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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektromechanische Vorrichtung
mit einer Spulenanordnung und einem Magnetsystem, das ein Magnetfeld
an der Stelle der Spulenanordnung erzeugt, wobei diese Spulenanordnung
und dieses Magnetsystem derart unterstützt werden, dass sie gegenüber einander
verlagerbar sind, wobei die Spulenanordnung eine erste Gruppe von
N reihengeschalteten Spiralleitermustern und eine zweite Gruppe
von N reihengeschalteten Spiralleitermustern umfasst, wobei die
erste Gruppe parallel zu der zweiten Gruppe vorgesehen ist.
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Eine
derartige Vorrichtung ist als EP-A-0 624 945 bekannt. Die bekannte
Vorrichtung betrifft einen axialen Luft-Spulenmotor und einen Dauermagnetläufer und
einen Stapel von Folien, die eine Anzahl Hilfsstapel aufweisen.
Jede der Folien trägt
Spiralleitermuster. EP-A-0 624 945 besagt, dass zum Erhalten einer
höheren
Antriebsleistung die Hilfsstapel parallel zueinander vorgesehen
werden können.
Ein Nachteil der bekannten Vorrichtung ist, dass die Effizienz der
genannten Vorrichtung durch eine derartige parallele Anordnung beeinträchtigt wird.
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Es
ist nun u. a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektromechanische
Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, die eine bessere
Effizienz aufweist. Dazu umfasst die elektromechanische Vorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung eine Spulenkonfiguration und ein
Magnetsystem zum Erzeugen eines radialen Magnetfeldes an der Stelle
der Spulenkonfiguration, wobei diese Spulenkonfiguration und das
Magnetsystem derart unterstützt
werden, dass sie gegenüber
einander drehbar sind, wobei die Spulenkonfiguration eine erste
Gruppe von N reihengeschalteten Spiralleitermustern und eine zweite
Gruppe von N reihengeschalteten Spiralleitermustern umfasst, wobei
die erste Gruppe parallel zu der zweiten Gruppe vorgesehen ist,
und wobei die Leitermuster der ersten Gruppe und die Leitermuster
der zweiten Gruppe durch gekrümmte
Flächen
eines gemeinsamen isolierenden Substrats einer zylindrischen Form
getragen werden.
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Um
genügend
Leistung bei geringen Spannungen zu erzeugen sind große Ströme und dadurch ein
niedriger Widerstand der Spule erforderlich. Leitermuster auf einem
Substrat werden vorzugsweise dadurch hergestellt, dass Teile einer
auf dem Substrat abgelagerten Metallschicht weggeätzt werden. Dieses
Herstellungsverfahren begrenzt die Dicke der Metallschicht. Zum
Erhalten eines niedrigen Widerstandes können dennoch die Leiterspuren
mit Hilfe breiter Spuren gebildet werden. Solche breiten Spuren
führen
aber zu Wirbelstromverlusten. Diese Wirbelstromverluste sind proportional
zu der dritten Potenz der Breite der Spuren. Eine wesentliche Reduktion
der Wirbelstromverluste kann auf einfache Art und Weise erhalten
werden, wenn eine breite Spur in zwei Leitermuster mit Spuren je
einer halben Breite aufgeteilt wird. Eine parallele Anordnung von
Gruppen ist dazu erwünscht,
wenn die Vorrichtung für niedrige
Spannungen verwendet werden soll.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der negative
Effekt der parallelen Anordnung auf die Effizienz der bekannten
Vorrichtung verursacht wird durch die Tatsache, dass das Magnetfeld
an der Stelle der verschiedenen Folien nicht gleichmäßig stark
ist. Das Magnetfeld variiert mit der Höhe gegenüber dem Magnetsystem, u. a. als
Ergebnis der Ablenkung von Feldlinien in der Nähe von Übergängen zwischen einem Nordpol
und einem Südpol
des Magnetsystems. Bei der bekannten Vorrichtung trägt die erste
Folie die erste Gruppe von Leitermustern und eine zweite Folie trägt die zweite
Gruppe von Leitermustern. Dadurch liegen die erste Gruppe und die
zweite Gruppe nicht auf derselben Höhe gegenüber dem Magnetsystem. Dies
bedeutet, dass in der aus EP-A-0 624 945 bekannten Vorrichtung die
magnetische Flusskopplung für
die erste Gruppe von Leitermustern von der magnetischen Flusskopplung
für die
zweite Gruppe von Leitermustern abweicht. Dadurch ist die über diese Gruppen
induzierte Spannung anders, und zwar durch eine relative Geschwindigkeit
zwischen der Spulenkonfiguration und dem Magnetfeld. Da diese Gruppen
parallel vorgesehen sind, wird ein Wirbelstrom erzeugt, der der
Spannungsdifferenz geteilt durch den Reihenwiderstand dieser Gruppen
entspricht. Dieser Wirbelstrom führt
zu Verlusten, wodurch die Effizienz der Vorrichtung nicht befriedigend ist.
Da der genannte Reihenwiderstand im Allgemeinen niedrig ist, sind
die Verluste in Bezug auf die gesamte Leistungsaufnahme der Vorrichtung
groß. Durch
die Maßnahme
nach der vorliegenden Erfindung werden die erste Gruppe und die
zweite Gruppe gegenüber
dem Magnetsystem auf derselben Höhe vorgesehen,
so dass die Flusskopplung für
die erste Gruppe und die für
die zweite Gruppe näher
beisammen kommen und die Wirbelstromverluste reduziert werden.
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Es
sei bemerkt, dass EP-A-0 207 996 einen scheibenförmigen Axialfeldmotor beschreibt,
der scheibenförmige
Läuferelemente
und scheibenförmige
Ständerelemente aufweist,
die abwechselnd in der axialen Richtung des Motors vorgesehen sind. Die
Ständerelemente
haben Ankerwicklungen, die aus Wicklungselementen in Form von Spiralen
bestehen und in flachen Schichten auf beiden Seiten einer isolierenden
scheibenförmigen
Platte vorgesehen sind.
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Eine
Ausführungsform
der elektromechanischen Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist
das Kennzeichen auf, dass jedes Leitermuster der ersten Gruppe konzentrisch
gegenüber
einem Leitermuster der zweiten Gruppe vorgesehen ist. Diese Maßnahme minimiert
Differenzen in der induzierten Spannung, verursacht durch Feldstärkenschwankungen
in Richtungen quer zu der Hauptrichtung der Feldlinien. Durch diese
Maßnahme
liegen die Leitermuster der ersten Gruppe in im Wesentlichen derselben
Lage wie die Leitermuster der zweiten Gruppe. Folglich treten Schwankungen
in der Feldstärke
für die
beiden Gruppen im Wesentlichen gleichzeitig auf und Differenzen
in der induzierten Spannung und Verluste infolge dieser Differenzen werden
weiter reduziert.
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Eine
Ausführungsform
der elektromechanischen Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist
das Kennzeichen auf, dass ein Leitermuster der ersten Gruppe und
ein Leitermuster der zweiten Gruppe zusammen eine Doppelspirale
bilden. Durch diese Maßnahme
verursachen die beiden Leitermuster im Wesentlichen denselben Fluss,
wodurch die induzierten Spannungen an den beiden Leitermustern einander
im Wesentlichen entsprechen.
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Eine
Ausführungsform
der elektromechanischen Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist
das Kennzeichen auf, dass die Leitermuster der ersten Gruppe über das
Magnetfeld regelmäßig verteilt
sind und die Leitermuster der zweiten Gruppe über das Magnetfeld regelmäßig verteilt
sind. Durch diese Maßnahme
wird die induzierte Spannung an einer Gruppe aus einheitlich verteilten
Teilen des Magnetfeldes aufgebaut. Wenn beispielsweise der Magnet
nicht einheitlich magnetisiert ist, oder wenn in einem Magnetsystem
mit einem Magneten und einem Schließeisen der Abstand zwischen
dem Magneten und dem Schließeisen
nicht überall
der gleiche ist, werden verschiedene Spannungen in den jeweiligen Leitermustern
induziert, und zwar durch Schwankungen des Magnetfeldes. Durch die
obengenannte Maßnahme
werden diese Spannungen gemittelt, wodurch Differenzen in induzierten
Spannungen an den zwei Gruppen reduziert werden.
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Eine
Ausführungsform
der elektromechanischen Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung weist
das Kennzeichen auf, dass die gesamte Länge des Leiters, der die erste
Gruppe bildet, der gesamten Länge
des Leiters, der die zweite Gruppe bildet, im Wesentlichen entspricht.
Im falle entsprechend geformter Leitermuster scheint es, dass die
gesamte Flusskopplung der ersten Gruppe und die der zweiten Gruppe
als Ergebnis dieser Maßnahme
einander gleich sind. In der Entwurfsstufe kann dies auf einfache
Art und Weise dadurch überprüft werden,
dass die erste Gruppe und die zweite Gruppe entkoppelt werden und
die induzierte Spannung an der ersten Gruppe und die an der zweiten
Gruppe gemessen werden, während
das Magnetsystem gegenüber
der Spulenkonfiguration bewegt wird.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Einrichtung
zur Speicherung und/oder Wiedergabe von Information auf/von einem
Informationsträger,
der einen Kopf zum Schreiben und/oder Auslesen von Information auf/von
dem Informationsträger
und eine elektromechanische Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
aufweist zum Erzeugen einer relativen Bewegung des Informationsträgers gegenüber dem
Kopf. Die Verwendung einer elektromechanischen Vorrichtung nach
der vorliegenden Erfindung in Form eines Luftspulenmotors bieten
spezielle Vorteile bei einer derartigen Einrichtung, weil ein derartiger
Motor kein Haltemoment aufweist. Dies gewährleistet eine weitgehend einheitliche
relative Bewegung des Kopfes gegenüber dem Informationsträger. Eine
einheitliche Bewegung führt zu
geringen Zeitfehlern beim Auslesen und/oder Schreiben der Information
von dem/auf den Informationsträger,
wodurch es ermöglicht
wird, dass die Frequenz des Informationsstroms gesteigert wird.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Spulenkonfiguration
mit einer ersten Gruppe von N reihengeschalteten Leitermustern auf einem
isolierenden Substrat und einer zweiten Gruppe von N reihengeschalteten
Spiralleitermustern auf einem isolierenden Substrat, wobei die erste
Gruppe parallel zu der zweiten Gruppe vorgesehen ist und die Leitermuster
der ersten Gruppe und die Leitermuster der zweiten Gruppe von einem
gemeinsamen Substrat getragen werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im vorliegenden
Fall näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine
erste Ausführungsform
der elektromechanischen Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
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2 eine Spulenkonfiguration
nach der vorliegenden Erfindung,
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3 eine schematische Darstellung
einer Einrichtung nach der vorliegenden Erfindung und
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4 eine zweite Ausführungsform
der elektromechanischen Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt einen Schnitt durch
eine elektromechanische Vorrichtung 1 mit einer Spulenkonfiguration 20 und
einem Magnetsystem 10, das ein Magnetfeld an der Stelle
der Spulenkonfiguration 20 erzeugt. Die Spulenkonfiguration 20 und
das Magnetsystem 10 werden derart unterstützt, dass
sie gegenüber
einander durch Lagermittel 3 verlagerbar sind. Die Spulenkonfiguration 20 umfasst
ein isolierendes Substrat 30, das Leitermuster trägt und zu
einer zylindrischen Gestalt geformt ist.
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2a zeigt eine Draufsicht
eines derartigen Substrats 30 und 2b zeigt eine Darstellung durch dasselbe
isolierende Substrat 30 bevor es eine zylindrische Form
erhalten hat. Das isolierende Substrat 30 trägt eine
erste Gruppe von 12 reihengeschalteten Spiralleitermustern 21a–21m und
eine zweite Gruppe von 12 reihengeschalteten Spiralleitermustern 22a–22m.
Die Leitermuster 21a, 22a, 21d, 22d, 21e, 22e, 21i, 22i, 21j, 22j, 21m und 22m sind
auf der Oberseite des Substrats 30 vorgesehen. Die Leitermuster 21b, 22b, 21c, 22c, 21f, 22f, 21h, 22h, 21k, 22k, 211 und 221 sind
auf der Unterseite des Substrats 30 vorgesehen. Die Leitermuster
auf beiden Seiten des Substrats 30 sind mit Hilfe hindurchgehender Verbindungen 40 elektrisch
miteinander verbunden. So ist beispielsweise das Spiralleitermuster 21a über die
hindurchgehende Verbindung 40a mit dem Leitermuster 21 verbunden
und das Spiralleitermuster 22a ist über die hindurchgehende Verbindung 40b mit dem
Leitermuster 22b verbunden. Die Leitermuster werden dadurch
hergestellt, dass ein leitendes Material, beispielsweise Kupfer,
von dem isolierenden Substrat 30 örtlich weggeätzt wird,
das an beiden Seiten mit einer Schicht aus diesem leitenden Material
versehen ist. Eine übliche
Technik dazu benutzt einen Photoresist, der auf der leitenden Schicht
angebracht wird und der danach örtlich
entsprechende einem bestimmten Muster belichtet wird. Nach Entwicklung
bildet dieser Resist eine Maske zum örtlichen Wegätzen der
leitenden Schicht zum Bilden eines Leitermusters. Die hindurchgehenden
Verbindungen können
dadurch erhalten werden, dass in dem Substrat 30 Löcher vorgesehen
werden und dass danach auf den Leitermustern in einem galvanischen
Bad ein Metall abgelagert wird.
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Die
erste Gruppe ist mit Hilfe gemeinsamer Verbindungselektroden 51 und 52 parallel
zu der zweiten Gruppe vorgesehen. Die Leitermuster 21a–21m der
ersten Gruppe und die Leitermuster 22a–22m der zweiten Gruppe
werden von demselben Substrat 30 getragen. Weiterhin ist
das Leitermuster 21a der ersten Gruppe konzentrisch zu
dem Lei termuster 22a der zweiten Gruppe vorgesehen und
zusammen bilden diese Leitermuster eine Doppelspirale. Die Spiralleitermuster
der ersten Gruppe sowie der zweiten Gruppe sind über das Substrat 30 regelmäßig verteilt
und, wenn das Substrat 30 in einer zylindrischen Form in
der elektromechanischen Vorrichtung vorgesehen ist, sind ebenfalls
regelmäßig über das
magnetische Feld des Magnetsystems 10 aufgeteilt (siehe 1).
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Durch
das Verfahren, bei dem die Spiralleitermuster verbunden sind, wird
erreicht, dass die gesamte Länge
des Leiters 21, welche die erste Gruppe bildet, im Wesentlichen
der gesamten Länge
des Leiters 22 entspricht, der die zweite Gruppe bildet.
Das Leitermuster 21a ist beispielsweise das innere Leitermuster
einer ersten Doppelspirale und ist mit dem Leitermuster 21b verbunden,
welches das äußere Leitermuster
einer zweiten Doppelspirale ist und ihrerseits mit dem Leitermuster 21c verbunden
ist, welches das innere Leitermuster einer dritten Doppelspirale
ist. Dieses Verbindungsverfahren gewährleistet, dass die induzierte
Spannung an der ersten Gruppe im Wesentlichen der induzierten Spannung
an der zweiten Gruppe entspricht, so dass kaum Wirbelstromverluste
auftreten.
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3 zeigt eine Einrichtung
zur Speicherung und/oder Wiedergabe von Information auf/von einem
Informationsträger.
Die Einrichtung, in dem vorliegenden Fall ein Festplattenlaufwerk 100,
umfasst einen Kopf 113 zum Schreiben und/oder Lesen von
Information auf/von einer Magnetplatte 109, und eine elektromechanische
Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung in Form eines Motors 117 zum
Erzeugen einer relativen Bewegung der Platte 109 gegenüber dem
Kopf 113.
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4 ist eine Seitenansicht
des Motors 117 aus 3.
Der Motor 117 umfasst eine Spulenkonfiguration 120 und
ein Magnetsystem 110, das an der Stelle der Spulenkonfiguration 120 ein
Magnetfeld erzeugt. Die Spulenkonfiguration 120 und das
Magnetsystem 110 werden derart unterstützt, dass sie durch Lagermittel 103 gegenüber einander
beweglich sind. Die Spulenkonfiguration 120 umfasst 3 Phasenwicklungen 121, 122 und 123,
die konzentrisch vorgesehen sind und die ein isolierendes Substrat
aufweisen, das eine erste Gruppe von N reihengeschalteten Spiralleitermustern
und eine zweite Gruppe von N reihengeschalteten Spiralleitermustern
trägt,
entsprechend der oben beschriebenen zylindrischen Spulenkonfiguration.
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Es
sei bemerkt, dass die Anzahl parallelgeschalteter Gruppen nicht
auf zwei begrenzt ist. Es ist beispielsweise auch möglich, drei,
vier oder sogar mehr Gruppen parallel vorzusehen. In dem Fall können die
Maßnahmen
nach der vorliegenden Erfindung auf gleiche Weise angewandt werden.
Obenstehend ist die vorliegende Erfindung anhand der Verwendung
der elektromechanischen Vorrichtung als Motor erläutert worden.
Die Vorteile aber von reduzierten Wirbelstromverlusten gelten auch,
wenn die elektromechanische Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
als Generator verwendet wird zum Erzeugen elektrischer Energie durch
mechanischen Antrieb des Magnetsystems gegenüber der Spulenkonfiguration.
Weiterhin sei bemerkt, dass die Anzahl Polpaare des Magnetsystems
irrelevant ist. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für jede beliebige
Anzahl Polpaare erzielt.