einzelnen Spulen erfolgt über eine entsprechende Wickelanordnung, welche im Anfangsfall durch einen Roboter realisiert werden wird. Ggf. kann zu einem späteren Zeitpunkt auf eine einfachere Maschine zurückgegriffen werden.
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Die hier aufgeführten Varianten an Spulen stellen nur exemplarisch die Möglichkeiten da. Es wird davon ausgegangen, dass sich in der folgenden Entwicklung weitere Varianten der Spulenführung ergeben.
