DE202012008804U1

DE202012008804U1 - Elektrische Wicklung für elektrische Maschinen und elektrische Maschine mit einer solchen

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Publication number: DE202012008804U1
Application number: DE202012008804.1U
Authority: DE
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Current assignee: Technische Universitaet Chemnitz
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-01-09
Anticipated expiration: 2022-09-14

Abstract

Elektrische Wicklung für elektrische Maschinen oder Energiewandler auf der Basis elektromagnetischer Kraftwirkung, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen (2), aufgedruckt auf ein Trägermaterial (3) in Verbindung mit einer die Leiterbahnen (2) überdeckenden Isoliermaterialschicht (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Wicklung für eine elektrische Maschine oder einen elektrischen Energiewandler auf Basis einer elektromagnetischen Kraftwirkung sowie eine elektrische Maschine bzw. einen elektrischen Energiewandler mit einer derartigen Wicklung.
Derartige Wicklungen oder Spulen werden für rotierende elektrische Maschinen, wie Elektromotoren oder Generatoren, aber auch für ruhende elektrische Maschinen oder Energiewandler, wie Transformatoren oder dergleichen benötigt.
Im Rahmen des vorliegenden Gebrauchsmusters wird für diese elektrischen Maschinen auch der Begriff des elektrischen Energiewandlers verwendet, der auf der Basis einer elektromagnetischen Kraftwirkung arbeitet. Insbesondere ist dies eine rotatorische oder translatorische elektrische Maschine auf der Basis von elektromagnetischen Feldern und umfasst auch magnetische oder elektromagnetische Lager, wie auch ruhende elektrische Maschinen, z. B. Transformatoren oder Wandler. Die hierfür benötigten elektrischen Bauteile sind insbesondere elektrisch leitfähige Wicklungen oder Spulen, die in Form von Ankerwicklungen, Erregerwicklungen, Strangwicklungen, Käfigwicklungen oder Dämpferwicklungen als induktive Elemente in Verbindung mit Permanent- oder Elektromagneten verwendet werden. Gegenstand des Gebrauchsmusters ist hierauf aber nicht beschränkt, da auch andere elektrische Bauteile, die für elektrische Maschinen und deren Steuerungen verwendet werden, wie z. B. Kondensatoren, in der hier vorgeschlagenen Weise ausgebildet sein können.
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.
Aus der DE 34 47 979 A1 ist eine elektronisch kommutierte Gleichstrommaschine bekannt, die eine gedruckte Statorwicklung in einer mäanderförmigen Leiterbahnanordnung aufweist.
Aus der US 2006/0170077 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Antennen-Substrats bekannt, das eine Kombination von Silizium und Sauerstoff enthält und als leitfähiger Film auf einen Träger gedruckt werden kann.
Aus der DE OS 35 02 442 ist ein Elektromotor mit einer Leiterdruckplatte als Motorbrücke bekannt, die auch elektrische Elemente trägt und zugleich die erforderlichen Kontaktverbindungen zu den Statorwicklungen herstellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Wicklung für elektrische Maschinen anzugeben, die kostengünstig und mit elektrischen Leitern herstellbar ist, die für Applikationen mit sehr geringen Radien, wie sie z. B. für Minimotoren erforderlich sind, ausgebildet werden kann. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine anzugeben, die sich durch hohe Kompaktibilität, geringe Herstellungskosten und günstige elektrische Eigenschaften mit hoher Dichte in der Anordnung der zugehörigen Stromleiter auszeichnet.
Die vorgenannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine elektrische Wicklung nach Anspruch 1 bzw. eine elektrische Maschine nach Anspruch 32 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils zugehörigen Unteransprüche.
Vorzugsweise weist die elektrische Wicklung Leiterbahnen auf einem flexiblen Trägermaterial, insbesondere einer Kunststofffolie, auf, und sind diese Leiterbahnen höchst vorzugsweise siebgedruckt. Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Leiterbahnen direkt auf ein rotationssymmetrisches Trägermaterial, z. B. eine Hülse oder einen Hohlzylinder aufgedruckt, vorzugsweise siebgedruckt und zwar mehrlagig und im Wechsel mit zwischengedruckten Isoliermaterialschichten als Dielektrikum, ebenfalls vorzugsweise siebgedruckt, wobei die Isoliermaterialschicht einerseits zur Lagenisolation der jeweiligen Wicklungslage aus Leiterbahnen wie auch zur Windungsisolation zwischen den Leiterbahnen einer Wicklungslage dient. Bei Verwendung einer flexiblen Trägerfolie lassen sich mittels siebgedruckter 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.
Vorzugsweise wird während der mehrlagigen Herstellung der Wicklung aus einzelnen Wicklungslagen (Schichten) beabstandeter, gedruckter Leiterbahnen nach dem Drucken einer Wicklungslage oder Schicht von Leiterbahnen und/oder einer dielektrischen Isolierschicht eine Trocknung oder z. B. UV-Aushärtung des pastösen Auftrages vorgenommen und/oder auch die fertige, mehrlagige Wicklung abschließend einem Trocknungs- und Aushärtungsprozess unter Wärmeeintrag unterzogen. Dies führt neben der mechanischen Stabilisierung dazu, dass die elektrische Leitfähigkeit der Leiterbahnen, bedingt durch das Ausdampfen nicht leitfähiger organischer Bestandteile zunimmt, so dass sich der elektrisch leitfähige, z. B. Silberanteil innerhalb der Leiterbahnen und damit auch die elektrische Leitfähigkeit vergrößern.
Unter „Drucken” soll im Rahmen dieses Gebrauchsmusters auch das Spritzen, z. B. das Aufspritzen von Leiterbahnen auf ein Trägermaterial mittels eines leitfähigen Fluides, z. B. leitfähiger Tinte, verstanden werden. Auch eine Kombination von siebgedruckten Leiterbahnen mit aufgespritzten dielektrischen Isoliermaterialschichten ist möglich.
Das Bedrucken des Trägermaterials kann ein- oder zweiseitig und in mehreren Lagen (Schichten) 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 direkt übereinander gedruckten Leiterbahnen. D. h., die Leiterbahnen liegen nicht direkt übereinander (getrennt durch eine Isolierschicht), sondern die Leiterbahnen liegen in unterschiedlichen Schichten praktisch (in der Projektion) nebeneinander.
Die Leiterbahnen einer Wicklungslage oder Schicht sind daher in axialer Richtung (in Richtung ihrer Breite) gegenüber den Leiterbahnen einer folgenden Wicklungslage versetzt angeordnet.
Vorzugsweise weist die Wicklung vier Lagen oder Schichten auf, die übereinander gedruckt sind: eine erste Wicklungslage als Hinleiter und Stromzuführungs-Wicklungslage, gedruckt auf das Trägermaterial, eine zweite Lage als Dielektrikum und Isolierschicht, eine dritte Wicklungslage von Leiterbahnen als Rückleiter und Stromrückführungs-Wicklungslage und eine vierte und abschließende Lage als dielektrische Schutz- und Isolierschicht, wobei die erste Wicklungslage (Hinleiter) mit den Leiterbahnen und die dritte Wicklungslage (Rückführungslage mit elektrischen Leiterbahnen) durch eine elektrische Zwischenlagenverbindung miteinander verbunden sind. Diese sind vorzugsweise auch über die Isolierschicht (Dielektrikum) hinausragende Wicklungsköpfchen oder die Leiterbahnen fortsetzende Zungen, die zwischen Hin- und Rückleiter elektrisch verbunden sind. Alternativ sind sie als die Isoliermaterialschicht (Dielektrikum) in Durchbrechungen derselben durchsetzende Durchkontaktierungen zwischen den Leiterbahnen von Hin- und Rückleiter selbst ausgebildet.
Eine solche, auf diese Weise strukturierte, gedruckte, insbesondere siebgedruckte, Wicklung kann in elektrischen Maschinen kleiner Leistung, wie z. B. Maschinen mit einem Außendurchmesser von 40 mm bei z. B. einer Maschinenlänge von 80 mm, verwendet werden, wie z. B. in dreiphasigen Synchronmotoren oder Generatoren. Ein großer Vorteil solcher gedruckter Wicklungen, insbesondere siebgedruckter Wicklungen in elektrischen Maschinen, ist die viel kleinere Geometrie im Vergleich zu herkömmlichen Drahtwicklungen für rotierende elektrische Maschinen, die z. B. im Motor und auch im Generatorbetrieb betrieben werden können. Es ist jedoch möglich, vergleichbare Amperewindungszahlen zu erreichen. Der Grund liegt in der hohen Stromdichte von bis zu 100 A/mm² mit der die gedruckte, insbesondere siebgedruckte Wicklung verwendet werden kann. Dies wird durch das Verhältnis von Querschnittsfläche zur Oberfläche bei einer solchen gedruckten Wicklung bzw. einer Wicklungslage möglich, die für eine wesentlich bessere Wärmeverteilung sorgt.
Die gedruckten Leiterbahnen können in geraden Reihen oder in rhombischer Form ausgeführt werden, sie können jedoch auch eine krummlinige, z. B. evolventen-, elliptische oder parabolische Form aufweisen. Bei solchen krummlinigen Leiterbahnzügen kann eine signifikante Verringerung des ohmschen Widerstandes zur Erzeugung einer vergleichbaren Leistung erreicht werden.
Die Leiterbahnen können nicht nur auf eine flexible Folie gedruckt und diese dann zu einem Hohlzylinder oder auch für andere elektrische Bauteile oder auch für Wicklungen oder Spulen spiralig geformt werden, sondern es kann in einem abrollenden Druckverfahren auch ein hülsen- oder hohlzylindrischer Formkörper als Träger des gedruckten Wicklung, die vorzugsweise eine mehrlagige Wicklung mit dielektrischen Zwischenlagen ist, verwendet werden.
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 anderen Materialien bevorzugt, so sind beispielsweise PEN oder PEEK auch einsetzbar, die eine noch bessere Temperaturbeständigkeit als PET aufweisen.
Vorzugsweise kann das Drucken, insbesondere Siebdrucken der Leiterbahnen und Wicklungslagen auch auf ein aus Keramik bestehendes Trägermaterial, z. B. eine Keramikfolie erfolgen. Aufgrund der hierdurch erreichten erhöhten Wärmebeständigkeit der Gesamtwicklung (wie auch hierdurch möglicher höherer Trocknungs- bzw. Aushärtungstemperaturen während ihrer Herstellung) oder im Anschluss an diese können höhere Betriebstemperaturen für den Wicklungseinsatz zugelassen werden und hierdurch können die elektrischen Eigenschaften der Wicklung positiv beeinflusst werden (sowohl durch die ausdampfungsbedingte Erhöhung des elektrisch leitfähigen Partikelanteiles innerhalb der Leiterbahnen als auch durch die Verwendung höherer Trocknungs- und Aushärtungstemperaturen), woraus eine Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit der Leiterbahnen resultiert.
Das Trägermaterial, vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik, kann zumindest teilweise die Oberfläche einer vorgefertigten Form, wie z. B. einer Hülse bilden und das Bedrucken eines solchen Formkörpers kann durch ein abrollendes Druckverfahren erfolgen. Ein direktes Drucken der Wicklungslagen auf einen solchen Formkörper verringert den Herstellungs- und Montageaufwand, da z. B. das nachträgliche Bilden eines Hohlzylinders aus einem zunächst als flaches Element bedruckten Folien-Trägerkörpers entfällt.
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 in einbaufertigen, zusammengerollten Zustand, die Leiterbahnen der übereinanderliegenden Wicklungslagen transversal in Achsrichtung gegeneinander versetzt sind. Das heißt, im zusammengerollten, hohlzylindrischen Zustand greifen die isolierten Leiterbahnen übereinanderliegender Wicklungslagen (Schichten) verzahnungsartig ineinander. Dadurch weist die Wicklung geringere Außenmaße auf.
Bevorzugt weisen die axialen Anfänge 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.
Vorzugsweise sind die Leiterbahnen mit einem galvanischen Überzug, z. B. aus Kupfer, versehen. Dies führt zu einer Verbesserung der Leitfähigkeit und des Füllfaktors des Leitermateriales innerhalb des Wicklungsvolumens und hat so einen signifikanten, vorteilhaften Einfluss auf die Wicklungsleistung pro Volumeneinheit.
Vorzugsweise wird die Wicklung mehrsträngig, d. h. mit mehreren Phasen, z. B. dreiphasig ausgebildet und mit den entsprechenden Anschlüssen für die einzelnen Phasen, d. h. für jeden Wicklungsstrang versehen.
Der erfindungsgemäße elektrische Maschine bzw. 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.
Mit den niedrigen Herstellungskosten und der leichten Montage einer solchen gedruckten, insbesondere siebgedruckten Wicklung in elektrischen Maschinen bzw. Energiewandlern wird eine interessante Lösung für Kleinmotoren bereitgestellt, die in hohen Stückzahlen und in einem kleinen Leistungsbereich von einigen Milliwatt bis einigen Watt benötigt werden.
Ein Hauptelement (bspw. Stator) einer elektrischen Maschine bzw. eines elektrischen Energiewandlers kann für unterschiedliche Anwendungen mit passenden Wicklungen ausgerüstet und kostengünstig (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, insbesondere 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.
Zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Wicklung werden zuerst Parameter wie die erforderlichen Strangzahl, Strangwindungszahl und der erforderliche Leiterquerschnitt berechnet. Hierfür maßgeblich ist die von der herzustellenden elektrischen Maschine bzw. Energiewandler geforderte Leistungs- und Drehmomentcharakteristik.
Anschließend erfolgt die Festlegung der Wicklungsgeometrie. Dies betrifft auch die Aufteilung der Wicklung in mehrere Wicklungslagen oder Schichten (Ebenen) sowie die vorbeschriebene, transversale Verschiebung der Leiterbahnen übereinanderliegender Wicklungslagen (Schichten) mit dem Ziel einer Reduzierung des Außendurchmessers.
Nach der Bereitstellung des Trägermaterials und eines Drucksiebes (bzw. mehrerer Siebe) 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 Schicht aufgebracht werden kann. Es werden abwechselnd Leiterbahnen und isolierende Schichten aufgebracht, bis die gewünschte Anzahl an Leiterbahnen gedruckt ist.
Zur Beschleunigung des Stabilisierungsprozesses der aufgedruckten Leiterbahnen bzw. des aufgedruckten Dielektrikums kann es vorteilhaft sein, den Bedruckvorgang auf ein Trägermaterial bei erhöhten Umgebungstemperaturen durchzuführen oder aber das Trägermaterial, z. B. ein Formkörper oder eine flexible Trägerfolie auf eine erhöhte Temperatur vorzuwärmen, und zwar unter Berücksichtigung der in Abhängigkeit vom Trägermaterial (z. B. Kunststoff oder Keramik) möglichen Betriebstemperaturen.
Bevorzugt wird bei der Herstellung der Wicklung eine Durchkontaktierung zwischen den einzelnen Leiterbahnen abfolgender Wicklungslagen durch gezielte Aussparungen beim Druck der isolierenden Schicht (Dielektrikum) hergestellt.
Durch die Aussparung in der Isoliermaterialschicht wird beim Druck der nächsten leitfähigen Wicklungslage eine elektrische Verbindung zwischen den leitfähigen Wicklungslagen (Schichten) durch Auffüllen der Aussparung mit leitender Paste erreicht.
Die gedruckten Leiterbahnen können bevorzugt durch Galvanisieren mit einem Dünnfilm, insbesondere mit einem Kupferfilm, beschichtet werden, wodurch eine signifikante Verbesserung der Leitfähigkeit bzw. Verringerung des ohmschen Widerstandes erreichbar ist.
Andererseits kann durch kontrollierte Wärmeeinwirkung (auch durch die Berücksichtigung der stromwärmebedingten Ausdampfung von organischen Bestandteilen der leitfähigen Paste oder Tinte, die die Leiterbahnen bildet), die Leitfähigkeit erhöht werden, und zwar kann hierzu auch die Wicklung einer abschließenden Wärmebehandlung unterzogen werden. Als Folge der erreichten Ausdampfung von organischen Bindemitteln wird die Struktur der elektrisch leitfähigen Paste, z. B. Silberpaste oder Tinte der gedruckten Leiterbahnen homogenisiert, was zu einer signifikanten Verringerung des ohmschen Widerstandes bis hin zu Werten führt, die im Bereich herkömmlicher Kupferleiter liegen. Der Vorteil der niedrigen Herstellungskosten solcher gedruckter Wicklungen für elektrische Maschinen bzw. Energiewandler kann daher weiter gesteigert werden.
Dieser vorteilhafte Effekt kann durch eine spezielle Wärmebehandlung gesteuert und kontrolliert werden, nach einer solchen Wärmebehandlung der Wicklung hat diese einen definierten ohmschen Widerstand, der sich mit weiterer Erwärmung dann nicht mehr ändert.
Die Herstellung der Wicklung und ihr Einbau in eine elektrische Maschine bzw. in einen elektrischen Energiewandler umfassen 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 eine Kontaktplatte.
Vorteilhaft werden bereits vorfixierte Wicklungen bereitgehalten, die bei wechselnden Anforderungen oder im Schadensfall einfach durch Austausch die bisherige Wicklung ersetzen.
Die elektrische Maschine bzw. der Energiewandler mit einer solchen gedruckten, vorzugsweise siebgedruckten Wicklung kann insbesondere eine kleine rotierende elektrische Maschine sein, insbesondere ein dreiphasiger symmetrischer Elektromotor oder Generator. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren oder Generatoren können durch die Verwendung einer gedruckten bzw. siebgedruckten Wicklung kleinere Luftspalte, verminderte Wicklungsabmessungen und höhere Stromtragfähigkeiten erzielt werden. Somit können höhere Leistungsdichten in Bezug auf das Volumen und die Masse eines solchen Kleinmotors oder -generators erreicht werden und es ist möglich, solche Motoren oder Generatoren unter schwierigen Umgebungsbedingungen, wie hoher Feuchtigkeit oder Vakuum, einzusetzen.
Es ist auch möglich, einen Rotor aus einem Permanentmagneten, z. B. einem NdFeB mit rotierendem magnetischen Rückschluss auszuführen, d. h. ein topfförmiges ferromagnetisches Rückschlusselement wird auf der Welle des Permanentmagneten befestigt und dreht sich mit dieser, so dass das vom Permanentmagnet des Rotors erzeugte magnetische Feld sich über das topfförmige ferromagnetische Rückschlusselement, vorzugsweise ein ferromagnetischer Körper, schließt, das sich mit dem Permanentmagneten dreht, so dass es relativ zu diesem in Ruhe bleibt.
Dies hat den Vorteil, dass die Ummagnetisierungsverluste des Erregerfeldes (Permanentmagnet) im Rückschluss (Stator) beseitigt werden. Eine Blechung des ferromagnetischen Rückschlusselementes ist daher nicht erforderlich. Zwar wird hierdurch das Volumen der Anordnung etwas vergrößert, aber andererseits auch ein grade für Kleinmaschinen wesentlich besseres Anlaufverhalten erreicht. Rastmomente werden auf diese Weise drastisch verringert. Eine magnetische Endkopplung zwischen dem magnetisierbaren Rückschluss und dem Permanentmagneten auf der Rotorwelle kann vorteilhaft sein.
Auf diese Weise ergeben sich zwei Luftspalte, einer zwischen der Wicklung und dem Permanentmagneten des Läufers und einer zwischen der Wicklung und dem magnetischen Rückschluss (magnetisierbarer Eisenkörper), wobei die hohlzylindrische Wicklung vorzugsweise auf einen dafür vorgesehenen Absatz bzw. Lagerungsstrukturen, z. B. einem Ringvorsprung einer Deckel- oder Kontaktplatte des Motors aufgenommen ist.
Bei anderen Bauformen mit konventionellem Ständer kann die Wicklung vorzugsweise an ihrem Außenumfang mit der Innenoberfläche des Ständers haftverbunden sein.
Im Rahmen eines solchen elektrischen Energiewandlers, aufweisend eine insbesondere mittels Siebdruckverfahrens hergestellte Wicklung, werden in einem Prozessschritt Teile der für den Betrieb notwendigen Steuer-, Auswerte-, und Leistungselektronik mittels Druck, insbesondere 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 bzw. aufgedruckt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine Wicklung mit versetzt angeordneten Leiterbahnen in schematischer Schnittdarstellung vor Bilden einer Zylinderform der Wicklung,
2 eine Schnittdarstellung eines Elektromotors, aufweisend eine siebgedruckte Wicklung in schematischer Schnittdarstellung (Teilansicht),
3 einen Längsschnitt eines Elektromotors nach 2,
4 die Draufsicht einer Kontaktplatte des Elektromotors nach 2,
5 ein Layout einer Wicklung bestehend aus einer ersten Wicklungslage (Hinwicklung) und einer zweiten Wicklungslage (Rückwicklung) in schematischer, gespreizter Darstellung mit rhombischer Windungsstruktur,
6 ein Ausführungsbeispiel einer siebgedruckten dreiphasigen elektrischen Wicklung, die aus den vier Lagen besteht, die in 5 dargestellt sind, gezeigt in übereinandergedrucktem Zustand,
7a u. 7b den Bereich eines Wicklungskopfes einer elektrischen Maschine bzw. eines Energiewandlers in konventioneller Wicklungstechnik (7a) und einer siebgedruckten Wicklung (7b), und
8 eine schematische Darstellung eines Elektromotors mit topfförmigem Läufer (rotierender magnetischer Rückschluss) im Längsschnitt.
1 zeigt eine Schnittdarstellung 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 lagenweise 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 Wicklungslagen (Schichten) der Leiterbahnen 2 versetzt angeordnet. Zur Herstellung der Wicklung wurden auf die Trägerfolie 3 zuerst die erste Schicht (Wicklungslage) Leiterbahnen 2 siebgedruckt und anschließend die erste Schicht Dielektrikum 1, die die erste Wicklungslage der Leiterbahnen 2 von der zweiten Wicklungslage der Leiterbahnen 2 trennt, siebgedruckt. Die zweite Schicht Leiterbahnen 2 ist versetzt angeordnet, so dass sie sich über den mit Dielektrikum 1 gefüllten Zwischenräume der Leiterbahnen 2 der ersten Schicht befindet und wird ebenfalls siebgedruckt. Die erste Isolierschicht isoliert also auch die Wicklungen der Leiterbahnen 2 der ersten Wicklungslage (Schicht) zueinander. Abschließend wird eine weitere Schicht Dielektrikum 1 aufgedruckt, die eine elektrische Verbindung übereinanderliegender Wicklungslagen mit elektrischen Leiterbahnen 2 im gewickelten Zustand verhindert, wie auch eine Windungsisolation innerhalb der zweiten Schicht bewirkt und vor allem die Wicklung nach außen vor Beschädigungen mechanisch und elektrisch schützt.
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 (Permanentmagnet) 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. Ggf. kann sie mit diesem, d. h. den Statorblechen haftverbunden sein. 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. Ggf. kann auch eine einseitige Arretierung oder Lagefixierung ausreichend sein oder auch ganz entfallen, insbesondere in Verbindung mit einer haftmittelgestützten Aufnahme der Wicklung 6 am Stator 4.
4 zeigt eine Draufsicht auf die Innenseite der Kontaktplatte 12 mit Gegenkontakten 10 und darauf befindlichen federnden Elementen 13.
In 5 ist das Layout einer siebgedruckten Wicklung 3 für einen Elektromotor gezeigt und zwar schematisch und in einer expandierten Darstellung zur Verdeutlichung der hier rhombischen Windungsstruktur der einzelnen Windungen (Leiterbahnen 2) innerhalb einer Wicklungslage.
Die Wicklung 6 ist praktisch implementiert durch Drucken von insgesamt vier Schichten oder Lagen 1a, 1b, 2a, 2b. Die Schichten 2a und 2b bilden elektrisch leitfähige Wicklungslagen, die Schichten 1a und 1b bilden Isoliermaterialschichten als Dielektrikum, wobei die Schicht 2b eine obere Isolier- und auch schützende Abdeckschicht bildet (vgl. auch 2). Die Leiterbahnen 2 weisen hier eine rhombische Struktur auf. Zuerst wird die erste Wicklungslage 2a als Hinleiter auf das Trägermaterial (hier nicht gezeigt), gedruckt, insbesondere siebgedruckt. Die Wicklungslage 2a weist als Hinleiter für die dreiphasige Wicklung die Kontaktfahnen 7 ebenso wie einen gedruckten Sternpunkt 14 zur festen Verschaltung der elektrischen Maschine auf. Auf den Hinleiter 2a wird als Isoliermaterialschicht eine Dielektrikum 1a gedruckt, vorzugsweise siebgedruckt. Es muss in diesem Falle sichergestellt werden, dass die kleinen Wicklungskopfabschnitte 15 der Leiterbahnen des Hinleiters bzw. der ersten Wicklungslage 2a frei bleiben und vorzugsweise auch ohne Kontakt zu dem Dielektrikum 1a sind. Anschließend wird auf diese Lage des Dielektrikums 1a die Wicklungslage 2b mit den Leiterbahnen als Rückleiter in einer solchen Anordnung gedruckt, dass deren kleine Windungskopfabschnitte 15b exakt (nur eine Windung versetzt) die Positionen der kleinen Windungskopfabschnitte 15a des darunter liegenden Hinleiters 2a treffen und mit diesem übereinstimmen, um mit diesen elektrisch kontaktierend verbunden zu sein. Schließlich wird die Wicklung 6 und hier die zuletzt gedruckt Rückwicklungslage 2b mit einer weiteren Lage von Isoliermaterial, d. h. mit einer weiteren Schicht Dielektrikum überzogen (vorzugsweise siebgedruckt), die hauptsächlich dazu dient, die Wicklung 6 gegen mechanische Einwirkungen und Verschleiß zu schützen. Ggf. kann das Dialektrum auch aufgespritzt werden.
Bei der Herstellung der der Wicklung werden die einzelnen Schichten vorzugsweise zwischengetrocknet oder ausgehärtet (z. B. UV-Aushärtung) und/oder die fertige Wicklung einer aushärtenden Wärmebehandlung unterzogen. Hierdurch erhöht sich durch Ausdampfen von flüchtigen organischen Bestandteilen der leitfähigen Paste die elektrische Leitfähigkeit der Leiterbahnen 2. Vorzugsweise werden diese auch in einem weiteren Zwischenschritt mit einer Kupferschicht galvanisiert, wodurch ebenfalls eine wesentliche Reduktion des ohmschen Widerstandes eintritt.
Zur besseren Darstellung der Schichten Dielektrikum 1a, 1b und der Wicklungslagen mit elektrischen leitfähigen Leiterbahnen 2a, 2b sind diese in 5 in expandierter Darstellung gezeigt, wobei die erste und dritte Lage der Wicklung 6 die elektrisch leitfähigen Hin- und Rückleiter 1a, 1b der Wicklung bilden, die vorzugsweise aus einer Silberpaste siebgedruckt und in einem Rhombusmuster angeordnet sind. Die notwendige elektrische Verbindung zwischen den Leiterbahnen des Hin- und Rückleiters 2a, 2b kann, wie in der gezeigten Lösung, durch kleine Windungskopfabschnitte 15a, 15b renesiert werden, die über die Höhe der Schicht Dielektrikum 1a (siehe 6) hinausragen. Alternativ ist es auch möglich, in dem Dielektrikum 1a jeweils eine Ausnehmung vorzusehen, die dann im Druckprozess beim Aufdrucken der zweiten elektrisch leitfähigen Wicklungslage 2b durchkontaktiert werden, um eine elektrische Leitungsverbindung zwischen Hin- und Rückleiter 2a, 2b herzustellen.
Gegebenenfalls kann die Wicklung auch aus geraden Abschnitten oder aus krummlinigen Leitungszügen bestehen, die in Form von Evolventen Ellipsen oder Parabeln ausgebildet sind.
Nachdem für eine dreiphasige Wicklung die vier in 5 schematisch dargestellten Leiterbahnen der ersten und dritten Wicklungslage übereinander gedruckt sind, ergibt sich eine vollständig siebgedruckte dreiphasige elektrische Wicklung 6, wie sie beispielshaft in 6 schematisch dargestellt ist, wobei das Dielektrikum als transparent angenommen bzw. weggelassen ist. Solch eine Wicklung kann in Synchron-Elektromotoren oder -generatoren verwendet werden und wird z. B. mit einer semi-automatischen Siebdruckmaschine mit einem optischen Positioniersystem hergestellt. Aus der Figur ist deutlich die planare Honigwabenstruktur der fertigen Wicklung 6 erkennbar. Diese Wicklung 6 wird später auf einen Kern als Hilfseinrichtung gelegt, um eine Hohlzylinderform auszubilden, wird in sich in einem selbsttragenden Hohlzylinder verbunden, um dann mit einem Hauptelement der elektrischen Maschine (Stator oder Rotor) (je nach Verwendungszweck) verbunden zu werden oder auch um unter Belassung eines Luftspaltes z. B. zwischen einem Permanentmagneten auf einer Rotorwelle und einem drehfest mit dieser verbundenen, topfförmigen magnetischen Rückschluss unter Belassung eines Spaltes nach beiden Seiten in einem Gehäuse endseitig befestigt und kontaktiert zu werden (vgl. 8).
Die siebgedruckte, dreiphasige Luftspaltwicklung 6 nach 6 ist in drei Leiterbahnsektionen I, II, III, nämlich zwei Sektionen I und III mit schrägen Leiterzügen und einer mittleren Sektion II mit geraden Leiterzügen unterteilt.
Eine solche Wicklungskonfiguration ist bevorzugt für Miniatur- und Subminiaturmotoren geeignet und lässt sich mit sehr geringen Kosten sehr wirtschaftlich herstellen. Motoren, die mit solchen Wicklungen 6 ausgerüstet sind, können z. B. im medizinischen Bereich oder in der Luft- und Raumfahrttechnik wie aber auch Automobilbereich, im Modellbau oder in vielen Produkten, die sich an den Durchschnittsverbraucher wenden, eingesetzt werden.
8 zeigt im Längsschnitt und schematisch eine besondere Konfiguration eines Kleinmotors mit magnetischem Rückschluss 17, der drehfest gemeinsam mit einem Permanentmagneten 18, der vorzugsweise aus einem NdFeB-Magneten besteht und vorzugsweise unter magnetischer Isolation von dem Permanentmagneten durch eine Kunststoffscheibe 20 auf einer in 8 nicht näher dargestellten Rotorwelle 9 (s. 3) drehfest angeordnet ist, wobei die Wicklung 6 als Luftspaltwicklung sowohl mit Abstand zu dem magnetischen Rückschlusselement 17 als auch zu dem Permanentmagneten 18 angeordnet ist, die gemeinsam einen Rotor 5 bilden, während die Luftspaltwicklung 6 an einem Gehäusedeckel bzw. einer Kontaktplatte 12 des Gehäuses 19 festgelegt ist und stationär gelagert ist.
Eine solche Ausbildung hat den Vorteil einer Eliminierung der Ummagnetisierungsverluste des Erregerfeldes (Permanentmagnet) im magnetischen Rückschluss (Stator). Ein solcher Kleinmotor zeigt auch ein wesentlich verbessertes Anlaufverhalten. Das von dem Permanentmagneten des Rotors 5 erzeugten magnetischen Feld schließt sich hier also über den magnetischen Rückschluss (Ständerrücken), der als ferromagnetischer Körper ausgebildet und relativ zum Permanentmagneten in Ruhe ist. Zur Leistungserhöhung ist es bei solchen elektrischen Miniaturmaschinen auch möglich, aufgrund der geringen Dicke der Wicklungen pro Maschine zwei Wicklungen parallel zu nutzen. Mit einer Dicke einer flexiblen Trägerfolie von 50 μm und einer Schichtdicke der Leiterbahnen einschließlich des Dielektrikums kann die Gesamtdicke der gedruckten Wicklung zu ca. 160 μm erhalten werden.
In einer praktischen Auslegung ergeben sich für einen Motor mit einem Aufbau nach 8 folgende Daten:

Länge: 27 mm

Durchmesser: 17 mm

elektr. Leistung: 1,8 W

Nenndrehzahl: 10000 min^–1

Wirkungsgrad: ca. 0,5

Nennmoment: 0,8 mNm
Bei Fertigung mit Keramik als Trägermaterial und anschließender Wärmebehandlung ergeben sich nachfolgende Werte, bei gleichen Abmessungen.

elektr. Leistung: 3 W

Nenndrehzahl: 15000 min^–1

Wirkungsgrad: ca. 0,7 ... 0,8

Nennmoment: 1,5 mNm
Die Wicklung als solche ist von der Geometrie her in jedem Fall gleich gestaltet und die Windungszahl und Anzahl der Schichten variiert je nach Anforderung und Baugröße.
Durch den Einsatz gedruckter, insbesondere siebgedruckter Wicklungen wird gegenüber herkömmlichen Drahtwicklungen eine wesentlich kleinere Geometrie des gesamten Maschinenaufbaus erreicht. Trotzdem werden vergleichbare Amperewindungszahlen erreicht, und zwar aufgrund der hohen Stromdichte von bis zu 100 A/mm² mit denen die siebgedruckten Wicklungen 6 verwendet werden können. Dies wird möglich durch das vorteilhafte Verhältnis von Querschnittsfläche zur Oberfläche, das für eine wesentlich bessere Wärmeverteilung sorgt. Ein weiterer Vorteil von siebgedruckten Wicklungen in elektrischen Maschinen ist die Verminderung des Bauvolumens für die Endwindung, das nahezu vollständig eingespart werden kann.
In den 7a und 7b ist das Bauvolumen für die Endwindungen für unterschiedliche Wicklungstechnologien verglichen. Die leeren Rechtecke repräsentieren den Stator 4, während der Wicklungskopf 16, der sich um den Stator herum erstreckt, in einem schwarzen Vollprofil ausgeführt ist. Es ist unmittelbar deutlich, dass durch Verwendung von siebgedruckten Wicklungen 6 es möglich ist, eine signifikante Verminderung des erforderlichen Raumes für den Wicklungskopf 16 im Vergleich zu herkömmlichen Wicklungen ohne vorgeformte Windungen zu erreichen.
Die Erfindung ist sowohl im Bereich rotierender elektrischer Maschinen und Energiewandler als auch ruhender elektrischer Übertrager, wie Transformatoren oder ähnlicher induktiver Energieübertragungssysteme, anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19933369 A1 [0006]
DE 3447979 A1 [0007]
US 2006/0170077 A1 [0008]
DE 3502442 A [0009]

Claims

Elektrische Wicklung für elektrische Maschinen oder Energiewandler auf der Basis elektromagnetischer Kraftwirkung, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von elektrischen Leiterbahnen (2), aufgedruckt auf ein Trägermaterial (3) in Verbindung mit einer die Leiterbahnen (2) überdeckenden Isoliermaterialschicht (1).
Elektrische Wicklung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Anordnung der elektrischen Leiterbahnen (2) in zumindest zwei Lagen mit einer Isoliermaterialschicht (1) zwischen den Lagen von Leiterbahnen (2).
Elektrische Wicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isoliermaterialschicht (1) zwischen abfolgenden Lagen von Leiterbahnen (2) zugleich eine die Leiterbahnen (2) innerhalb einer Lage isolierende und/oder beabstandende Isoliermaterialschicht (1) ist.
Elektrische Wicklung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) und/oder die Isoliermaterialschichten (1) gedruckt, insbesondere siebgedruckt sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (3) eine flexible Trägerfolie aus Kunststoff, insbesondere PET, PEN oder PEEK ist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leiterbahnen (2) aus einem elektrisch leitfähigen Fluid, insbesondere einer elektrisch leitfähigen Paste, vorzugsweise Silberpaste, gedruckt sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) mit einem elektrisch leitfähigen Überzug, vorzugsweise aus Kupfer versehen, insbesondere metallisiert, vorzugsweise galvanisiert sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) in einer Lage geradlinig in Reihen angeordnet sind oder ein rhombusförmiges Muster bilden.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) in einer Lage ein krummliniger, insbesondere evolventen-, parabel- oder ellipsenförmiges Muster bilden.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) eine durch gezielte Wärmebehandlung oder unter dem Einfluss einer aus dem Stromfluss in den Leiterbahnen (2) resultierenden Erwärmung derselben folgenden, verringerten ohmschen Widerstand aufweisen.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (3) aus Keramik besteht.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (3) einen rohr- oder hülsenförmigen Körper bildet, auf den die Leiterbahnen (2) aufgedruckt sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial eine elastische Trägerfolie (3) aus Kunststoffmaterial ist, die auch zumindest im Wesentlichen planares Element bedruckt, insbesondere siebbedruckt ist.
Elektrische Wicklung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die bedruckte Trägerfolie (3) einer Formgebung, insbesondere zu einer Zylinderform, unterzogen und in einer der Formgebung entsprechenden Form fixiert ist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (3) einen Zylinder bildet, auf den die Leiterbahnen (2) mehrlagig im Wechsel mit Isoliermaterialschichten (1), zumindest entlang einer Innenoberfläche oder eines Teiles derselben aufgedruckt sind.
Elektrische Wicklung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder im Bereich seiner Außenoberfläche mit einem umgebenden Stator (4) einer elektrischen Maschine, insbesondere eines mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Elektromotors verbunden, insbesondere haftverbunden ist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder entlang seiner Außen-/ oder Innenoberfläche mehrlagig mit aufgedruckten, insbesondere siebgedruckten, Leiterbahnen (2) versehen ist, wobei die Lagen und/oder die Leiterbahnen (2) innerhalb einer Lage durch eine Schicht eines gedruckten Dielektrikums (1) voneinander isoliert und/oder beabstandet sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (6) eine Luftspaltwicklung ist, die zwischen einem Rotor (5), vorzugsweise aus Permanentmagnetmaterial, und einem Stator (4), an dem Stator (4) oder dem Rotor (5) und/oder zumindest einer axialen Endplatte eines Gehäuses und mit einem Luftspalt zu Rotor (5) und/oder Stator (4) aufgenommen ist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (6) an einer, vorzugsweise an gegenüberliegenden Endplatten (12) einer rotierenden elektrischen Maschine aufgenommen, insbesondere durch zumindest einen axial und/oder radial wirksamen Anschlag (11) oder eine Lagerungsstruktur, vorzugsweise ein beiden, gegenüberliegenden Endplatten (12), radial und/oder axial positioniert ist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Endplatte eine Kontaktplatte (12) zur elektrischen Kontaktierung von mindestens einer, mit der Wicklung (6) verbundener Kontaktfahne (7) ist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktplatte (12) Gegenkontakte (10) mit klammernden oder federnden Kontaktelementen (13) aufweist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) mehrerer Schichten, zwischen die jeweils eine Isoliermaterialschicht (1) gedruckt ist, in Richtung einer Breite der Leiterbahnen gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass ein axiales oder radiales Ende als Wicklungsanfang oder Wicklungsende Kontaktfahnen (7) zur elektrischen Kontaktierung der Wicklung (6) aufweist oder solche Kontaktfahnen (7) innerhalb der Wicklung (6) mit einer Leiterbahn (2) verbunden sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass auf das, vorzugsweise flexible, Trägermaterial (3) elektrische Elemente einer Steuer- und/oder Auswerte- und/oder Leistungselektronik aufgedruckt, insbesondere siebgedruckt sind, zusammen mit den Leiterbahnen (2).
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 24, gekennzeichnet durch eine ein- oder mehrphasige Wicklung mit einer Mehrzahl von Lagen von Leiterbahnen (2) in einer vorgegebenen Wicklungs- oder Spulengeometrie, bestehend aus alternierend siebgedruckten Lagen von Leiterbahnen (2) und Isoliermaterialschichten (1), insbesondere aus dielektrischem Material, wobei jede der Isoliermaterialschichten (1) nach ihrem Aufdrucken getrocknet oder ausgehärtet ist, ehe eine weitere Lage von Leiterbahnen (2) aufgedruckt ist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Isoliermaterialschicht (1) zwischen zwei benachbarten Lagen von Leiterbahnen (2) Durchbrechungen aufweist, mittels derer Leiterbahnen (2) der durch die Isoliermaterialschichten (1) getrennten abfolgenden Lagen von Leiterbahnen (2) elektrisch leitend miteinander durchkontaktiert verbunden sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wicklung (6) oder Spule vier übereinander gedruckte Lagen aufweist: eine erste Lage von Leiterbahnen (2) als Stromzuführungsleiter, gedruckt auf eine flexible Trägerfolie (3), eine zweite Lage aus einem Dielektrikum (1), eine dritte Lage aus elektrischen Leiterbahnen (2) als Stromrückführungsleiter und eine vierte und abschließende Lage als Dielektrikum (1) oder isolierende Schutzschicht, wobei die Leiterbahnen (2) der ersten und dritten Lage elektrisch leitend durch eine Zwischenlagenverbindung elektrisch miteinander verbunden sind.
Elektrische Wicklung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zwischenlagenverbindung durch die Verbindung von kleinen Wicklungskopfabschnitten (15a, 15b) von Stromzuführungsleiter und Stromrückführungsleiter gebildet ist und wobei die kleinen Wicklungskopfabschnitte (15a, 15b) jeweils über die zwischenliegende Isoliermaterialschicht (1) hinausragen und vorzugsweise keinen Kontakt zu dieser Isoliermaterialschicht (1) aufweisen.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (2) auf beiden Seiten des Trägermaterials (3), insbesondere mehrlagig abfolgend unter Zwischenlage von Isoliermaterialschichten (1) gedruckt sind.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial (3) eine rohrförmige oder spiralzylindrische Struktur aufweist.
Elektrische Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Isoliermaterialschicht (1) ein Dielektrikum ist.
Elektrische Maschine, wie Elektromotor, Generator, Transformator oder dergleichen mit einer Energieübertragungseinrichtung auf der Basis elektromagnetischer Kraftwirkung, gekennzeichnet durch eine elektrische Wicklung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 31.
Elektrische Maschine nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass diese einen Rotor (5) aufweist, in dem in einer topfförmigen Struktur zwischen einem Permanentmagneten (18) einer Rotorwelle (9) und einem topfförmigen ferromagnetischen oder magnetischen Rückschlusselement (17) eine Wicklung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 31, vorzugsweise als Luftspaltwicklung als Zylinderrohr mit einem Luftspalt sowohl zu dem Permanentmagneten (18) als auch zu dem ferromagnetischen oder magnetischen Rückschlusselement (17) eingesetzt ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetmaterial des Permanentmagneten (18) ein NdFeB-Magnetkörper ist, der beabstandet zu dem topfförmigen Rückschlusselement (17), vorzugsweise unter Zwischenlage einer Kunststoffscheibe (20) zwischen dem Permanentmagnetelementen und dem ferromagnetischen Rückschlusselement (17) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 32 bis 34, gekennzeichnet durch einen Stator (4) und eine mit diesem haftverbundenen, mehrlagigen, gedruckten Wicklung (6) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 31 und einem Rotor (5) mit einem auf einer Welle (9) angeordneten Permanentmagneten (18), einer Deckplatte (13) mit einem Anschlag (8) zur axialen und radialen Positionierung sowohl des Stators (4) als auch der mit diesem verbundenen Wicklung (6) sowie einer gegenüberliegenden Kontaktplatte (12), verbunden mit einem Anschlag (11) zur axialen bzw. radialen Fixierung von Stator (4) und/oder Wicklung (6) und/oder Kontaktplatte (12), die radial auswärtsweisende Kontaktfahnen (7) aufweist, mit der innenseitig an der Kontaktplatte (12) ausgebildete Gegenkontakte (10) als Federelemente (13) in elektrischem Druckkontakt sind.