DE19920048A1 - Elektromechanischer Energiewandler - Google Patents

Abstract

Die Energiewandlungsdichte elektromechanischer Energiewandler wird maßgeblich durch die Stärke des Luftspaltes und die darin untergebrachte Induktivität bestimmt. Mit abnehmender Systemgröße besetzt das Spulenbeiwerk - Träger-, Isolationsschichten, Leiterbrücken - einen relativ zunehmenden Anteil des Luftspaltraumes. Beim neuen Energiewandler soll das Spulenbeiwerk die effektive Raumbefüllung des Luftspaltes mit Induktivität nicht behindern - insbesondere bei kleinen Systemen. DOLLAR A Die Spulenscheibe (14) des elektromechanischen Energiewandlers - einer Axialfeldkonstruktion - besteht aus Planarspulen (1) mit einer Windungsebene (4). Leiterbrücken (2) zur Verbindung der Planarspulen (1) verlaufen entweder in Nuten (18) axial-benachbarter Funktionselemente (15) - Dauermagnetscheibe (3) und ggf. Rückschlußelement (16) - zwischen Planarspulen (1) einer axial-benachbarten Windungsebene (4), hinter einem Rückschlußelement (16) oder werden als flache, breite Leiterbrücken (2) eng über die Planarspulen (1) geführt. DOLLAR A Der elektromechanische Energiewandler erlaubt besonders kompakte, flache Konstruktionen mit hoher Energiewandlungsdichte. Die Vorteile kommen insbesondere bei sehr kleinen Energiewandlern zum Tragen.

Description

Die Erfindung betrifft elektromechanische Energiewandler flacher Bauform nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1-4.

Elektromechanische Energiewandler - Motore und Generatoren - flacher Bauform sind allgemein bekannt. Bei den - diese Schrift betreffenden - Axialfeldmaschinen werden mit Hilfe von axial­ polarisierten Dauermagneten zirkulare magnetische Feldgradienten in einem Luftspalt, der senkrecht zur Drehachse des Rotors des Energiewandlers angeordnet ist und eine Spulen­ anordnung enthält, erzeugt. Je enger der Luftspalt und je größer die Induktivität der Spulen im Luftspalt ist, um so größer sind die erreichbaren Energiewandlungsdichten. Der Platzbedarf zur Gewährleistung einer ungehinderten Rotorbewegung und die Spulenhöhe setzen der Minimierung der Weite, d. h. der Dicke des Luftspaltes Grenzen. Der Platzbedarf für die freie Rotorbewegung ist durch die Präzision und Größe der Gesamtkonstruktion sowie durch die Qualität der verwendeten Bauteile bestimmt. Konstruktion und Anordnung der Spulen bieten dagegen direktes Reduktionspotential. Eine Lösung stellt die Versenkung ringförmiger Spulen in Nute eines Rückschlußelementes dar, so daß zumindest über den Teil des Rückschlußelementes, der durch oder zwischen die Spulen ragt, ein geringerer Luftspalt realisierbar wird. Das konstruktiv bedingte Haftmoment kann sich jedoch negativ auf die Anlauf und Gleichlaufeigenschaften auswirken. Diesen Nachteil weisen ungenutete Systeme, wie etwa der in der DE-OS 29 31 650 (H  02 K3/04) beschriebene Axialfeldmotor nicht auf. In einem großen Luftspalt sind kompakt gewickelte Spulen hoher Induktivität untergebracht, die in axialer Richtung mehrere Leiterdurchmesser stark sind. Ein weiterer Vorteil ungenuteter Systeme besteht im Wegfall des Fertigungsaufwandes zur Herstellung der Nute.

Mit abnehmenden Abmessungen der Elektromotore oder -generatoren lassen sich deren Spulen­ systeme mit konventionellen Wickelmethoden immer schwerer realisieren, so daß eher alternative Verfahren zur Spulenherstellung, wie Ätzen, Lithografie oder auch Mikroguß Anwendung finden. In der DE-OS 32 31 966 (H 02 K 3/27) ist eine elektrische Maschine beansprucht, bei der Planarspulen dieser Art eingesetzt werden und R. Hanitsch sowie D.-S. Choi (INTELLIGENT MOTION, June 1993, Proceedings, 456-461) beschreiben einen disc-type-Motor mit geätzten Leiterstrukturen in mehreren Windungsebenen, wobei es sich in beiden Fällen nicht um sehr kleine Motore handelt. Es wird jedoch deutlich, daß im Gegensatz zu den gewickelten Spulen analog der DE-OS 29 31 650, das verwendete Trägermaterial erheblichen Raum beansprucht. Auch die - in beiden Arbeiten nicht explizit hervorgehobenen - Leitungsverbindungen zwischen den einzelnen Planarspulen führen zu einer zusätzlich notwendigen Luftspaltvergrößerung. Mit abnehmender Windungsebenenzahl und Größe des elektromechanischen Wandlers wird die erforderliche Weite des Luftspaltes zunehmend durch den Platzbedarf dieser Spulenbeiwerke - Leiterbrücken, Trägermaterial, Isolationsschichten - bestimmt. Vorausgesetzt, daß man die Stärke von Träger­ material und Isolationsschichten auf ein praktisches Minimum verringert, verbleibt immer noch der Luftspaltbedarf für die Leiterbrücken - zusätzlich zu dem Sicherheitsabstand zur Gewähr­ leistung der freien Rotorbewegung. Bei Spulen mit nur einer Windungsebene, d. h. bei Planar­ spulen, wird bei gleicher Leiterstärke durch die Leiterbrücken mindestens genau soviel Luftspalt­ weite wie durch die Spulen selbst besetzt. Die theoretischen, d. h. nur mit den Planarspulen selbst zu realisierenden Bauhöhen und Induktivitätsdichten im Luftspalt können so wegen der Spulen­ beiwerke nicht erreicht werden. Diese negative Wirkung des Spulenbeiwerkes kommt mit zu­ nehmender Miniaturisierung, insbesondere hinsichtlich des Höhe-/Durchmesser-Verhältnisses, der Kompaktheit und der Energiewandlungsdichten des Energiewandlers, immer mehr zum Tragen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, für elektromechanische Energiewandler vom Typ der Axialfeldmaschinen, bei denen die Wicklung aus Planarspulen mit Windungen in nur einer Windungsebene besteht, die Planarspulen und/oder Spulenbeiwerke so zu gestalten oder in dem Luftspalt anzuordnen, daß dessen Weite nicht oder nur geringfügig durch den Platzbedarf der Spulenbeiwerke bestimmt wird und der magnetisch wirksame Luftspalt effektiv mit den Planar­ spulen ausgefüllt werden kann, wobei die Lösung gerade für kleine elektromechanische Energie­ wandler einfache und flache Konstruktionen erlauben soll.

Die Aufgabe wird mit elektromechanischen Energiewandlern nach den Ansprüchen 1-4 gelöst. Erfindungsgemäß verursachen die Leiterbrücken und/oder Anschlußleitungen nach den Ansprüchen 1, 3 und 4 keine und nach dem Anspruch 2 nur wenig zusätzliche Luftspaltweite über die von den Planarspulen selbst benötigte hinaus. Auch an der Peripherie ist kein zusätzlicher Platzbedarf zur Führung von Leiterbrücken und/oder Anschlußleitungen erforderlich ist, so daß Spulen- und Dauermagnetscheibe den gleichen Durchmesser aufweisen können. Hierdurch ist eine sowohl axial wie auch radial kompakte und einfache Konstruktion gewährleistet. Nach Anspruch 1 liegen bzw. bewegen sich die Leiterbrücken in engen Nuten entweder der Dauermagnetscheibe oder des weichmagnetischen Rückschlußelementes; nach Anspruch 2 befinden sich die Leiter­ brücken als flache Leitungsbänder auf den Planarspulen, ohne deren Höhe wesentlich zu ver­ größern; nach Anspruch 3 sind die Verbindungsbrücken zwischen Planarspulen axial-benachbarter Windungsebenen angeordnet und nach Anspruch 4 werden Anschlußleitungen, die eigentlich offene oder abschließende Leiterbrücken darstellen, und Leiterbrücken durch bzw. hinter das Rückschlußelement geführt. Zudem kann die gesamte, magnetisch wirksame Querschnittsfläche im Luftspalt lückenlos mit Planarspulen ausgefüllt werden, d. h. in einem sehr engen Luftspalt ist sehr viel Induktivität plazierbar und damit eine hohe Energiewandlungsdichte realisierbar.

Als Fertigungssverfahren für die Planarspulen eignen sich insbesonders für Kleinsysteme mehrere, in der Mikrosystemtechnik etablierte Verfahren, so etwa additive oder subtraktive physikalische bzw. physikalisch-chemische Ätz- oder Lithografieverfahren, wie das LIGA-Verfahren, die UV-Li­ thografie oder Mikrogußverfahren. Mit diesen Verfahren sind Leiter mit fast rechteckigem oder trapezförmigem Leiterquerschnitt und einem großen Leiterhöhe-/-breiteverhältnis realisierbar. Bei Planarspulen sind damit hohe Raumausfüllungen mit Leitermaterial und hohe Induktivitäten zu erzielen. Spulenscheiben mit einer oder zwei Windungsebenen sind mit diesen Verfahren sehr effektiv zu fertigen. Da sich nach den Ansprüchen 1-4 die Leiter der Planarspulen, Verbindungs­ leitungen und Leiterbrücken innerhalb einer Windungs- oder Leiterebene nicht kreuzen, können innerhalb der jeweiligen Windungs- oder Leiterebene alle Leiter die gleiche Höhe aufweisen, wes­ wegen sich die genannten Verfahren zur Fertigung solcher Spulensysteme sehr gut eignen. Die Spulenscheiben können entweder nur aus Planarspulen - mechanisch mit einem Bindemittel, etwa Kleber, Lack, Keramik oder anderen nichtmetallischen Materialien, stabilisiert - oder aus einem Verbund von Trägermaterial und Spulen bestehen. Als Trägermaterial eignen sich nichtmetallische und - gegebenenfalls mit einer Isolationsschicht versehen - metallische Werkstoffe, wie Kunststoff (-folie), Keramik, Silizium, Glas, Plastik-Metall- und Keramik-Metall-Verbundstoffe, Kohlenstoff­ modifikationen, Metalle oder Legierungen. Desweiteren brauchen die Spulen nicht in Rückschluß­ elemente - wie bei genuteten System - versenkt werden, so daß keine fertigungstechnisch­ aufwendigen Strukturen im Spulenträger - was nach Anspruch 5 auch ein Rückschlußelement sein kann - notwendig sind. Bei Energiewandlern nach den Ansprüchen 2-4 kann einfachstes Halbzeugmaterial - ebene Platten oder Folien - als Spulenträgermaterial verwendet werden und selbst die schmalen Nute für die Leiterbrücken nach Anspruch 1 lassen sich einfach fertigen, so durch Prägen und Ätzen, gegebenenfalls auch durch Drehen oder Fräsen.

Mit den Ansprüchen 1-5 sind damit insgesamt beste Voraussetzungen zur fertigungstechnisch effektiven und damit kostengünstigen Herstellung von insbesondere kleinen Energiewandlern flacher Bauform gegeben. Die Ansprüche 1-5 erlauben einfachste, effektive Konstruktionen, bei denen das Spulenbeiwerk kaum oder gar nicht die Dimension des Luftspaltes bestimmt. Elektro­ mechanische Energiewandler nach den Ansprüchen 2-4 sowie die nach Anspruch 1 mit geschlossen-zirkularen Nuten weisen keine Haftmomente und damit sehr gute Gleichlaufeigen­ schaften sowie geringe Anlaufmomente auf. Auch die schmalen Nute bei radialer Leiterbrücken­ führung nach Anspruch 1 bewirken - wenn überhaupt - nur äußerst geringe Haftmomente.

Für die Realisierung der Generatorfunktion wird nur ein Spulenstromkreis, für den Einsatz als Motor werden mindestens zwei benötigt, wobei sowohl die Dauermagnetscheibe als auch die Spulenscheibe aus mindestens zwei Segmenten unterschiedlicher magnetischer Polung - bei der Spule bei Stromdurchfluß - bestehen müssen. Die Spulensegmente können aus einer oder mehreren Planarspulen bestehen und definieren sich so, daß sie bei Stromdurchfluß Bereiche gleichgerichteter magnetische Polung darstellen. Spiralige Planarspulen erfordern immer eine Leiterbrücke, um das Spulenzentrum zu erreichen. Ein Spulenstromkreis aus mäandrigen Planar­ spulen benötigt dagegen zwingend keine Leiterbrücken, abgesehen von einer, wenn beide Anschlüsse des Spulenstromkreises im Zentrum oder an der Peripherie liegen sollen.

Die Lösungen der Ansprüche 1-4 sind besonders effektiv bei Spulenscheiben mit einer oder zwei Windungsebenen, jedoch sind prinzipiell - auch in Kombination der Ansprüche 1-4 - mehrere realisierbar. Besonders flache, hochinduktive Spulenscheiben aus einer Windungsebene erlauben die Ansprüche 2 und 4. Nach den Ansprüchen 6 und 7 können die Spulensegmente oder die Planarspulen eines oder mehrerer Spulenstromkreise innerhalb einer Windungsebene entweder zirkular oder radial nebeneinander angeordnet sein. In den Generatoren und Motoren, die mit Spulenscheiben aus einer Windungsebene möglich werden, lassen sich sehr enge Luftspalte und sehr hohe Energiewandlungsdichten realisieren. Andererseits lassen sich gerade für kleine System Spulenscheiben mit nur einer Windungsebene vorteilhaft fertigen. Gleichzeitig wird die Gesamt­ konstruktion sehr flach. Wenn eine Spulenscheibe aus nur einer oder zwei Windungsebenen den Rotor bildet, sind zudem die Anlauf sowie Anhaltemomente sehr gering.

Die Gestaltung der Leiterbrücken nach Anspruch 2 kann nach Anspruch 8 soweit erweitert werden, daß die gesamte Spulenscheibe breitflächig abgedeckt wird. Damit können die Leiter­ brücken zusätzlich zu ihrer primären Stromleitungsfunktion die mechanische Konstruktion der Spulenscheibe stabilisieren. Gleichzeitig stellen sie ein Schutzelement gegen mechanische und Umweltbelastungen dar. Sowohl die Leiterbrücken nach Anspruch 2 wie auch die nach Anspruch 8 können zur Vermeidung von Verlusten durch Wirbelströme in sich strukturiert sein, etwa in Form streckenweise geschlitzter Leiterbahnen oder als Netzstruktur.

Der zentrale Teil einer Axialfeldmaschine dient im Allgemeinen der Energiezu- oder -abführung und nicht der Energiewandlung, so daß hier potentiell konstruktiver Nutzraum besteht. Wird nach Anspruch 9 in diesem zentralen Bereich durch ein Loch oder eine Ausnehmung in der Dauer­ magnetscheibe oder im Rückschlußelement Volumen freigelegt, kann hier sehr vorteilhaft - raum­ sparend und robust - Steuerelektronik und gegebenenfalls Sensorik untergebracht werden. Das Loch oder die Ausnehmung kann eine beliebige Gestalt aufweisen, jedoch ist ein zentrierter rotationssymmetrischer Freiraum am geeignetsten. Besonders vorteilhaft - insbesondere auch fertigungstechnisch - ist nach Anspruch 10 die Anordnung der Steuerelektronik und gegebenen­ falls Sensorik direkt auf der Spulenscheibe, da hierdurch die Verknüpfung von Elektrik und Elektronik räumlich und strukturell unmittelbar erfolgen kann. In dem freien Volumen kann zudem nach Anspruch 11 - fest mit der Dauermagnetscheibe verbunden - ein weich- oder hartmagnetisches Element angeordnet sein, um über die so erzeugte, kleine magnetische Inhomogeniät die genaue Position des Rotors zu erfassen.

Der Rotor kann sowohl durch die Verbindung von Drehachse und Spulenscheibe als auch durch die von Drehachse und Dauermagnetscheibe gebildet werden. Weist der elektromagnetische Energiewandler eine Ausführungsform auf, in der die Spulenscheibe rotiert, besteht das Problem der Zu- bzw. Abführung elektrischer Energie. Nach Anspruch 12 kann dies über eine Drehachse, bestehend aus zwei elektrisch voneinander isolierten Teilen, erfolgen. Neben einer Zweiteilung senkrecht zur Achse ist auch eine koaxiale Gestaltung der Drehachse - gegebenenfalls für mehr als zwei Anschlüsse - oder eine Kombination beider Varianten möglich. Da die Elektronik auf der Spulenscheibe die Beschaltung der Spulenstromkreise vornimmt, reichen prinzipiell zwei Anschlußleitungen für die Realisierung der Grundfunktionen des elektromechanischen Wandlers. Für spezielle Anwendungen ist nach Anspruch 13 mit einer elektronischen Einheit ein code­ abhängiger Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers möglich. Solche Energiewandler können etwa für sicherheitstechnische Anwendungen oder für spezielle, etwa hinsichtlich Zeit und Modus variierbare, Energiewandlungsaufgaben eingesetzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 typische Planarspulenformen,

Fig. 2 eine typische Anordnung zweier Spulensysteme eines Energiewandlers nach Anspruch 3,

Fig. 3 eine Leiterbrückenanordnung eines Energiewandlers nach Anspruch 1,

Fig. 4 eine Leiterbrückenanordnung eines Energiewandlers nach Anspruch 2,

Fig. 5 eine Leiterbrückenanordnung eines Energiewandlers nach Anspruch 3,

Fig. 6 eine Leiterbrückenanordnung eines Energiewandlers nach Anspruch 4,

Fig. 7 zirkular angeordnete Segmente und Planarspulen nach Anspruch 6,

Fig. 8 radial angeordnete Segmente und Planarspulen nach Anspruch 7,

Fig. 9 einen elektromechanischen Energiewandler mit rotierender Dauermagnetscheibe und

Fig. 10 einen elektromechanischen Energiewandler mit rotierender Spulenscheibe.

In Fig. 1 sind typische Formen von Planarspulen 1 und Anordnungen von Leiterbrücken 2 dargestellt. Die obere Zeile zeigt die axial-orientierte Polung der zugehörigen Dauermagnet­ scheiben 3, die zweite Zeile die Leiterverläufe der Planarspulen 1, die dritte Zeile die entsprech­ ende Seitenansicht und die untere Zeile eine schematisierte Darstellung der Planarspulen 1, wobei durch gestrichelte bzw. strukturierten Linien jeweils immer eine zweite Ebene außerhalb der Windungsebenen 4 veranschaulicht wird. Bei den Dauermagnetscheiben 3 ist neben der reinen Scheibenform 5 die in Fig. 2 gezeigte Ringscheibenform 6 gleichermaßen geeignet. Die Spulen in der zweiten Zeile der Fig. 1 sind zur besseren Veranschaulichung mit nur wenigen Windungen und vergleichsweise schmalen Leiterbahnen bzw. großen Leiterbahnabständen dargestellt. Die linke Spule besitzt einen Spulenstromkreis 7, bestehend aus zwei Spulensegmenten 8 mit jeweils zwei Planarspulen 1; die Spulensegmente 8 sind von unterbrochenen Linien umschlossen. Die Zentren der spiraligen Planarspulen 9 werden über radiale Leiterbrücken 10 oder zirkulare Leiter­ brücken 11 erreicht. Zirkulare Leiterbrücken 11 sind dann besonders angezeigt, wenn die Leiter­ brücken 2 nach Anspruch 1 innerhalb von Nuten 18 eines bewegten axial-benachbarten Funktions­ elementes 15 verlaufen. Das in der rechten Spalte dargestellte Spulensystem mit mäandrigen Planarspulen 12 benötigt im Vergleich zu einem aus spiraligen Planarspulen 9 eigentlich keine Leiterbrücken 2; es ist jedoch zumindestens eine notwendig, wenn beide Anschlüsse 13 entweder peripher oder - wie dargestellt - zentral liegen sollen. Alle in Fig. 1 und 2 gezeigten Spulen bzw. Spulenanordnungen können selbst - innerhalb der Windungsebene(n) 4 durch ein Bindemittel stabilisiert - oder auf einer entsprechenden Unterlage angeordnet die Spulenscheibe 14 bilden. Radiale Leiterbrücken 10 sind insbesondere vorteilhaft und erforderlich, wenn die Spulenan­ ordnung für einen elektromechanischen Energiewandler nach Anspruch 3 vorgesehen ist. Eine solche ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die beiden Spulen etwas versetzt zueinander gezeichnet sind, um den Leiterverlauf besser erkennen zu können. Die zwei Spulenstromkreise 7 weisen jeweils vier Spulensegmente 8, bestehend aus einer Planarspule 1, auf. Alle Planarspulen 1 eines Spulen­ stromkreises 7 sind in einer Windungsebene 4 angeordnet, und in den Lücken zwischen den Planarspulen 1 verlaufen die radialen Leiterbrücken 10 des jeweils anderen Spulenstromkreises 7, dessen Planarspulen 1 in einer zweiten Windungsebene 4 liegen.

In Fig. 3 sind zwei Varianten einer Anordnung von Leiterbrücken 2 nach Anspruch 1 aufgezeigt. Die Spulenscheibe 14 ist durch zwei axial-benachbarte Funktionselemente 15 flankiert, wobei sie mit dem Rückschlußelement 16 fest verbunden ist. Das linke Bild zeigt den Fall, wo sich die Leiterbrücke 2, durch eine Isolationsschicht 17 getrennt, direkt in der Nut 18 des Rückschluß­ elementes 16 befindet. Beim rechten Bild verläuft die Leiterbrücke 2 innerhalb einer Nut 18 der Dauermagnetscheibe 3. Da zwischen Spulenscheibe 14 und Dauermagnetscheibe 3 eine rotatorische Relativbewegung auftritt, handelt es sich nach Anspruch 1 bei der Leiterbrücke 2 um eine zirkulare Leiterbrücke 11 und bei der Nut 18 um eine geschlossen-zirkulare Nut 19 mit ausreichend Freiraum für die ungestörte Bewegung.

Leiterbrücken 2 nach Anspruch 2 sind in Fig. 4 dargestellt. Bei der linken Anordnung befindet sich die Spulenscheibe 14 auf dem Rückschlußelement 16. Die Leiterbrücke 2 ist sehr flach ausgebildet, garantiert jedoch aufgrund des Leiterquerschnitts und der großflächigen Wärme­ abgabemöglichkeit eine ausreichende Strombelastbarkeit. Die rechte Anordnung in Fig. 4 zeigt eine Spulenscheibe 14, die sich frei zwischen Dauermagnetscheibe 3 und Rückschlußelement 16 bewegt. Die Leiterbrücken 2 bedecken nach Anspruch 8 beidseitig breitflächig die gesamte Oberfläche der Spulenscheibe 14 im Bereich der Planarspulen 1. Dadurch werden die Leiter­ bahnen der Planarspule 1 geschützt und die Gesamtkonstruktion der Spulenscheibe 14 stabilisiert. Die Isolationsschicht 17 schützt vor Kontakt und sorgt für eine zusätzliche Versteifung.

Fig. 5 veranschaulicht eine Anordnung nach Anspruch 3. Die Leiterbrücken 2 zwischen den Planarspulen 1 der einen Windungsebene 4 verlaufen zwischen den Planarspulen 1 der jeweils anderen Windungsebene 4. Die direkte Nutzung des Rückschlußelementes 16 zur Führung von Leiterbrücken 2 und Anschlußleitungen 20 nach Anspruch 4 ist in Fig. 6 gezeigt. Die Spulen­ scheibe 14 ist nach Anspruch 6 mittels UV-Lithografie unmittelbar und sehr kostengünstig auf dem Rückschlußelement 16 gefertigt. Statt freier Leiterführung können die Leiterbrücken 2 auch auf der Rückseite des Rückschlußelementes 16 auf einer Leiterplatte angeordnet sein.

In den Fig. 7 und 8 sind Spulenanordnungen für elektromechanische Energiewandler nach Anspruch 6 und 7 dargestellt. Die Spulensegmente 8, die in Fig. 7 aus jeweils einer und in Fig. 8 aus jeweils zwei Planarspulen 1 bestehen, sind jeweils um 45° gegeneinander versetzt angeordnet. In Fig. 7 ergibt sich dies durch das gegenseitige, "kammartige" Zwischeneinanderlegen der Planarspulen 1. Bei der in Fig. 8 dargestellten Weise der Spulenanordnung besteht für Planar­ spulen 1 eine zirkular uneingeschränkte Positionierbarkeit, was gegebenenfalls vorteilhaft genutzt werden kann. Wie in Fig. 4 bedecken auch hier - dargestellt jeweils auf der rechten Seite - die Leiterbrücken 2 nach Anspruch 8 breitflächig die Planarspulen 1. Die Anschlüsse 13 sind in den Fig. 7 und 8 nicht explizit dargestellt - prinzipiell ist es aber möglich, einen Spulenstromkreis 7 an jeder Stelle zu trennen und dort die Anschlüsse 13 zu setzen.

Die Fig. 9 und 10 zeigen Varianten von elektromechanischen Energiewandlern, in denen unter anderem Anspruch 9 realisiert ist. Jeweils im zentralen Teil befindet sich ein Loch 21 in der Dauermagnetscheibe 3, in der die Steuerelektronik 22 zur Beschaltung der jeweils zwei Spulen­ stromkreise 7 der Spulenscheibe 14 untergebracht ist. Die Steuerelektronik 22 enthält in beiden Fällen einen Hall-Sensor, der durch die Polsegmente der Dauermagnetscheiben 3 und zusätzlich - bei jeder Umdrehung - durch einen Impuls des magnetischen Elementes 23 nach Anspruch 11 angesprochen wird. In Fig. 9 ist dieses magnetische Element 23 ein Dauermagnet, in Fig. 10 ein Eisenteil. Unmittelbar auf der Spulenscheibe 14 in Fig. 9, die nach Anspruch 5 direkt auf dem Rückschlußelement 16 gefertigt wurde, ist nach Anspruch 10 die Steuerelektronik 22 plaziert. Das Rückschlußelement 16 besitzt gleichzeitig eine Gehäusefunktion. Mit der Dauermagnet­ scheibe 3 und dem Rotorrückschlußelement 24 besitzt der Rotor in Fig. 9 eine große Masse und damit eine große Anlaufzeitkonstante. Dagegen läßt der nur aus Spulenscheibe 14 mit Steuerelek­ tronik 22 und Drehachse 25 bestehende Rotor in Fig. 10 eine sehr geringe Anlaufzeitkonstante zu. Die Stromversorgung erfolgt hier nach Anspruch 12 über eine geteilte Drehachse 25, die mit keramischen Lagern 26 gegenüber den Gehäuserückschlußelementen 27 isoliert ist. Der Keramik­ stift 28 dient der Zentrierung bei der Montage. Die Anordung in Fig. 10 enthält statt eines weich­ magnetischen Rückschlußelementes 16 eine zweite Dauermagnetscheibe 3 als axial-benachbartes Funktionselement 15, um mehr magnetische Energie im System zur Verfügung zu haben.

In Fig. 9 müssen durch das untere Lager 26 erhebliche axiale Kräfte aufgefangen werden. Hier bietet sich eine nur einseitig austretende Drehachse 25 an, da sie durch die axialen Kräfte sicher in der zentralen Position gehalten wird. Die Steuerelektronik 22 in Fig. 9 enthält nach Anspruch 13 eine Codebewertungseinheit, die - trotz angelegter Spannung - die Motorfunktion nur erlaubt, wenn über die beiden Anschlußleitungen 20 ein bestimmter Code übermittelt wird. Hierdurch können Vorlauf, Rücklauf, Geschwindigkeit und Zeit des Motorlaufs statt durch Ein-, Aus- oder Umschalten lediglich durch die Übermittlung bestimmter Codes gesteuert werden.

Eine Ausführungsvariante - nicht explizit dargestellt - analog der Anordnung nach Fig. 10, die nur als mechanoelektrischer Dynamo einsetzbar ist, enthält eine Spulenscheibe 14 mit nur einem Spulenstromkreis 7. Die Steuerelektronik 22 sowie das magnetische Element 23 werden hier nicht benötigt. Die Leiterbrücken 2 bedecken beidseitig nach Anspruch 2 und 8 die Spulenscheibe 14 und gehen unmittelbar in die zentralen Anschlüsse 13, die ebenfalls als flache Leiter analog Anspruch 2 gestaltet sind, über. Leiterbrücken 2 und Anschlüsse 13 bestehen aus Gold. Auf die Leiterbrücken 2 ist zusätzlich eine dünne Hartstoffschicht mit geringem Reibungskoeffizienten - geeignet sind diamant- oder diamantähnliche Kohlenstoffmaterialien, Carbide, Nitride, Boride, Oxide und dergleichen oder auch harte Metalle - aufgebracht, so daß eine sehr robuste Spulen­ scheibe 14 vorliegt und auch während des Laufs bei Berührung der Dauermagnetscheibe 3 keine Gefahr der Zerstörung der feinen Leiter der Planarspulen 1 besteht. Zur Montage müssen die beiden Teile der Drehachse 25 nur beidseitig auf die Spulenscheibe 14 aufgesetzt und fixiert werden. Die Kontaktsicherheit kann durch ein Lot oder Leitkleber erhöht werden.

Liste der Bezugszeichen

1

Planarspule

2

Leiterbrücke

3

Dauermagnetscheibe

4

Windungsebene

5

Dauermagnetscheibe in reiner Scheibenform

6

Dauermagnetscheibe in Ringscheibenform

7

Spulenstromkreis

8

Spulensegment

9

spiralige Planarspule

10

radiale Leiterbrücke

11

zirkulare Leiterbrücke

12

mäandrige Planarspule

13

Anschluß

14

Spulenscheibe

15

axial-benachbartes Funktionselement

16

Rückschlußelement

17

Isolationsschicht

18

Nut

19

geschlossen-zirkulare Nut

20

Anschlußleitung

21

Loch

22

Steuerelektronik

23

magnetisches Element

24

Rotorrückschlußelement

25

Drehachse

26

Lager

27

Gehäuserückschlußelement

28

Keramikstift

Claims (13)

1. Elektromechanischer Energiewandler flacher Bauform, der rotationssymmetrisch zu seiner Drehachse eine Spulenscheibe und - als axial-benachbarte Funktionselemente - eine Dauer­ magnetscheibe mit zirkular segmentweise wechselnder, axial-orientierter Polung sowie gegebe­ nenfalls ein Rückschlußelement aufweist, bei dem die Spulenscheibe aus spiraligen oder mäan­ drigen Planarspulen mit Windungen in nur einer Windungsebene besteht, die Verbindungs­ leitungen zwischen oder zu den Planarspulen - sofern sie außerhalb der Windungsebene ver­ laufen - Leiterbrücken darstellen, die Leiter innerhalb der Planarspulen einen weitestgehend rechteckigen oder trapezförmigen Leiterquerschnitt mit einem Höhe-Breite-Verhältnis ≧ 1 aufweisen und die Planarspulen sowie die Leiterbrücken in Ebenen senkrecht zur Drehachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Leiterbrücken (2, 10, 11) in Nuten (18, 19) eines axial-benachbarten Funktionselementes (15) verlaufen und daß auf der Seite der Spulenscheibe (14), wo eine rotatorische Relativbewegung zu einem axial-benachbarten Funktionselement (15) auftritt, Leiterbrücken (2, 11) in geschlossen-zirkularen Nuten (19) verlaufen.

2. Elektromechanischer Energiewandler flacher Bauform, der rotationssymmetrisch zu seiner Drehachse eine Spulenscheibe und - als axial-benachbarte Funktionselemente - eine Dauer­ magnetscheibe mit zirkular segmentweise wechselnder, axial-orientierter Polung sowie gegebe­ nenfalls ein Rückschlußelement aufweist, bei dem die Spulenscheibe aus spiraligen oder mäan­ drigen Planarspulen mit Windungen in nur einer Windungsebene besteht, die Verbindungs­ leitungen zwischen oder zu den Planarspulen - sofern sie außerhalb der Windungsebene ver­ laufen - Leiterbrücken darstellen, die Leiter innerhalb der Planarspulen einen weitestgehend rechteckigen oder trapezförmigen Leiterquerschnitt mit einem Höhe-Breite-Verhältnis ≧ 1 aufweisen und die Planarspulen sowie die Leiterbrücken in Ebenen senkrecht zur Drehachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei vergleichbarer Größenordnung der Leiterquerschnittsflächen Leiterbrücken (2, 10, 11), im Gegensatz zum Leiter der Planarspulen (1, 9, 12) selbst, deutlich breiter als höher ausgebildet sind.

3. Elektromechanischer Energiewandler flacher Bauform, der rotationssymmetrisch zu seiner Drehachse eine Spulenscheibe und - als axial-benachbarte Funktionselemente - eine Dauer­ magnetscheibe mit zirkular segmentweise wechselnder, axial-orientierter Polung sowie gegebe­ nenfalls ein Rückschlußelement aufweist, bei dem die Spulenscheibe aus spiraligen oder mäan­ drigen Planarspulen mit Windungen in nur einer Windungsebene besteht, die Verbindungs­ leitungen zwischen oder zu den Planarspulen - sofern sie außerhalb der Windungsebene ver­ laufen - Leiterbrücken darstellen, die Leiter innerhalb der Planarspulen einen weitestgehend rechteckigen oder trapezförmigen Leiterquerschnitt mit einem Höhe-Breite-Verhältnis ≧ 1 aufweisen und die Planarspulen sowie die Leiterbrücken in Ebenen senkrecht zur Drehachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß Leiterbrücken (2, 10, 11) zwischen Planarspulen (1, 9, 12) innerhalb einer axial­ benachbarten Windungsebene (4) verlaufen.

4. Elektromechanischer Energiewandler flacher Bauform, der rotationssymmetrisch zu seiner Drehachse eine Spulenscheibe und - als axial-benachbarte Funktionselemente - eine Dauer­ magnetscheibe mit zirkular segmentweise wechselnder, axial-orientierter Polung sowie ein Rückschlußelement aufweist, bei dem die Spulenscheibe aus spiraligen oder mäandrigen Planarspulen mit Windungen in nur einer Windungsebene besteht, die Verbindungsleitungen zwischen oder zu den Planarspulen - sofern sie außerhalb der Windungsebene verlaufen - Leiterbrücken darstellen, die Leiter innerhalb der Planarspulen einen weitestgehend recht­ eckigen oder trapezförmigen Leiterquerschnitt mit einem Höhe-Breite-Verhältnis ≧ 1 aufweisen und die Planarspulen sowie die Leiterbrücken in Ebenen senkrecht zur Drehachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlußelement (16, 24, 27) über axiale Löcher verfügt, durch die Anschluß­ leitungen (20) an die Anschlüsse (13) der Spulenstromkreise (7) geführt werden und/oder Leiterbrücken (2, 10, 11) auf die Rückseite des Rückschlußelementes (16, 24, 27) gelegt sind.

5. Elektromechanischer Energiewandler nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenscheibe (14) unmittelbar auf dem Material des Rückschlußelementes (16, 24, 27) gefertigt wird.

6. Elektromechanischer Energiewandler nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Windungsebene (4) Spulensegmente (8) und/oder Planarspulen (1, 9, 12) verschiedener Spulenstromkreise (7) zirkular-benachbart angeordnet sind.

7. Elektromechanischer Energiewandler nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Windungsebene (4) Spulensegmente (8) und/oder Planarspulen (1, 9, 12) verschiedener Spulenstromkreise (7) radial-benachbart angeordnet sind.

8. Elektromechanischer Energiewandler nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß Leiterbrücken (2, 10, 11) nach Anspruch 2 den Bereich der Planarspulen (1, 9, 12) auf einer oder auf beiden Seiten der Spulenscheibe (14) breitflächig abdecken.

9. Elektromechanischer Energiewandler nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß ein axial-benachbartes Funktionselement (15) ein Loch (21) oder eine Ausnehmung in zentraler, der Drehachse (25) nahen Position aufweist und in dem dadurch verfügbaren Volumen Steuerelektronik (22) sowie gegebenenfalls Sensorik angeordnet ist.

10. Elektromechanischer Energiewandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (22) sowie gegebenenfalls Sensorik unmittelbar auf der Spulenscheibe (14) innerhalb des verfügbaren Volumens der zentralen Ausnehmung oder des zentralen Loches (21) angeordnet sind.

11. Elektromechanischer Energiewandler nach den Ansprüchen 9-10, dadurch gekennzeichnet, daß - starr mit der Dauermagnetscheibe (3, 5, 6) verbunden - im zentralen Bereich des elektro­ magnetischen Energiewandlers ein magnetisches Element (23) mit eindeutigem Bezug zu mindestens einem Polsegment der Dauermagnetscheibe (3, 5, 6) angeordnet ist.

12. Elektromechanischer Energiewandler nach den Ansprüchen 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kopplung der Spulenscheibe (14) mit der Drehachse (25) die Zuführung oder Abführung der elektrischen Energie und gegebenenfalls eine Signalübermittlung über mindestens zwei elektrisch voneinander isolierte Teile der Drehachse (25) erfolgt.

13. Elektromechanischer Energiewandler nach den Ansprüchen 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des elektromechanischen Energiewandlers eine elektronische Einheit angeordnet ist, welche einen codeabhängigen Betrieb des elektromechanischen Energiewandlers ermöglicht.