WO2017076761A1 - Verfahren zum herstellen einer spulenanordnung, spulenanordnung, stator und mehrdimensionaler antrieb - Google Patents

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linear
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Andreas Albrecht
Stefan Junker
Ilya KAMENSHCHIKOV
Stefan DAEHLING
Volker Henrichs
Markus Hanisch
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a
  • Coil arrangement a coil assembly, a stator and a
  • the present invention relates in particular to a method for producing a coil arrangement for a stator of a multi-dimensional drive, a coil arrangement for a stator of a multi-dimensional drive, in particular a planar drive, a stator for a multi-dimensional drive, in particular for a planar drive using a plurality of coil arrangements and a
  • multi-dimensional drive in particular a planar drive with the stator.
  • such a drive has a stator which generates the underlying magnetic field arrangement. Coil arrangements are used to generate the corresponding time dependent magnetic fields.
  • the coil arrangements are arrangements with a plurality of coils. These can have different designs.
  • wound coils can be used, which are arranged in different variants in the plane.
  • Another disadvantage is a comparatively complicated assembly of the individual coils with respect to each other.
  • multilayer boards which are each constructed in the manner of a PCB structure. Compared to the use of wound coils, this has the advantage of a significantly improved filling with conductive material.
  • the conductive material used there is usually thick copper, whereby the manufacturing costs are not negligible.
  • the given structure widths also limit very small distances between the conductors.
  • a respective PCB substrate is based on carrier layers which can not be made arbitrarily thin, so that they are thinner
  • Multilayer board sinks are Multilayer board sinks.
  • the coil arrangement according to the invention with the features of claim 1 has the advantage that, according to the invention, the advantages of a wound coil, namely the comparatively high electrical conductance, are combined with the advantage of a multilayer board arrangement, namely the high fill factor of conductive material.
  • This is inventively with the Characteristics of claim 1 achieved in that a coil arrangement of a stator of a multi-dimensional drive, in particular a
  • Planarantriebes is provided with at least one coil, which is formed with a winding, wherein the winding is electrically conductive and has a winding material, and wherein the winding is a folded structure of the
  • Winding material with one or more turns is.
  • An insulation layer prevents a rollover between adjacent windings.
  • the insulating layer may be a lacquer or formed of aluminum anel, whereby mixed conductors may also be used.
  • Windings of the winding of the coil arrangement can be increased-for example compared to a coil wound from a cylindrical wire-the filling density of conductive material. At the same time, due to the
  • This advantageous combination of high fill factor on conductive material and high electrical conductance of the coil assembly is not achievable by conventional means, for example, with wound wire coils and / or PCB-based multilayer board assemblies.
  • Banderstreckungscardi is band-shaped, in particular with a rectangular cross-section perpendicular to the Banderstreckungscardi.
  • Coil assembly becomes particularly easy to manufacture when as
  • Winding material a single band in particular in the form of a
  • Endlosbandes used to form the turns of the winding of the coil assembly.
  • the band of the winding material is particularly appropriate to form the band of the winding material from a drawn wire, because in particular conventionally produced and already in stock base materials can be used.
  • a multi-band foil is used to provide the band for the coil material.
  • the winding material has an electrically conductive component which is in particular formed with a metallic material, copper or aluminum and alternatively or additionally contiguous.
  • the insulation material additionally applied to the material core of the winding coating, in particular with a paint or oxide material, and / or a native and / or reinforced
  • Conversion layer and in particular an oxide layer of a material of the material core of the winding has.
  • native or reinforced native oxide layers is of particular advantage because already inherent in the structure of the underlying material core results in a certain basic insulation of adjacent layers of a winding.
  • the underlying native oxide layers are particularly thin, so that there is no special order in the total thickness of a winding, as is conceivable in a painting.
  • An oxide layer additionally brings the advantage of thermal conductivity, eg in comparison to PCB structures.
  • Coil arrangements are particularly advantageous when they have a coil with a coil in the multi-dimensional drive to be designed
  • a particularly favorable orientation in different spatial directions can be achieved with the coil arrangement according to the invention according to a preferred embodiment if one turn of the winding (i) parallel to each other first and second linear sections whose first ends or their second ends adjacent to each other, and (ii) has a connecting portion connecting the first ends of the linear portions.
  • Connecting portion has a first fold in connection with the first end of the first linear portion and a second fold in connection with the first end of the second linear portion.
  • the folds are connected to one another via a linear connecting piece and / or each of the folds has an envelope of the band-shaped winding material of 180 ° at an angle of 45 ° to the band stretching direction.
  • a winding has a plurality, in particular of two to twelve turns and in particular in the transition between successive
  • Windungen a transition portion is formed, which connects the second end of the first or second linear portions of a turn with the second end of the second or first linear portion of a directly adjacent or a directly preceding turn.
  • a particularly compact structure is established for the coil arrangement when, according to another embodiment, the transition section has a first fold in connection with the second end of the first or second linear section of the one turn and a second fold in connection with the second end of the second or first linear section of the other
  • Connecting piece are connected to each other and / or each of the folds has an envelope of the band-shaped winding material by 180 ° at an angle of 45 ° to the Banderstreckungsraum.
  • the present invention according to another aspect relates to a stator of a multi-dimensional drive, in particular a planar drive.
  • a stator of a multi-dimensional drive in particular a planar drive.
  • This is characterized in that it comprises a plurality of coil arrangements designed according to the invention, wherein in particular at least part of the plurality of coils are nested and / or fan-shaped and are commensurably associated with a corresponding plurality of phases of an excitation signal in order to be acted upon by the same.
  • Excitation signal allows an increase in the accuracy of the drive to be effected.
  • Coil arrangements of the first set and their coils are aligned and / or arranged in a common first spatial direction.
  • the coil arrangements of the second set and their coils are aligned and / or arranged in a common second spatial direction, which is different from the first spatial direction and in particular aligned perpendicular thereto.
  • Multidimensional drive in particular a planar drive, provided, which has a stator according to the present invention and a mover, which comprises a magnetic device which is for magnetic Interaction with a stator to be generated or generated by the magnetic field and designed.
  • the present invention further relates to a method for manufacturing
  • Coil arrangement of a stator of a multi-dimensional drive which is constructed in particular according to the present invention, wherein at least one coil is formed with a winding, wherein the winding is electrically conductive and has a winding material, the winding material is formed band-shaped in a band stretching direction, in particular with rectangular Cross section perpendicular to the Banderstreckungsplatz, and the winding is formed as a wound in the Banderstreckungsplatz and / or folded structure of the band-shaped winding material with one or more turns.
  • the invention also relates to a method for producing a stator of a multi-dimensional drive, which is constructed in particular according to the present invention, wherein at least one coil is formed with a winding, wherein the winding is electrically conductive and has a winding material, the winding material is formed band-shaped in a band stretching direction, in particular with rectangular Cross section perpendicular to the Banderstreckungsraum, and the winding is formed as a wound in the Banderstreckung
  • Coil arrangement in particular in the manner of a flat coil and / or for a stator of a multi-dimensional drive, wherein at least one coil is formed with an electrically conductive winding with or from a winding material and the winding as a folded by folding at a folding structure of the band-shaped
  • Winding material is formed with one or more turns.
  • the winding material is - at least partially, locally and / or in sections - in a band stretching direction is or is formed, in particular with a rectangular cross-section perpendicular to the band stretching direction. It is also advantageous if as
  • Winding material is a one or more tapes having film or one or more bands of such a film is used.
  • a particularly high level of productivity in producing a coil assembly and increased compactness of the resulting coil assembly itself is achieved by using as a winding material, a film having one or more tapes, or that one or more bands of a be used such a film.
  • the tapes provided with the film can be used directly as the winding material for shaping the turns of the coil arrangement-in particular in the manner of one or more flat coils.
  • the one or more bands in the film are - at least partially, locally and / or in sections - in a transverse direction transversely and in particular perpendicular to the Banderstreckungsutter arranged or become.
  • a particularly compact shape of the coil arrangement to be produced can be achieved in particular if, according to another preferred embodiment of the method according to the invention, a sheet-like expanded and coherent material area is used as the film.
  • the handling of the composite of individual strips film can be improved if, according to a preferred embodiment of the method according to the invention, a film is formed and / or used, which has at least a first carrier film and applied thereto and / or embedded individual bands, in particular with a covering second carrier film.
  • a film is formed and / or used, which has at least a first carrier film and applied thereto and / or embedded individual bands, in particular with a covering second carrier film.
  • an electrical insulation (i) is or will be formed by means of a local oxidation or anodization and / or (ii) by means of a local removal of material and refilling with material.
  • Winding material is a material with an electrically conductive component is used, which is in particular formed with a metallic material, copper or aluminum and / or contiguous.
  • Insulating material additionally applied to the electrically conductive component coating in particular with a paint or oxide material, and / or a native and / or reinforced conversion layer and in particular an oxide layer of the electrically conductive component can be formed and / or used.
  • a coil arrangement is also provided for a stator of a multi-dimensional drive and in particular for a planar drive.
  • This coil arrangement is inventively formed with the presented manufacturing method.
  • the coil arrangement is formed or is provided with at least one coil which is or is formed with an electrically conductive winding with a winding material, wherein the
  • Winding material - at least partially, locally and / or in sections - is formed band-shaped in a band stretching direction, in particular with rectangular cross-section perpendicular to the band stretching direction, and wherein the winding is a wound in the band stretching direction and / or folded structure of the band-shaped winding material with one or more turns.
  • the present invention provides a stator for a
  • multi-dimensional drive and in particular for a planar drive.
  • the stator according to the invention is formed with a plurality of coil arrangements produced according to the invention.
  • At least a part of the plurality of coils of the coil arrangements are nested, or arranged in a fan-shaped manner and commensurably associated with an appealing plurality of phases of an excitation signal in order to be acted upon by the latter.
  • first and second sets are or will be one or more coil arrangements by means of a method according to the invention, coil arrangements of the first set and their coils being aligned and / or arranged in a common first spatial direction x and / or
  • the present invention further provides a multi-dimensional drive and in particular a planar drive.
  • the drive according to the invention has a stator formed according to the present invention and a mover, the latter having a magnetization for magnetic interaction with a magnetic field that can be generated by the stator.
  • the coil arrangement comprises planar coils which can have any desired dimensions and which can be combined in a simple and cost-effective manner with the coil arrangement.
  • the coil arrangement of a workpiece carrier system preferably comprises at least one main body.
  • the main body has at least one conductor track. It is provided that the interconnect a variety of
  • Basic body at least one folding point. At the fold the main body is folded. As a result of the folding, at least two longitudinal sections and at least two transverse sections of the conductor run spirally. Particularly advantageously, the base body is folded at a plurality of folds. In this way, a turn of a coil can be represented by a convolution. As a result, the coils are simple and inexpensive to produce, since only conductor tracks must be applied to the body, which has a variety of
  • the longitudinal sections are parallel to each other.
  • the transverse sections extend at an angle between 0 ° and 90 ° to the longitudinal sections.
  • the at least one folding point preferably runs perpendicular to the
  • Each conductor preferably extends monotonically along one
  • the main body thus has the extension direction along which each conductor extends. Under monotone is to be understood that the conductor does not extend at any point of the base body opposite to the extension direction. Particularly preferably, it is provided that each conductor track extends in a strictly monotonic direction along an extension direction. By this is meant that the track in addition to the aforementioned
  • the coil arrangement preferably has a first base body and a second base body. It is provided that the first base body and the second base body are interleaved by alternately folding. In this way, several coils can be provided for the coil arrangement. In particular, for moving a workpiece carrier in a plane several coils are necessary. Nevertheless, to ensure an equal average distance of the workpiece carrier to each coil, the coils are nested. Such an interleaving can be produced simply and cost-effectively by the coil arrangement by alternately folding the first base body and the second base body successively. In this way, the bodies overlap each other, resulting in a
  • Coil arrangement can therefore have further base body, which are interleaved with the first base body and the second base body.
  • the longitudinal sections of the at least one conductor track of the first base body are aligned perpendicular to the longitudinal sections of the at least one conductor track of the second base body. In this way it is ensured that a workpiece carrier can be moved by the coil assembly in all directions within a three-dimensional space. Thus, the free-floating workpiece carrier can be moved arbitrarily.
  • the main body preferably has two insulation elements. Between the insulation elements, the at least one conductor track is introduced. Thus is in particular provided that the conductor is completely isolated from an environment. This isolation takes place in particular mechanically and / or electrically.
  • the insulation elements are preferably films which can be welded together. Alternatively, others, in particular
  • the conductor track is advantageously a stamped element which can be prefabricated.
  • the conductor track is thus protected by the insulation elements.
  • the production method for producing the coil arrangement comprises, in particular, the following steps: First, at least one basic body is provided that has at least one printed conductor. It is provided that the conductor has a plurality of longitudinal sections and transverse sections. Subsequently, the base body is folded at at least one folding point. The fold is preferably predefined. To this
  • the conductor track is formed such that at least two longitudinal sections and at least two transverse sections extend spirally.
  • a coil can be produced, which can be used in a coil assembly of a workpiece carrier.
  • the coil can be shaped as desired depending on the configuration of the longitudinal sections and transverse sections. By folding there is an easy way to form the trace into a coil.
  • the provision of the basic body advantageously comprises the following steps: First, the provision of two insulation elements takes place. Both
  • Isolation elements may in particular be films.
  • the conductor track may be a section of a sheet metal.
  • the conductor can be produced in particular by punching. Subsequently, a
  • Step of inserting the track between the insulation elements Step of inserting the track between the insulation elements.
  • a variable conductor track in the base body can be used
  • the conductor track can have different longitudinal sections and / or transverse sections. These can be realized simply and inexpensively by a stamping process. Subsequently, the insertion takes place between the insulation elements, so that the conductor track is protected from external influences. Particular preference is provided that the conductor track through a
  • Punching process is punched from a raw material.
  • the raw material is in particular a sheet metal element. If a plurality of strip conductors are preferably provided in the base body, preferably a plurality of strip conductors, in particular a plurality of identical strip conductors, are punched out of the raw material by a stamping step. All of these tracks can then be provided in the body in such a way that these between the
  • Insulation elements are used. By inserting into the
  • Isolation elements are thus all tracks in their relative
  • a magnetic workpiece carrier It is preferably provided that a magnetic workpiece carrier
  • the coil arrangement therefore represents a stator of a planar drive.
  • two main bodies are used.
  • the two main body are aligned at an angle of 90 ° to each other.
  • the direction of each basic body is determined by the longitudinal sections of the conductor tracks. If three basic bodies are used, it is advantageous if all the basic bodies occupy an angle of 120 ° to one another.
  • two basic bodies are used.
  • Base body at an angle of 90 ° to each other, while a third body occupies an angle of 45 ° to the other two basic bodies. Other angles are also possible.
  • FIG. 1 is a top perspective view of one
  • Figure 2 is a schematic and partially sectioned
  • FIGS. 3 and 4 show, in plan view, embodiments of foils that can be used in one embodiment of the method according to the invention for producing a coil arrangement.
  • FIGS. 5-1 to 6-3 show in schematic and cut
  • FIGS 7 to 9 show intermediate states of folding operations.
  • Figures 10-1 to 10-6 are schematic plan views of different ones
  • Figure 1 1 -1 shows in a schematic and perspective plan view
  • Figure 1 1 -2 shows in schematic and partially sectioned perspective view aspects of a band used in the manufacture of a coil assembly according to the invention.
  • FIG. 12 shows a manufactured according to invention
  • Figure 27 is a schematic view of a body
  • FIG. 28 shows a schematic view of an unfolded and a folded basic body of a coil arrangement according to the further exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 29 shows a schematic view of an unfolded and a folded main body of a coil arrangement according to a further alternative exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 30 is a schematic view of two interleaved
  • Figure 31 is a schematic view of a folding order of
  • Figure 1 shows a perspective plan view of an inventive
  • multi-dimensional drive 100 which is formed by a stator 120 arranged in a plane parallel to the xy plane and which has a plurality of coils 20 with windings 30 within an inventive
  • Coil assembly 10 along the x-direction and within a
  • stator 120 On the top of the stator 120 is a
  • Moving element arranged which is also referred to as mover 1 10.
  • the mover 1 10 On its underside, the mover 1 10 a magnetic device 1 1 1 on. This can be formed by an arrangement of permanent magnets.
  • the stator 120 is controlled in a controlled manner with multiphase electrical current such that the coil assemblies 10 with the coils 20 and the windings 30 along the x-direction and along the y-direction produce an alternating magnetic field that interacts with magnetic fields of the magnetic device 1 1 1 of the mover 1 10 in a controlled manner multi-dimensional - in the embodiment of Figure 2 substantially in the
  • Plane xy - is movable.
  • Figure 2 is a schematic and partially sectioned plan view of a
  • FIG. 2 it can be seen that in the x-direction and in the y-direction the coils 20 of the coil arrangements 10 are multiply nested or fanned in the x and y directions in order to use along the respective direction x and y corresponding to a plurality Phases of an alternating current to be able to produce different phases of a magnetic field, which are in temporal-spatial relationship to each other in order to realize the desired multi-dimensional movement can.
  • Figure 3 shows a first embodiment of a film 35, which in a
  • Embodiment of the inventive method for producing a coil assembly 10 can be used.
  • the film 35 according to FIG. 3 has three strip conductors in the form of film strips 34 which are associated with three coils 20 to be formed, which are also referred to as coils 20-1, 20-2, 20-3, along a band stretching direction 32 as the main direction - here parallel to the x-direction - each other in sections parallel extending band sections, in one
  • Transverse extension direction - here in particular parallel to the y-direction - are directly adjacent to each other and substantially perpendicular to
  • Banderstreckungsnchtung 32 folding sections 52 are formed with fold lines 51.
  • the fold lines 51 run perpendicular to the Banderstreckungsnchtung 32nd
  • sections of the film strips 34 are formed in the folding region 52 at an angle of 45 ° here to Banderstreckungsnchtung 32 as the main direction. There, too, the sections of the foil strips 34 run parallel to one another, are arranged directly adjacent to one another and are electrically insulated from one another by means of the insulation 37.
  • a plurality of windings 30, here for the three coils 20-1, 20-2, 20-3 can be created by multiple folding along the fold lines 51 by means of a comparatively simple folding process.
  • Fold lines 51 uncontacted or inactive areas 50 which are not available for the structure of the coils to be formed 20-1, 20-2, 20-3 of the coil assembly 10 to be generated.
  • primarily no material or possibly only an auxiliary material is formed.
  • a simplified embodiment of the film 35 according to FIG. 4 can be used.
  • a plurality of foil strips 34 are arranged parallel to one another along a band stretching direction 32 as a main direction parallel to the x direction directly adjacent to one another and from one another by an electrical insulation 37.
  • the individual foil strips 34 are again associated with different coils 20-1, 20-2, 20-3, which are designed according to the invention in connection with a corresponding folding process.
  • Foil tapes 34 which are also referred to simply as ribbons for simplicity, are made simpler with their insulations 37 therebetween compared to the embodiment of FIG. However, with this simplified structure results in a comparatively complex folding process, as in the
  • Figures 5-1 to 5-4 show aspects of individual steps of a
  • the starting point according to FIG. 5-1 is a carrier 39, likewise in the manner of a foil and formed with a top side 39-1 and a bottom side 39-2.
  • a carrier 39 likewise in the manner of a foil and formed with a top side 39-1 and a bottom side 39-2.
  • In the transition to the state shown in Figure 5-2 is on the top 39-1 a
  • films 35 can be used both without cover carrier 39 according to FIGS. 5-3 and with cover carrier 39 according to FIGS. 5-4.
  • such a film 35 can also be produced according to the sequence according to FIGS. 6-1 to 6-3.
  • the starting point here is the presentation of a winding material 31 with or from a coherent electrically conductive component 31 -1.
  • either the material underlying the conductive component 31 -1 is directly converted into an insulation 37 at predetermined regions in the coherent electrically conductive component 31 -1 or a gap is initially formed, which is filled with a bonding material 38 so as to form the insulation 37.
  • the film 35 is formed with bands 34 with or from the conductive component 31 -1 of the winding material 31 and the insulation 37 therebetween, which also serves as a connection 38 between the bands 34.
  • FIGS. 7 to 9 describe details of an embodiment of the invention
  • the three-dimensional structure shown in FIG. 7 initially arises for a coil arrangement 10 with three coils 20-1, 20-2, 20-3, wherein for each lane or lane in this embodiment for every two Layers or planes for each of the coils 20-1, 20-2, 20-3 a winding or current loop is generated.
  • the inactive regions 50 of the film 35 can be seen, as explained in detail above.
  • Figure 9 shows an intermediate state in connection with the folding process for an arrangement of coils 20-1, 20-2, 20-3, in which the ends 41 -1 and 41 -2 bent end windings of the individual coils 20-1, 20-2 , 20-3 form or have.
  • FIGS. 10-1 to 10-6 show various construction phases of a turn 40 of a winding 30 of a coil 20 of a coil arrangement 10 according to the invention.
  • Winding material 31 is assumed.
  • the band 34 with the winding material 31 has a band-like structure along an extension direction 32, which is also referred to as the main extension direction.
  • the extension direction 32 corresponds to the x direction in the state shown in FIG. 10-1.
  • a first transverse extension direction which here coincides with the direction y
  • the band 34 has a certain width.
  • a second transverse extension direction which here coincides with the z-direction
  • the winding material 31 of the band 34 has a certain height or thickness.
  • the cross-sectional shape of the band 34 is preferably rectangular in section of a sectional plane parallel to the yz plane.
  • the one free end of the band 34 in this case the end on the right side in FIG. 10-1, is folded downwards and forwards, then that in the region of the point X1, a first end 41 -1 with a first convolution 45 is formed and the folded free end of the band 34 now points in the y-direction.
  • first end 41 -1 of the first linear section 41 then joins a short section, which acts as a connector 44 and has at its end a second point X2.
  • the free end of the belt 34 is folded with the adjoining the first fold 45 connector 44 at the point X2 at an angle of 45 ° upwards, so as to form a second fold 46, which is followed by a second linear section 42 of the belt 34.
  • first linear portion 41 and a second linear portion 42 which have first ends 41-1 and 42-1 opposite to each other, and second ends 41-2 and 42-2, respectively also opposite each other.
  • the first and second linear portions 41 and 42 are approximately parallel to each other and form a planar structure.
  • the second linear section 42 runs the
  • first linear portion 41 opposite to the second end 41 -2 of the first linear portion 41 defines another position X3, the formation of a first fold 45 at the second end 42-2 of the second linear portion 42 of the belt 34 by folding the free end of the belt 34 at an angle from 45 ° to below serves.
  • the free portion of the belt 34 is oriented perpendicular to the original belt extension direction 32 and counter to the y direction.
  • a position X4 is defined, which serves to form a second fold 46 of the free end of the belt 34.
  • This second folding 46 is carried out by turning the second end of the belt 34 upwards at an angle of 45 °, so that then according to Figure 10-6, the free end of the belt 34 again in the direction of the original
  • Banderstreckungscardi 32 is oriented.
  • Coil assembly 10 is formed.
  • a coil arrangement 10 according to the invention can not only have one turn in the respective winding 30 in a coil 20.
  • 1 1 -1 is a
  • Coil 20 of the coil assembly 10 is shown in a perspective view from above, the winding 30 has three windings 40.
  • This coil 20 has a substantially planar shape.
  • the first and second linear sections 41 and 42 of a respective turn 40 of the winding 30 are aligned parallel to each other. The same applies to the respective ones
  • Connector 44 This is necessary for the interleaving according to FIG.
  • the free end of the band 34 is correspondingly cut to length in the embodiment according to FIG. 11, protruding perpendicularly from the xy plane, in which the coil arrangement 10 with the windings 40 of FIG Winding 30 is substantially aligned, runs counter to the z-direction down and forms, for example a connection portion 49.
  • connection portion 49 can also be guided in the z-direction vertically upwards or else in the opposite direction to the x or y direction and laterally outwards.
  • connection portion 49 can also be guided in the z-direction vertically upwards or else in the opposite direction to the x or y direction and laterally outwards.
  • the arrangement according to Figure 1 1 -1 results in a particularly compact design.
  • Figure 1 1 -2 shows the above-mentioned rectangular cross section of the winding material 31 of the belt 34, which is the winding 30 of the coil 20 of the coil assembly 10 is based.
  • the winding material 31 is formed by a conductive component 31-1, which forms the core of the winding material 31.
  • the core with the conductive component 31 -1 is surrounded by an insulating material 31 -2.
  • the band 34 as a whole extends in the Banderstreckungsnchtung 32, which coincides in Figure 1 1 -2 with the x-direction.
  • the insulating material 31-2 may be an additionally applied coating, for example in the form of a lacquer or oxide. However, it is preferred that the insulating material 31-2 is inherently made of the conductive material
  • Component 31 -1 is recovered.
  • This may be, for example, a native oxide, as is the case with aluminum.
  • it can also be an artificially generated conversion material, for example an additionally reinforced embodiment of a natively formed oxide of the conductive component 31 -1.
  • FIGS. 12 to 16 show various details of embodiments of the coil arrangement 10 according to the invention with a plurality of turns 40 in each winding 30 of each coil 20 in a perspective side view.
  • each turn 40 of a winding 30 is formed by a single one
  • Each turn 40 has two longitudinally extending first and second linear sections 41 and 42 in the direction of stretching 32, here parallel to the x-direction.
  • the linear portions 41, 42 have at their first ends 41 -1 and 42-1 first and second folds 45 and 46, which are connected by a connecting piece 44. In this way, the extension of the respective turn 40 reverses by 180 ° in that the coil 20 has an overall spiral winding 30 with a
  • Transition portion 47 between successive turns 40 of the winding 30 are formed.
  • the free end of the coil 20 of the coil assembly 10 again forms a connection section 49.
  • the coil assembly 10 of FIG. 14 includes three individual coils 20, designated 20-1, 20-2, 20-3, for independent phases of exciting electrical current which are fed in operation via independent terminal portions 49.
  • the individual coils 20 themselves extend parallel to the x-direction in the direction of stretching of the band 32, but are arranged in the transverse direction, which corresponds to the y-direction, nested and / or fan-shaped and are here individually denoted by reference numerals 20-1 for better illustration , 20-2 and 20-3, respectively.
  • corresponding numbers of coils 20-1, 20-2,... Must be provided in order to provide one another for the drive 100 via the spatial arrangement relative to one another form spatial and temporal relationship of the magnetic fields to be generated.
  • FIG. 15 shows a schematic side view of the invention
  • FIG. 16 illustrates how in detail the film strips 34 can be used as components of a superposed and coherent film 35 in an advantageous manner in the production and arrangement of a coil arrangement 100 according to the invention having a plurality of coils 20 according to the invention.
  • the bands 34 of the film 35 are directly adjacent to each other, arranged perpendicular to the extension direction 32 of the individual bands and electrically insulated from each other. Isolation occurs, for example, by providing a through-oxidized separation region between directly adjacent ones
  • Foil tapes 34 of the film 35 are Foil tapes 34 of the film 35.
  • FIG. 17 shows another embodiment of the invention
  • Coil assembly 10 in which first and second ends 41 -1, 41 -2; 42-1, 42-2 of the linear sections 41 and 42 of a winding 40 of the winding 30 of the coil 20 from the plane, here the xy plane of the coil 20, by corresponding
  • Embodiment of the first and second folds 45 and 46 protrude and are angled against the z-direction, so that the connecting pieces 44 and the transition sections 47 down and thus against the z-direction from the xy plane out point.
  • the connection section 49 is guided here laterally outwards parallel to the xy plane.
  • FIG. 18 shows a combination of several arrangements, as shown in FIG. 17, to form a coil arrangement 10, the three
  • FIG. 7 to 9 show various intermediate stages of a winding process on the basis of a film 35 with a plurality of foil strips 34 for forming a plurality of coils 20 in a coil assembly 10 according to the invention.
  • FIG. 7 shows a coil arrangement 10 which is folded as a three-dimensional structure and has individual coils 20-1, 20-2 and 20-3.
  • Figure 8 shows corresponding layers for coil assemblies 10 aligned in the x-direction and the y-direction, respectively, with the two lower coil assemblies 10 extending in the x-direction and the upper coil assembly 10 extending in the y-direction ,
  • FIG. 9 shows a concrete embodiment with coil arrangements 10 for the x-direction and the y-direction with regions of the first and second ends 41 -1, 41-2 which are angled away from the xy plane. 42-1, 42-2.
  • FIG. 19 to 26 show in schematic form different
  • planar drives magnetic fields are required, which are e.g. can be generated based on the following procedures.
  • the present invention relates inter alia to the production of a flat coil arrangement 10 or coil 20 of structured films, in particular films with or made of metal.
  • a coil assembly 10 as a product of a structured film and in particular of a structured metal foil produced.
  • Such a coil arrangement 10 is designed to generate a periodic magnetic field, in particular with a maximum number of current loops in both the x and the y direction.
  • the coil assembly 10 made according to the invention consists of wires or windings 40 which promote a three-phase current.
  • the structure of the coil assembly 10 is formed by the manufacturing process such that after three consecutive turns - 1, 2, 3 each with 60 ° of electrical angle difference - the first turn in the opposite direction - ie in the direction -1 - is returned, whereby turn one
  • Angular difference of 60 ° with respect to the winding 3 results.
  • a periodic field structure of the coil assembly is generated, resulting in a full 360 ° period with six tracks, tracks or turns.
  • the idea of the production method according to the invention is based on the concept of laying down a film, in particular a structured film, that is to say an elastic material formed with a conductive material in a structured form, and to fold it into a structure of a coil arrangement.
  • Arrangement can be formed with as small a number as possible and with the smallest possible proportion of so-called dead areas or dead areas between the individual coil arrangements.
  • a minimum layer thickness of the insulator / substrate layers is predetermined. As a result, the material filling factor decreases with the number of layers, because in each case an insulator film with the same
  • Manufacturing processes are avoided by forming flat coils based on patterned metal foils or similar structures.
  • Another key aspect of the present invention is the electrical separation of the turns, traces or traces in combination with preserving the overall shape (over-all shape) and the mechanical integrity of the underlying films. This allows replacement of individual and wire-related manipulations which would conventionally have to be taken by handling the placement and placement of the individual wires, coils or high mobility ducts.
  • the conventional approach can be replaced by simply folding the layers or layers of film, thereby reducing the handling complexity and complexity of the construction over conventional approaches.
  • the problem with regard to the conductor-to-insulating ratio and with respect to the overall height of the arrangement is also solved by the production method according to the invention, that is to say by the use of a structured film with corresponding paths contained therein.
  • the theoretically achievable fill factor is not limited and is almost 100%.
  • the number of current loops can be increased, for example with up to 30 loops in each direction with a 50 ⁇ thick film and a total thickness of 6 mm for a to be generated
  • a film-based manufacturing method makes it possible to design windings or windings for conducting a three-phase current.
  • the structure of the coil arrangement is chosen so that after three successive windings - 1, 2, 3, each with 60 ° electrical angle difference - the first wire in the opposite direction (the direction 1 -) - is returned and thereby again a 60 ° difference with respect to the wire 3 or the line 3. This ensures a periodic structure of the magnetic field to be generated.
  • the coil assembly is used to move a system using electrical currents in the X-direction and the Y-direction, in a completely independent manner, namely by interaction with permanent magnets e.g. in the sense of a configuration according to Hallbach.
  • Table 1 below shows schematically the cross section of a coil arrangement produced according to the invention.
  • the Y layers have exactly the same structure, but are rotated by 90 ° relative to the X layers.
  • the structure described below has the length of a complete magnetic period for a Hallbach arrangement and the coils. An actual arrangement will generally have a length of several magnetic periods.
  • the coil sets shown in Table 1 can not be independently controlled because their turns interfere with each other.
  • Table 1 thus shows a possibility of arranging the coils within a coil arrangement using a structured foil, as shown in FIG.
  • the layers of each coil occupy and utilize the complete layer. This increases the efficiency of the available space. This can be realized in particular by folding the coil over more than 180 °.
  • the coil sets can be controlled independently of each other.
  • Table 2 given below shows another embodiment which can be advantageously produced by the method according to the invention, with the advantage that the same coil lies on the same plane in each case.
  • the coils must have a maximum material fill factor to maximize conductivity. This reduces ohmic losses.
  • the material filling factors also support the heat dissipation, which results in a further advantage of the inventively producible design.
  • the tracks or tracks are formed on a metal foil, avoiding conduction of the current from track to track, because each track or track is associated with a separate coil - A, B and C in FIG.
  • the film and / or the metal foil is folded. Two layers each create a coil turn with respect to each track or track, as illustrated in connection with the folded structure in FIG.
  • a set of three bobbin paths can also be folded as one, as shown in connection with FIG. Compared to the previously described
  • the tracks or tracks are straight. Even one
  • Arrangement for example with a binder, of three tracks or tracks, can be used and folded at once.
  • FIG. 27 schematically shows a sectional view through a main body 3 of a coil arrangement according to a further exemplary embodiment of the invention.
  • the base body 3 comprises a conductor track 34-5, wherein the conductor track 34-5 is inserted between two insulation elements 16.
  • Isolation elements 16 are in particular films that
  • FIG. 28 shows a coil arrangement 10 according to a first embodiment
  • FIG. 28 shows a plan view of the base body 3 from FIG. 27.
  • the conductive track 34-5 within the base body 3 is preferably shaped such that it has a multiplicity of longitudinal sections 12, 13 and a multiplicity of transverse sections 14, 15.
  • FIG. 28 a first example is shown
  • Transverse section 14 and the second transverse section 15 a spiral-shaped body.
  • a winding of a coil is realized.
  • a base body 3 which comprises a plurality of longitudinal sections 12, 13 and transverse sections 14, 15 in the arrangement shown in FIG. 28, by means of a multiplicity of folds at respective folding locations 11 .
  • the insulation elements 16 is prevented that a short circuit by touching the individual portions of the conductor 34-5 occurs.
  • the longitudinal sections in particular the first
  • first longitudinal section 12 is parallel to the second longitudinal section 13.
  • Transverse sections 14, 15, in particular the first transverse section 14 and the second transverse section 15, extend at an angle between 0 ° and 90 ° relative to the longitudinal sections 12, 13.
  • FIG. 4 shows by way of example that FIGS
  • Transverse sections 14, 15 have an angle of 45 °.
  • Each fold 1 1 runs preferably perpendicular to all longitudinal sections 12, 13 and divides each
  • each transverse section 14, 15 is converted by the folding at the folding point 1 1 in an arc shape.
  • the winding head height which means the height of the arc formed by the transverse sections 14, 15 after folding over the longitudinal sections 12, 13, is thus adjustable by the angle at which the transverse sections 14, 15 extend relative to the longitudinal sections 12, 13.
  • the base body 3 may preferably be prefabricated. After prefabricating the base body 3, this can be formed quickly and inexpensively by folding into a coil.
  • the conductor track 34-5 preferably follows strictly monotonically an extension 100. This means that the conductor track at no point against the
  • Extension or perpendicular to the extension ensures that no unwanted overlaps in the production of the coils are produced by folding the base body 3.
  • Extension means 100 should be regarded in particular as an axis extending centrally between the longitudinal sections 12, 13 and parallel to the longitudinal sections 12, 13.
  • each fold 1 1 is preferably defined as such axis which is perpendicular to the extension 100 and through the point at which the axis of the extension 100 crosses the transverse sections 14, 15. This intersection thus represents a center of the transverse sections 14, 15.
  • FIG. 29 shows a coil arrangement 10 according to an alternative further exemplary embodiment of the invention.
  • Figure 5 is again a main body
  • Conductor 34-6 and a third conductor 34-7 is present. It is preferably provided that both the first interconnect 34-5 and the second interconnect 34-6 and the third interconnect 34-7 are all identical to each other. In particular, each of the tracks 34-5, 34-6, 34-7 is identical to the track 34-5 described in the previously described further embodiment.
  • Conductor 34-5, the second interconnect 34-6 and the third interconnect 34-7 is excluded. Again, by folding at the fold 1 1, a winding of a coil can be generated. Thus, a three-phase system is shown in Figure 29, which can generate three independent windings simultaneously by folding the body 3 at the folding 1 1.
  • FIG. 30 shows a coil arrangement 10 in which a first basic body 3 and a second basic body 4 are present. It is provided that the first base body 3 and the second base body 4 are identical to the base body 3 shown in FIG. It is provided that the first base body 3 are arranged perpendicular to the second base body 4. This means that the longitudinal sections 12, 13 of all interconnects 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 are perpendicular to each other. In this way, by means of the first conductor 34-5, the second conductor 34-6 and the third conductor 34-7, a workpiece carrier 18 magnetically in a first
  • the workpiece carrier 18 can magnetically excite in a second spatial direction.
  • Base body 3 placed on the second base body 4.
  • the first base body 3 and the second base body 4 are perpendicular to each other.
  • Base 4 again its original orientation. Thereafter, the first base body 3 is folded at a third folding point 130 and then at a fourth folding point 140. Thus, the first base body 3 again overlaps the second base body 4. Thereafter, finally, a fifth folding of the second base body 4 takes place at a fifth folding point 150 and a further folding at a sixth folding point 160. Thus, the second base body 4 is completely folded into a coil. Finally, the folding of the first base body 3 takes place at a seventh folding point 170 and at an eighth folding point 180. Thus, the first basic body 3 is also completely folded into a coil. By the alternating folding it is ensured that the first base body 3 and the second base body 4 are interleaved. This results in that the windings of the first main body 3 and the second
  • the production of the conductor tracks 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 is advantageously carried out by punching, in particular by rotary blanking or Hubstanzen.
  • the punching is done from a raw material, which may be in particular a sheet. It is possible, the entire structure of a plurality of parallel interconnects, such as in particular the first interconnect 34-5, the second interconnect 34-6 and the third interconnect 34-7 or the fourth
  • Conductors 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 are manufactured in isolation from each other and then wound on single rolls. In a follow-up process, these individual roles can then be grouped into several arbitrary, to then the parallel tracks 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 between the
  • Isolation elements 16 bring.
  • Plastic film as a subgroup of plastic films may preferably be produced with a thickness from 2 ⁇ , so that the coil produced by folding has only small dimensions.
  • FIG. 31 The folds shown in FIG. 31 can be varied as desired. Thus, it is shown in FIG. 31 that the first basic body 3 and the second basic body 4 are folded twice before the respective other basic body 3, 4 is folded.
  • first base body 3 is folded once to then fold the second base body 4 once. This unique folding is alternately for the first body 3 and the second
  • Basic body 4 repeated. Also, three or more folds are possible before switching to the other main body.
  • the manufacturing method of the laminated conductor structures base body 3, 4 is freely scalable in the planar dimensions and the cross section of
  • the folding process of the planar development enables a cost-effective production and a simple storage of the rolled-up or pre-folded conductor carrier.
  • the use of rectangular track cross sections provides a high conductor material fill factor of the planar winding.
  • the laminate of insulating elements 16 and tracks 34-5, 34-6, 34-7, 34- 8, 34-9, 34-10 can then be wound on a roll or as a package with the Dimensions of the coil assembly are stored folded down.
  • Insulation elements 16 (as a carrier) to be laminated.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spulenanordnung (10) eines Stators (120) eines planaren mehrdimensionalen Antriebes (100), mit mindestens einer Spule (20), welche mit einer Wicklung (30) ausgebildet ist, wobei die Wicklung (30) elektrisch leitfähig ist und ein Wicklungsmaterial (31) aufweist, wobei die Wicklung (30) eine an Falzstellen (11) gefaltete Struktur des Wicklungsmaterials (31) mit einer oder mit mehreren Windungen (40) ist.

Description

Beschreibung Titel
Verfahren zum Herstellen einer Spulenanordnung, Spulenanordnung, Stator und mehrdimensionaler Antrieb
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
Spulenanordnung, eine Spulenanordnung, einen Stator sowie einen
mehrdimensionalen Antrieb. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zum Herstellen einer Spulenanordnung für einen Stator eines mehrdimensionalen Antriebes, eine Spulenanordnung für einen Stator eines mehrdimensionalen Antriebes, insbesondere eines Planarantriebes, einen Stator für einen mehrdimensionalen Antrieb, insbesondere für einen Planarantrieb unter Verwendung einer Mehrzahl von Spulenanordnungen sowie einen
mehrdimensionalen Antrieb, insbesondere einen Planarantrieb mit dem Stator.
Bei mehrdimensionalen Antriebssystemen und insbesondere bei Planarantrieben werden mehrphasig magnetische Felder erzeugt, um in magnetischer
Wechselwirkung mit einem Beweger diesen entlang ein oder mehrerer
Raumrichtungen zu bewegen. Zu diesem Zweck weist ein derartiger Antrieb einen Stator auf, welcher die zu Grunde liegende Magnetfeldanordnung generiert. Zum Erzeugen der entsprechenden zeitlich abhängigen Magnetfelder werden Spulenanordnungen verwendet.
Im Allgemeinen handelt es sich bei den Spulenanordnungen um Anordnungen mit einer Mehrzahl von Spulen. Diese können unterschiedliche Bauformen aufweisen. Zum Beispiel können gewickelte Spulen verwendet werden, die in verschiedenen Varianten in der Ebene angeordnet werden. Dabei wird jedoch in Kauf genommen, dass nur ein bestimmter Anteil des gesamten Bauraumes der Spule mit dem leitenden Material der Wicklungen gefüllt werden kann. Nachteilig ist ferner eine vergleichsweise aufwendige Montage der einzelnen Spulen in Bezug aufeinander.
Ferner können bei der lagenmäßigen Anordnung der verwendeten Spulen in gewickelter Form ungleichförmige Feldverläufe auftreten, weil sich die Spulen nicht durchdringen und somit immer eine Vorzugsrichtung vorliegt, welche näher an der gewünschten Wirkstelle platziert ist als eine entsprechend andere
Richtung.
Denkbar ist auch die Verwendung so genannter Mehrschichtplatinen, die jeweils nach Art einer PCB-Struktur aufgebaut sind. Gegenüber der Verwendung gewickelter Spulen hat dies den Vorteil einer deutlich verbesserten Füllung mit leitendem Material. Jedoch ist im Zusammenhang mit den PCB-Substraten zu beachten, dass es sich bei dem dort verwendeten leitenden Material in der Regel um Dickkupfer handelt, wodurch die Herstellungskosten nicht zu vernachlässigen sind.
Auch begrenzen die vorgegebenen Strukturbreiten sehr kleine Abstände zwischen den Leitern.
Weiter liegen einem jeweiligen PCB-Substrat Trägerschichten zu Grunde, die nicht beliebig dünn ausgebildet werden können, so dass bei dünneren
Leiterbahnen der Füllfaktor an leitfähigem Material auch bei der
Multischichtplatine sinkt.
Folglich besteht ein Bedürfnis, ein Verfahren zum Herstellen einer
Spulenanordnung zu schaffen, bei welchem bei hohem Füllfaktor an leitfähigem Material und guter Handhabbarkeit ein hoher Grad an elektrischer Leitfähigkeit erreicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Spulenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass erfindungsgemäß die Vorteile einer gewickelten Spule, nämlich dem vergleichsweise hohe elektrische Leitwert, kombiniert ist mit dem Vorteil einer Multischichtplatinenanordnung, nämlich dem hohen Füllfaktor an leitfähigem Material. Dies wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass eine Spulenanordnung eines Stators eines mehrdimensionalen Antriebes, insbesondere eines
Planarantriebes, geschaffen wird mit mindestens einer Spule, welche mit einer Wicklung ausgebildet ist, wobei die Wicklung elektrisch leitfähig ist und ein Wicklungsmaterial aufweist, und wobei die Wicklung eine gefaltete Struktur des
Wicklungsmaterials mit einer oder mit mehreren Windungen ist. Durch eine Isolationsschicht wird ein Überschlag zwischen Nachbarwindungen verhindert. Die Isolationsschicht kann ein Lack oder aus Aluminiumeloxal gebildet sein, wobei auch Mischleiter zum Einsatzkommen können. Durch die Verwendung eines bandförmigen Wicklungsmateriales zur Ausbildung der ein oder mehreren
Windungen der Wicklung der Spulenanordnung kann - zum Beispiel verglichen mit einer aus einem zylindrischen Draht gewickelten Spule - die Fülldichte an leitfähigem Material gesteigert werden. Gleichzeitig wird auf Grund der
Wicklungsstruktur und der verwendeten Querschnitte die elektrische Leitfähigkeit der Spulenanordnung nicht abgesenkt. Diese vorteilhafte Kombination aus hohem Füllfaktor an leitfähigem Material und hohem elektrischen Leitwert der Spulenanordnung ist mit herkömmlichen Mitteln, zum Beispiel mit gewickelten Drahtspulen und/oder mit PCB-basierten Mehrschichtplatinenanordnungen, nicht erreichbar.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Wicklungsmaterial in einer
Banderstreckungsrichtung bandförmig ausgebildet ist, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Banderstreckungsrichtung. Auf diese
Weise ist ein Aufbau von flachen planaren Spulen ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Spulenanordnung wird die Herstellung besonders einfach, wenn als
Wicklungsmaterial ein einzelnes Band, insbesondere in Form eines
Endlosbandes, verwendet wird, um daraus die Windungen der Wicklung der Spulenanordnung zu formen.
Dabei bietet es sich insbesondere an, das Band des Wicklungsmaterials aus einem gezogenen Draht zu bilden, weil hier insbesondere konventionell hergestellte und bereits auf Lager befindliche Grundmaterialien verwendet werden können. Gerade im Hinblick auf den Aufbau komplexerer Spulenanordnungen ist es von Vorteil, wenn statt eines einzelnen Bandes eine mehrere Bänder aufweisende Folie verwendet wird, um das Band für das Wicklungsmaterial bereitzustellen.
Besonders kompakte Strukturen für die erfindungsgemäße Spulenanordnung lassen sich gewinnen, wenn die mehreren Bänder in der Folie zumindest teilweise in einer Querrichtung quer und insbesondere senkrecht zur
Banderstreckungsrichtung angeordnet sind.
Besonders günstige Eigenschaften ergeben sich, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spulenanordnung das Wicklungsmaterial eine elektrisch leitfähige Komponente aufweist, die insbesondere mit einem metallischen Material, Kuper oder Aluminium und alternativ oder zusätzlich zusammenhängend ausgebildet ist.
Ein besonders sicherer Betrieb lässt sich mit der erfindungsgemäßen
Spulenanordnung erreichen, wenn das Wicklungsmaterial und insbesondere die elektrisch leitfähigen Komponente einen Material kern der Wicklung bildet und insbesondere der Materialkern der Wicklung in der Banderstreckungsrichtung zumindest teilweise von einem Isolationsmaterial bedeckt ist.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn das Isolationsmaterial eine zusätzlich auf den Materialkern der Wicklung aufgebrachte Beschichtung, insbesondere mit einem Lack oder Oxidmaterial, und/oder eine native und/oder verstärkte
Umwandlungsschicht und insbesondere eine Oxidschicht eines Materials des Materialkerns der Wicklung aufweist.
Gerade die Verwendung nativer oder verstärkter nativer Oxidschichten ist von besonderem Vorteil, weil sich schon inhärent aus der Struktur des zu Grunde liegenden Materialkerns eine gewisse Grundisolation benachbarter Lagen einer Wicklung ergibt. Die zu Grunde liegenden nativen Oxidschichten sind besonders dünn, so dass es zu keinem besonderen Auftrag in der Gesamtdicke einer Wicklung kommt, wie dies bei einem Lackieren denkbar ist.
Eine Oxidschicht bringt zusätzlich den Vorteil von thermischer Leitfähigkeit, z.B. im Vergleich zu PCB-Strukturen. Besonders vorteilhaft sind Spulenanordnungen dann, wenn sie für den auszugestaltenden mehrdimensionalen Antrieb eine Spule mit einem im
Wesentlichen planaren Aufbau aufweisen.
Beim Ausgestalten der Windungen der Wicklung einer Spule bestehen verschiedene Variationsmöglichkeiten:
Eine besonders günstige Orientierung in verschiedenen Raumrichtungen lässt sich mit der erfindungsgemäßen Spulenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dann erreichen, wenn eine Windung der Wicklung (i) zueinander parallele erste und zweite lineare Abschnitte, deren erste Enden bzw. deren zweite Enden jeweils zueinander benachbart einander gegenüberliegen, und (ii) einen Verbindungsabschnitt aufweist, welcher die ersten Enden der linearen Abschnitte miteinander verbindet.
Dabei ergibt sich eine besonders geeignete Anordnung für die
erfindungsgemäße Spulenanordnung, wenn vorzugsweise der
Verbindungsabschnitt eine erste Faltung in Verbindung mit dem ersten Ende des ersten linearen Abschnitts und eine zweite Faltung in Verbindung mit dem ersten Ende des zweiten linearen Abschnitts aufweist.
Prozesstechnisch ergeben sich weitere Vorteile, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung die Faltungen über ein lineares Verbindungsstück miteinander verbunden sind und/oder jede der Faltungen einen Umschlag des bandförmigen Wicklungsmaterials um 180° in einem Winkel von 45° zur Banderstreckungsrichtung aufweist.
Zur Senkung des Stromes für die erregende Spulenanordnung bei gleichzeitiger Steigerung des zu erzeugenden Magnetfeldes kann es vorgesehen sein, dass eine Wicklung eine Mehrzahl, insbesondere von zwei bis zwölf Windungen aufweist und insbesondere im Übergang zwischen aufeinanderfolgenden
Windungen ein Übergangsabschnitt ausgebildet ist, welcher das zweite Ende eines der ersten oder zweiten linearen Abschnitte einer Windung mit dem zweiten Ende des zweiten bzw. ersten lineare Abschnittes einer sich direkt anschließenden oder einer direkt vorangehenden Windung verbindet. Eine besonders kompakte Struktur stellt sich für die Spulenanordnung dann ein, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltungsform der Übergangsabschnitt eine erste Faltung in Verbindung mit dem zweiten Ende des ersten oder zweiten linearen Abschnittes der einen Windung und eine zweite Faltung in Verbindung mit dem zweiten Ende des zweiten oder ersten linearen Abschnittes der anderen
Windung aufweist und die Faltungen insbesondere über ein lineares
Verbindungsstück miteinander verbunden sind und/oder jede der Faltungen einen Umschlag des bandförmigen Wicklungsmaterials um 180° in einem Winkel von 45° zur Banderstreckungsrichtung aufweist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem anderen Aspekt einen Stator eines mehrdimensionalen Antriebes, insbesondere eines Planarantriebes. Dieser ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mehrzahl von erfindungsgemäß ausgestalteten Spulenanordnungen aufweist, wobei insbesondere zumindest ein Teil der Mehrzahl von Spulen ineinander geschachtelt und/oder gefächert angeordnet und kommensurabel einer entsprechenden Mehrzahl von Phasen eines Erregersignals zugeordnet sind, um mit diesem beaufschlagt zu werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, einen Antrieb mehrdimensional, das heißt unabhängig von einander geregelt in voneinander unterschiedliche
Raumrichtungen auszuführen. Die Regelbarkeit über verschiedene Phasen eines
Erregersignals erlaubt eine Steigerung der Genauigkeit des zu bewirkenden Antriebes.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Stators ist es vorgesehen, dass erste und zweite Sätze von Mehrzahlen von
erfindungsgemäßen Spulenanordnungen ausgebildet sind. Die
Spulenanordnungen des ersten Satzes und deren Spulen sind in einer gemeinsamen ersten Raumrichtung ausgerichtet und/oder angeordnet. Die Spulenanordnungen des zweiten Satzes und deren Spulen sind in einer gemeinsamen zweiten Raumrichtung ausgerichtet und/oder angeordnet sind, welche unterschiedlich ist zur ersten Raumrichtung und insbesondere senkrecht zu dieser ausgerichtet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein
mehrdimensionaler Antrieb, insbesondere einem Planarantrieb, geschaffen, welcher einen Stator gemäß der vorliegenden Erfindung sowie einen Beweger aufweist, welcher eine Magneteinrichtung umfasst, die zur magnetischen Wechselwirkung mit einem vom Stator zu erzeugenden oder erzeugbaren Magnetfeld bestimmt und ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen
Spulenanordnung eines Stators eines mehrdimensionalen Antriebes, welche insbesondere gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, bei welchem mindestens eine Spule mit einer Wicklung ausgebildet wird, wobei die Wicklung elektrisch leitfähig ist und ein Wicklungsmaterial aufweist, das Wicklungsmaterial in einer Banderstreckungsrichtung bandförmig ausgebildet wird, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Banderstreckungsrichtung, und die Wicklung als eine in der Banderstreckungsrichtung gewickelte und/oder gefaltete Struktur des bandförmigen Wicklungsmaterials mit einer oder mit mehreren Windungen ausgebildet wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen einer
Spulenanordnung. Dieses Verfahren weist den Vorteil auf, dass bei besserer Handhabbarkeit die Vorteile einer gewickelten Spule, nämlich dem
vergleichsweise hohe elektrische Leitwert, kombiniert wird mit dem Vorteil einer Multischichtplatinenanordnung, nämlich dem hohen Füllfaktor an leitfähigem Material. Somit ist vorgesehen, dass ein Verfahren zum Herstellen einer
Spulenanordnung, insbesondere nach Art einer Flachspule und/oder für einen Stator eines mehrdimensionalen Antriebes, geschaffen wird, bei welchem mindestens eine Spule mit einer elektrisch leitfähigen Wicklung mit oder aus einem Wicklungsmaterial ausgebildet wird und die Wicklung als eine durch Falten an einer Falzstelle gefaltete Struktur des bandförmigen
Wicklungsmaterials mit einer oder mit mehreren Windungen ausgebildet wird.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Wicklungsmaterial - zumindest teilweise, lokal und/oder abschnittsweise - in einer Banderstreckungsrichtung bandförmig ausgebildet ist oder wird, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Banderstreckungsrichtung. Außerdem ist vorteilhaft, wenn als
Wicklungsmaterial eine ein oder mehrere Bänder aufweisende Folie oder ein oder mehrere Bänder einer solchen Folie verwendet wird. Ein besonders hohes Maß an Produktivität beim Herstellen einer Spulenanordnung sowie eine gesteigerte Kompaktheit der sich ergebenden Spulenanordnung selbst stellt sich dadurch ein, dass als Wicklungsmaterial eine Folie verwendet wird, die ein oder mehrere Bänder aufweist, oder aber dass ein oder mehrere Bänder aus einer solchen Folie verwendet werden. Durch Bereitstellen der Folienstruktur in dieser Form können als Wicklungsmaterial direkt die mit der Folie bereitgestellten Bänder zum Ausgestalten der Windungen der Spulenanordnung - insbesondere nach Art einer oder mehrerer Flachspulen - verwendet werden.
Um eine möglichst kompakte Bauform der zu erzeugenden Spulenanordnung in ökonomischer Art und Weise ausgestalten und herstellen zu können, ist es bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, dass das eine oder die mehreren Bänder in der Folie - zumindest teilweise, lokal und/oder abschnittsweise - in einer Querrichtung quer und insbesondere senkrecht zur Banderstreckungsrichtung angeordnet sind oder werden.
Eine besonders kompakte Gestalt der zu erzeugenden Spulenanordnung lässt sich insbesondere dann erzielen, wenn gemäß einer anderen bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Folie ein flächig ausgedehnter und zusammenhängender Materialbereich verwendet wird.
Neben der Ausgestaltung der Folie als an sich zusammenhängender
Materialbereich bietet es sich auch an, eine derartige Folie aus
vorkonfektionierten Einzelbändern zusammen zu setzen. So ist es gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass als Folie ein Materialbereich mit oder aus verbundenen und
zusammengefügten Einzelbändern gebildet und/oder verwendet wird, insbesondere mit einem Verbindungsmaterial oder Einbettungsmaterial dazwischen.
Zusätzlich oder alternativ kann es von Vorteil sein, wenn Einzelbänder zu einer Folie zusammengesetzt werden, um dadurch lokal auf die materielle
Ausgestaltung der zu erzeugenden Spulenanordnung Einfluss zu nehmen.
Dabei kann die Handhabung der aus Einzelbändern zusammengesetzten Folie verbessert werden, wenn gemäß einer bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Folie ausgebildet und/oder verwendet wird, welche mindestens eine erste Trägerfolie und darauf aufgebrachte und/oder darin eingebettete Einzelbänder aufweist, insbesondere mit einer abdeckenden zweiten Trägerfolie. Für die Ausgestaltung der elektrischen Unabhängigkeit und Separation unterschiedlicher Lagen und Wicklungen zueinander ist es von besonderem Vorteil, wenn direkt benachbarte Bänder der mehreren Bänder in der Folie zwischen sich mit einer elektrischen Isolation ausgebildet sind oder werden.
Dabei kann die gegenseitige elektrische Isolation durch verschiedene
Maßnahmen erreicht werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass eine elektrische Isolation (i) mittels einer lokalen Oxidation oder Anodisierung und/oder (ii) mittels eines lokalen Entfernens von Material und Wiederauffüllens mit Material ausgebildet ist oder wird.
Um ein hohes Maß an elektrischer Leitfähigkeit der zu erzeugenden
Spulenanordnung insgesamt zu erzielen, ist es von Vorteil, wenn als
Wicklungsmaterial ein Material mit einer elektrisch leitfähigen Komponente verwendet wird, die insbesondere mit einem metallischen Material, Kuper oder Aluminium und/oder zusammenhängend ausgebildet ist.
Zusätzlich oder alternativ dazu kann es vorgesehen sein, dass als
Isolationsmaterial eine zusätzlich auf die elektrisch leitfähige Komponente aufgebrachte Beschichtung, insbesondere mit einem Lack oder Oxidmaterial, und/oder eine native und/oder verstärkte Umwandlungsschicht und insbesondere eine Oxidschicht der elektrisch leitfähigen Komponente ausgebildet und/oder verwendet werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch eine Spulenanordnung für einen Stator eines mehrdimensionalen Antriebes und insbesondere für einen Planarantrieb geschaffen. Diese Spulenanordnung wird erfindungsgemäß mit dem vorgestellten Herstellungsverfahren ausgebildet.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Spulenanordnung ausgebildet ist oder wird mit mindestens einer Spule, welche mit einer elektrisch leitfähigen Wicklung mit einem Wicklungsmaterial ausgebildet ist oder wird, wobei das
Wicklungsmaterial - zumindest teilweise, lokal und/oder abschnittsweise - in einer Banderstreckungsrichtung bandförmig ausgebildet ist, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Banderstreckungsrichtung, und wobei die Wicklung eine in der Banderstreckungsrichtung gewickelte und/oder gefaltete Struktur des bandförmigen Wicklungsmaterials mit einer oder mit mehreren Windungen ist.
Des Weiteren schafft die vorliegende Erfindung einen Stator für einen
mehrdimensionalen Antrieb und insbesondere für einen Planarantrieb.
Der erfindungsgemäße Stator ist mit einer Mehrzahl erfindungsgemäß hergestellter Spulenanordnungen ausgebildet.
Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Mehrzahl von Spulen der Spulenanordnungen ineinander geschachtelt, oder gefächert angeordnet und kommensurabel einer ansprechenden Mehrzahl von Phasen eines Erregersignals zugeordnet sind, um mit diesem beaufschlagt zu werden.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Stators sind oder werden erste und zweite Sätze einer oder mehrere Spulenanordnungen mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens sind, wobei Spulenanordnungen des ersten Satzes und deren Spulen in einer gemeinsamen ersten Raumrichtung x ausgerichtet und/oder angeordnet sind oder werden und wobei
Spulenanordnungen des zweiten Satzes und deren Spulen in einer
gemeinsamen zweiten Raumrichtung y ausgerichtet und/oder angeordnet sind oder werden, welche unterschiedlich ist zur ersten Raumrichtung x und insbesondere senkrecht zu dieser ausgerichtet ist.
Die vorliegende Erfindung schafft des Weiteren einen mehrdimensionalen Antrieb und insbesondere einen Planarantrieb. Der erfindungsgemäße Antrieb weist insbesondere einen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Stator sowie einen Beweger auf, wobei letzterer eine Magnetisierung zur magnetischen Wechselwirkung mit einem vom Stator erzeugbaren Magnetfeld aufweist.
Vorteilhafterweise ist außerdem ermöglicht, Wicklungen einfach, kostengünstig und zeitsparend herzustellen. Gleichzeitig ist ermöglicht, Rohmaterial zum Herstellen der Spulenanordnung bereitzustellen, wobei die Spulenanordnung aus dem Rohmaterial schnell und einfach hergestellt werden kann. Insbesondere umfasst die Spulenanordnung flächige Spulen, die beliebige Abmessungen aufweisen können und die einfach und kostengünstig zu der Spulenanordnung kombinierbar sind. Die Spulenanordnung eines Werkstückträgersystems umfasst bevorzugt zumindest einen Grundkörper. Der Grundkörper weist zumindest eine Leiterbahn auf. Dabei ist vorgesehen, dass die Leiterbahn eine Vielzahl von
Längsabschnitten und Querabschnitten aufweist. Außerdem weist der
Grundkörper zumindest eine Falzstelle auf. An der Falzstelle ist der Grundkörper gefaltet. Durch die Faltung verlaufen zumindest zwei Längsabschnitte und zumindest zwei Querabschnitte der Leiterbahn spiralförmig. Besonders vorteilhaft ist der Grundkörper an einer Vielzahl von Falzstellen gefaltet. Auf diese Weise lässt sich eine Windung einer Spule durch eine Faltung repräsentieren. Dadurch sind die Spulen einfach und kostengünstig herstellbar, da lediglich Leiterbahnen auf dem Grundkörper aufgebracht werden müssen, die eine Vielzahl von
Längsabschnitten und Querabschnitten aufweisen. Durch einen einfachen Bearbeitungsvorgang, das Falten, lässt sich der Grundkörper mit der zumindest einen Leiterbahn einfach und kostengünstig zu einer Spule fertigen. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die Längsabschnitte länger sind als die
Querabschnitte. Durch das Falten des Werkstückträgers ist somit eine flächige, insbesondere längliche, Spule generierbar.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Längsabschnitte parallel zueinander verlaufen. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die Querabschnitte unter einem Winkel zwischen 0° und 90° zu den Längsabschnitten verlaufen. Somit ist vorgesehen, dass nach einem Falten die Längsabschnitte gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Durch die Querabschnitte ist eine Verbindung der Längsabschnitte untereinander ermöglicht. Dies erlaubt das einfache und kostengünstige Herstellen einer Spule durch Falten des Grundkörpers mit der zumindest einen Leiterbahn.
Die zumindest eine Falzstelle verläuft bevorzugt senkrecht zu den
Längsabschnitten und mittig durch die Querabschnitte. Auf diese Weise wird die Leiterbahn derart geformt, dass zwei Längsabschnitte parallel zueinander und gegenüberliegend verlaufen, während jeder Querabschnitt in eine Bogenform überführt wird. Dies führt zu dem Formen einer Spirale, wobei die Spirale durch Falten an einer Vielzahl solcher Falzstellen vergrößert werden kann. Auf diese Weise lässt sich einfach und kostengünstig eine Spule herstellen.
Jede Leiterbahn erstreckt sich bevorzugt monoton entlang einer
Erstreckungsrichtung. Der Grundkörper weist somit die Erstreckungsrichtung auf, entlang derer sich jede Leiterbahn erstreckt. Unter monoton ist zu verstehen, dass sich die Leiterbahn an keiner Stelle des Grundkörpers entgegen der Erstreckungsrichtung erstreckt. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich jede Leiterbahn streng monoton entlang einer Erstreckungsrichtung erstreckt. Darunter ist zu verstehen, dass die Leiterbahn zusätzlich zu der zuvor genannten
Definition auch nicht genau senkrecht zu der Erstreckungsrichtung verläuft.
Bevorzugt weist die Spulenanordnung einen ersten Grundkörper und einen zweiten Grundkörper auf. Dabei ist vorgesehen, dass der erste Grundkörper und der zweite Grundkörper durch abwechselndes Falten ineinander verschachtelt sind. Auf diese Weise lassen sich mehrere Spulen für die Spulenanordnung bereitstellen. Insbesondere zum Bewegen eines Werkstückträgers in einer Ebene sind mehrere Spulen notwendig. Um dennoch einen gleichen mittleren Abstand des Werkstückträgers zu jeder Spule sicherzustellen, sind die Spulen verschachtelt. Eine solche Verschachtelung ist durch die Spulenanordnung einfach und kostengünstig herstellbar, indem ein abwechselndes Falten des ersten Grundkörpers und des zweiten Grundkörpers nacheinander erfolgt. Auf diese Weise überlappen sich die Grundkörper gegenseitig, was zu einer
Verschachtelung führt. Werden von Seiten des Antriebs mehr als zwei unterschiedliche Richtungen gefordert, so ist dies ebenfalls möglich. Die
Spulenanordnung kann daher weitere Grundkörper aufweisen, die mit dem ersten Grundkörper und dem zweiten Grundkörper verschachtelt sind.
Besonders vorteilhaft sind die Längsabschnitte der zumindest einen Leiterbahn des ersten Grundkörpers senkrecht zu den Längsabschnitten der zumindest einen Leiterbahn des zweiten Grundkörpers ausgerichtet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass ein Werkstückträger durch die Spulenanordnung in alle Richtungen innerhalb eines dreidimensionalen Raumes bewegt werden kann. Somit kann der freischwebende Werkstückträger beliebig bewegt werden.
Der Grundkörper weist bevorzugt zwei Isolationselemente auf. Zwischen den Isolationselementen ist die zumindest eine Leiterbahn eingebracht. Somit ist insbesondere vorgesehen, dass die Leiterbahn vollständig gegenüber einer Umgebung isoliert ist. Diese Isolation erfolgt insbesondere mechanisch und/oder elektrisch. Die Isolationselemente sind bevorzugt Folien, die miteinander verschweißt werden können. Alternativ sind andere, insbesondere
stoffschlüssige, Befestigungsverfahren möglich. Bei der Leiterbahn handelt es sich vorteilhafterweise um ein Stanzelement, das vorgefertigt werden kann. Die Leiterbahn ist somit durch die Isolationselemente geschützt. Gleichzeitig erlauben die Isolationselemente ein Falten des Grundkörpers. Das Herstellungsverfahren zum Herstellen der Spulenanordnung umfasst insbesondere die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt ein Bereitstellen zumindest eines Grundkörpers, der zumindest eine Leiterbahn aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Leiterbahn eine Vielzahl von Längsabschnitten und Querabschnitten aufweist. Anschließend erfolgt ein Falten des Grundkörpers an zumindest einer Falzstelle. Die Falzstelle ist bevorzugt vordefiniert. Auf diese
Weise wird die Leiterbahn derart geformt, dass zumindest zwei Längsabschnitte und zumindest zwei Querabschnitte spiralförmig verlaufen. Somit ist durch das Falten auf einfache und kostengünstige Weise eine Spule herstellbar, die in einer Spulenanordnung eines Werkstückträgers verwendet werden kann. Die Spule kann dabei je nach Ausgestaltung der Längsabschnitte und Querabschnitte beliebig geformt sein. Durch das Falten besteht eine einfache Möglichkeit, um die Leiterbahn zu einer Spule zu formen.
Das Bereitstellen des Grundkörpers umfasst vorteilhafterweise die folgenden Schritte: Zunächst erfolgt das Bereitstellen zweier Isolationselemente. Bei den
Isolationselementen kann es sich insbesondere um Folien handeln. Die
Isolationselemente sind oben bereits beschrieben. Außerdem wird bevorzugt zumindest eine Leiterbahn bereitgestellt. Bei der Leiterbahn kann es sich insbesondere um einen Ausschnitt aus einem Blech handeln. Die Leiterbahn lässt sich insbesondere durch Stanzen herstellen. Anschließend erfolgt ein
Schritt des Einsetzens der Leiterbahn zwischen die Isolationselemente. Somit lässt sich insbesondere eine variable Leiterbahn in dem Grundkörper
bereitstellen. Die Leiterbahn kann je nach Anwendungsfall unterschiedliche Längsabschnitte und/oder Querabschnitte aufweisen. Diese lassen sich durch ein Stanzverfahren einfach und kostengünstig realisieren. Anschließend erfolgt das Einsetzen zwischen die Isolationselemente, sodass die Leiterbahn vor äußeren Einflüssen geschützt ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Leiterbahn durch einen
Stanzvorgang aus einem Rohmaterial gestanzt wird. Das Rohmaterial ist insbesondere ein Blechelement. Werden bevorzugt mehrere Leiterbahnen in dem Grundkörper vorgesehen, so werden bevorzugt mehrere Leiterbahnen, insbesondere mehrere gleichartige Leiterbahnen, durch einen Stanzschritt aus dem Rohmaterial ausgestanzt. All diese Leiterbahnen können dann in dem Grundkörper derart bereitgestellt werden, indem diese zwischen die
Isolationselemente eingesetzt werden. Durch das Einsetzen in die
Isolationselemente werden somit sämtliche Leiterbahnen in ihrer relativen
Ausrichtung zueinander fixiert. Somit ist ein Verschieben und/oder Verrutschen der Leiterbahnen verhindert.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein magnetischer Werkstückträger
freischwebend über der Spulenanordnung durch die Spulenanordnung in sechs unabhängigen Freiheitsgraden bewegbar ist. Somit ist der Werkstückträger vollumfänglich durch die Spulenanordnung bewegbar. Die Spulenanordnung stellt daher einen Stator eines planaren Antriebs dar.
Bevorzugt werden zwei Grundkörper verwendet. Die zwei Grundkörper sind in einem Winkel von 90° zueinander ausgerichtet. Insbesondere wird die Richtung eines jeden Grundkörpers durch die Längsabschnitte der Leiterbahnen bestimmt. Werden drei Grundkörper verwendet, so ist vorteilhaft, wenn alle Grundkörper einen Winkel von 120° zueinander einnehmen. Alternativ können zwei
Grundkörper einen Winkel von 90° zueinander einnehmen, während ein dritter Grundkörper einen Winkel von 45° zu den beiden anderen Grundkörpern einnimmt. Andere Winkel sind ebenfalls möglich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
Figur 1 ist eine perspektivische Draufsicht auf einen
erfindungsgemäßen mehrdimensionalen Antrieb. Figur 2 ist eine schematische und teilweise geschnittene
Draufsicht auf einen Stator einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen mehrdimensionalen Antriebes.
Figuren 3 und 4 zeigen in Draufsicht Ausführungsformen von Folien, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Spulenanordnung verwendet werden können.
Figuren 5-1 bis 6-3 zeigen in schematischen und geschnittenen
Seitenansichten Zwischenzustände, die beim Herstellen von Folien zur Ausbildung von Spulenanordnungen erreicht werden.
Figuren 7 bis 9 zeigen Zwischenzustände von Faltvorgängen.
Figuren 10-1 bis 10-6 sind schematische Draufsichten auf verschiedene
Zwischenzustände, die beim erfindungsgemäßen Herstellen einer Wicklung einer Spulenanordnung erreicht werden.
Figur 1 1 -1 zeigt in schematischer und perspektivischer Draufsicht
Aspekte einer erfindungsgemäß hergestellten
Spulenanordnung.
Figur 1 1 -2 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener perspektivischer Ansicht Aspekte eines bei der erfindungsgemäßen Herstellung einer Spulenanordnung verwendeten Bandes.
Figur 12 zeigt eine erfindungsgemäß hergestellte
Spulenanordnung mit einer Spule mit mehreren Windungen in der zu Grunde liegenden Wicklung. Figuren 13 bis 26 zeigen Ansichten anderer erfindungsgemäß
hergestellter Spulenanordnung und deren Details. Figur 27 eine schematische Ansicht eines Grundkörpers
Spulenanordnung gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 28 eine schematische Ansicht eines ungefalteten und eines gefalteten Grundkörpers einer Spulenanordnung gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 29 eine schematische Ansicht eines ungefalteten und eines gefalteten Grundkörpers einer Spulenanordnung gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 30 eine schematische Ansicht von zwei verschachtelten
Grundkörpern der Spulenanordnung gemäß dem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figur 31 eine schematische Ansicht einer Faltreihenfolge der
Grundkörper der Spulenanordnung gemäß dem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 26
Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und
Komponenten wiedergegeben.
Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Figur 1 zeigt in perspektivischer Draufsicht einen erfindungsgemäßen
mehrdimensionalen Antrieb 100, welcher gebildet wird von einem Stator 120 angeordnet in einer zur xy-Ebene parallelen Ebene und welcher eine Mehrzahl von Spulen 20 mit Wicklungen 30 innerhalb einer erfindungsgemäßen
Spulenanordnung 10 entlang der x-Richtung sowie innerhalb einer
entsprechenden Spulenanordnung 10 mit einer Mehrzahl von Spulen 20 und Wicklungen 30 in der y-Richtung. Auf der Oberseite des Stators 120 ist ein
Bewegungselement angeordnet, das auch als Beweger 1 10 bezeichnet wird. Auf seiner Unterseite weist der Beweger 1 10 eine Magneteinrichtung 1 1 1 auf. Diese kann von einer Anordnung von Permanentmagneten gebildet werden. In Betrieb wird der Stator 120 gesteuert mit elektrischem Strom derart gesteuert mehrphasig beaufschlagt, dass die Spulenanordnungen 10 mit den Spulen 20 und den Wicklungen 30 entlang der x-Richtung und entlang der y-Richtung ein magnetisches Wechselfeld erzeugen, das in Wechselwirkung mit Magnetfeldern der Magneteinrichtung 1 1 1 der Beweger 1 10 in gesteuerter Art und Weise mehrdimensional - in der Ausführungsform der Figur 2 im Wesentlichen in der
Ebene xy - bewegbar ist.
Mit Einschränkung können alle sechs Freiheitsgrade angesteuert werden. Figur 2 ist eine schematische und teilweise geschnittene Draufsicht auf einen
Stator 120 mit erfindungsgemäßen Spulenanordnungen 10 in x-Richtung und in y-Richtung und mit entsprechenden Spulen 20, welche Wicklungen 30 aufweisen. In Figur 2 ist zu erkennen, dass in x-Richtung und in y-Richtung die Spulen 20 der Spulenanordnungen 10 in den x- und y-Richtungen mehrfach ineinander geschachtelt oder gefächert sind, um entlang der jeweiligen Richtung x und y entsprechend einer Mehrzahl verwendeter Phasen eines Wechselstroms unterschiedliche Phasen eines Magnetfeldes erzeugen zu können, die zueinander in zeitlich-räumlicher Beziehung stehen, um die gewünschte mehrdimensionale Bewegung realisieren zu können.
Figur 3 zeigt eine erste Ausführungsform einer Folie 35, die bei einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Spulenanordnung 10 verwendet werden kann. Die Folie 35 gemäß Figur 3 weist drei Leiterbahnen in Form von Folienbänder 34 auf, welche drei auszubildenden Spulen 20 zugeordnet sind, die auch als Spulen 20-1 , 20-2, 20-3 bezeichnet werden, entlang einer Banderstreckungsnchtung 32 als Hauptrichtung - hier parallel zur x-Richtung - zueinander abschnittsweise parallel verlaufende Bandabschnitte aufweisen, in einer
Quererstreckungsrichtung - hier insbesondere parallel zur y-Richtung - direkt zueinander benachbart sind und im Wesentlichen senkrecht zur
Banderstreckungsnchtung 32 und zwischen sich eine Isolation 37 aufweisen.
Zwischen den einzelnen Bandabschnitten der Folienbänder 34 in der
Banderstreckungsnchtung 32 sind Faltabschnitte 52 mit Faltlinien 51 ausgebildet. Die Faltlinien 51 verlaufen senkrecht zur Banderstreckungsnchtung 32.
Zwischen Abschnitten der Folienbänder 34 parallel zur Banderstreckungsnchtung 32 sind Abschnitte der Folienbänder 34 im Faltbereich 52 in einem Winkel von hier 45° zur Banderstreckungsnchtung 32 als Hauptrichtung ausgebildet. Auch dort verlaufen die Abschnitte der Folienbänder 34 parallel zueinander, sind direkt zueinander benachbart angeordnet und zueinander mittels der Isolation 37 elektrisch isoliert.
Beim Herstellungsverfahren unter Verwendung der in Figur 3 dargestellten Folie 35 kann unter mehrfacher Faltung entlang der Faltlinien 51 mittels eines vergleichsweise einfachen Faltprozesses eine Mehrzahl von Wicklungen 30, hier für die drei Spulen 20-1 , 20-2, 20-3 erstellt werden.
Weitere Aspekte dieser Struktur und der damit verbundenen vergleichsweise einfachen Faltungsvorgänge werden im Zusammenhang mit den weiteren Figuren 7, 8 und 9 erläutert.
Durch die Bandabschnitte der einzelnen Folienbänder 34 im Faltbereich 52 im 45-Grad-Winkel entstehen zwischen benachbarten Faltbereichen 52 mit
Faltlinien 51 unkontaktierte oder inaktive Bereiche 50, welche für die Struktur der auszubildenden Spulen 20-1 , 20-2, 20-3 der zu erzeugenden Spulenanordnung 10 nicht zur Verfügung stehen. Hier ist vornehmlich kein Material oder ggf. nur ein Hilfsmaterial ausgebildet. Alternativ zu der in Figur 3 dargestellten Struktur für eine Folie 35 ist eine vereinfachte Ausführungsform der Folie 35 gemäß Figur 4 einsetzbar.
Auch hier sind mehrere Folienbänder 34, hier wieder mit der Anzahl drei, zueinander parallel entlang einer Banderstreckungsrichtung 32 als Hauptrichtung parallel zur x-Richtung direkt zueinander benachbart und voneinander durch eine elektrische Isolation 37 angeordnet. Die einzelnen Folienbänder 34 sind wieder unterschiedlichen Spulen 20-1 , 20-2, 20-3 zugeordnet, die im Zusammenhang mit einem entsprechenden Faltprozess erfindungsgemäß ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Figur 4 ist die Struktur der einzelnen
Folienbänder 34, die zur Vereinfachung auch einfach als Bänder bezeichnet werden, mit ihren Isolationen 37 dazwischen im Vergleich zur Ausführungsform der Figur 3 einfacher gestaltet. Jedoch ergibt sich mit dieser vereinfachten Struktur ein vergleichsweise komplexer Faltvorgang, wie dies auch im
Zusammenhang mit den weitergehenden Figuren 10-1 bis 18 beschrieben wird.
Die Figuren 5-1 bis 5-4 zeigen Aspekte von Einzelschritten einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine Ausführungsform der Folie 35.
Ausgangspunkt ist gemäß Figur 5-1 ein Träger 39, ebenfalls nach Art einer Folie und ausgebildet mit einer Oberseite 39-1 und einer Unterseite 39-2. Im Übergang zum Zustand gemäß Figur 5-2 wird auf der Oberseite 39-1 eine
Anordnung von Bändern 34 aus einem Wicklungsmaterial 31 in elektrisch leitfähiger Form ausgebildet, wobei zwischen direkt zueinander benachbarten Bändern 34 Zwischenräume 39-3 verbleiben. Im Übergang zu dem in Figur 5-3 gezeigten Zwischenzustand werden die
Zwischenräume 39-3 mit einer Isolation 37 aufgefüllt.
Die so erhaltene Anordnung wird dann optional im Übergang zu dem in Figur 5-4 gezeigten Zwischenzustand mit einem weiteren Träger 39 abgedeckt. Bei Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens können Folien 35 sowohl ohne Deckträger 39 gemäß Figur 5-3 als auch mit Deckträger 39 gemäß Figur 5-4 eingesetzt werden.
Alternativ zu der Herstellung der erfindungsgemäß einsetzbaren Folie 35 nach den Figuren 5-1 bis 5-4 kann eine derartige Folie 35 auch nach der Abfolge gemäß den Figuren 6-1 bis 6-3 hergestellt werden.
Ausgangspunkt ist hier das Vorlegen eines Wicklungsmaterials 31 mit oder aus einer zusammenhängenden elektrisch leitfähigen Komponente 31 -1 .
Durch eine Strukturierungsmaßnahme 80 wird an vorbestimmten Bereichen in der zusammenhängenden elektrisch leitfähigen Komponente 31 -1 entweder das der leitfähigen Komponente 31 -1 zu Grunde liegende Material direkt in eine Isolation 37 umgewandelt oder es wird zunächst eine Lücke ausgebildet, die mit einem Verbindungsmaterial 38 aufgefüllt wird, um so die Isolation 37 zu bilden.
Gemäß Figur 6-3 entsteht dann die Folie 35 mit Bändern 34 mit oder aus der leitfähigen Komponente 31 -1 des Wicklungsmaterials 31 und der Isolation 37 dazwischen, welche auch als Verbindung 38 zwischen den Bändern 34 dient.
Die Figuren 7 bis 9 beschreiben Details einer Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens unter Verwendung einer Folie 35, wie sie im Zusammenhang mit Figur 3 erläutert wurde.
Nach Faltung entlang der Faltlinien 51 in den Faltbereichen 52 entsteht zunächst die in Figur 7 dargestellte dreidimensionale Struktur für eine Spulenanordnung 10 mit drei Spulen 20-1 , 20-2, 20-3, wobei für jede Spur oder Trasse bei dieser Ausführungsform für je zwei Schichten oder Ebenen für jede der Spulen 20-1 , 20-2, 20-3 eine Windung oder Stromschleife erzeugt wird.
Durch Ineinanderschachteln einer Mehrzahl derartiger Strukturen gemäß Figur 7 ergibt sich die in Figur 8 dargestellte Anordnung aus einer Mehrzahl von
Spulenanordnungen 10 gemäß Figur 7, nämlich mit einer Spulenanordnung 60 für die x-Richtung und eine Spulenanordnung 70 für die y-Richtung, jeweils mit ersten, zweiten und dritten Spulen 20-1 , 20-2, 20-3, die jeweils den entsprechenden Stromphasen zugeordnet sind und auf der Grundlage der oben beschriebenen Folie 35 hergestellt sind.
Zu erkennen sind wiederum die inaktiven Bereiche 50 der Folie 35, wie sie oben im Detail erläutert wurden.
Figur 9 zeigt einen Zwischenzustand im Zusammenhang mit dem Faltvorgang für eine Anordnung von Spulen 20-1 , 20-2, 20-3, bei welcher die Enden 41 -1 und 41 -2 abgebogene Wickelköpfe der einzelnen Spulen 20-1 , 20-2, 20-3 bilden oder aufweisen.
Nachfolgend werden Details beschrieben, die insbesondere den lokalen Aufbau der Faltungsstrukturen beim Ausgestalten einer Spulenanordnung 10 aus einer Folie 35 betreffen:
Die Figuren 10-1 bis 10-6 zeigen verschiedene Aufbauphasen einer Windung 40 einer Wicklung 30 einer Spule 20 einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10.
Gemäß Figur 10-1 wird von einem einzelnen Folienband 34, welches
nachfolgend auch einfach als Band bezeichnet wird und aus einem
Wicklungsmaterial 31 besteht, ausgegangen.
Das Band 34 mit dem Wicklungsmaterial 31 besitzt einen bandartigen Aufbau entlang einer Erstreckungsrichtung 32, die auch als Haupterstreckungsrichtung bezeichnet wird. Die Erstreckungsrichtung 32 entspricht in dem in Figur 10-1 gezeigten Zustand der x-Richtung. In einer ersten Quererstreckungsrichtung, die hier mit der Richtung y übereinstimmt, weist das Band 34 eine bestimmte Breite auf. In einer zweiten Quererstreckungsrichtung, die hier mit der z-Richtung übereinstimmt, weist das Wicklungsmaterial 31 des Bandes 34 eine bestimmte Höhe oder Stärke auf. Die Querschnittsgestalt des Bandes 34 ist vorzugsweise rechteckig im Schnitt einer zur yz-Ebene parallelen Schnittebene.
An einer bestimmten Stelle X1 wird im Übergang vom Zustand gemäß Figur 10-1 zum Zustand gemäß Figur 10-2 das eine freie Ende des Bandes 34, hier das Ende auf der rechten Seite in Figur 10-1 , nach unten und vorne umgeschlagen, so dass im Bereich der Stelle X1 ein erstes Ende 41 -1 mit einer ersten Faltung 45 entsteht und das umgeschlagene freie Ende des Bandes 34 nunmehr in die y- Richtung zeigt.
Dabei wird ein minimaler Biegeradius angestrebt, innen idealerweise nahe bei null.
Auf diese Weise entsteht ein erster linearer Abschnitt 41 in der ursprünglichen Banderstreckungsrichtung 32 und ein senkrecht nach unten in y-Richtung verlaufendes freies Ende des Bandes 34.
An das so definierte erste Ende 41 -1 des ersten linearen Abschnittes 41 schließt sich dann ein kurzer Abschnitt an, der als Verbindungsstück 44 fungiert und an seinem Ende eine zweite Stelle X2 aufweist.
Im Übergang zu dem in Figur 10-3 gezeigten Zustand wird das freie Ende des Bandes 34 mit dem an die erste Faltung 45 anschließenden Verbindungsstück 44 an der Stelle X2 in einem Winkel von 45° nach oben umgeschlagen, um so eine zweite Faltung 46 auszubilden, an welche sich ein zweiter linearer Abschnitt 42 des Bandes 34 anschließt.
In dem in Figur 10-3 gezeigten Zwischenzustand liegen ein erster linearer Abschnitt 41 und ein zweiter linearer Abschnitt 42, welche erste Enden 41 -1 und 42-1 , die einander gegenüberliegen, sowie zweite Enden 41 -2 und 42-2 aufweisen, die ebenfalls einander gegenüberliegen. Die ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 und 42 sind in etwa parallel zueinander ausgerichtet und bilden einen planaren Aufbau. Der zweite Linearabschnitt 42 läuft der
ursprünglichen Banderstreckungsrichtung 32 entgegen und somit in einer zur x- Richtung antiparallelen Richtung.
Auf diese Art und Weise ist gemäß Figur 10-3 eine erste halbe Wicklung der Spule 20 der Spulenanordnung 10 ausgebildet.
Am zweiten Ende 42-2 des zweiten linearen Abschnittes 42 wird
gegenüberliegend zum zweiten Ende 41 -2 des ersten linearen Abschnittes 41 eine weitere Position X3 definiert, die der Ausbildung einer ersten Faltung 45 am zweiten Ende 42-2 des zweiten linearen Abschnittes 42 des Bandes 34 durch Umschlagen des freien Endes des Bandes 34 in einem Winkel von 45° nach unten dient. Der freie Abschnitt des Bandes 34 ist senkrecht zur ursprünglichen Banderstreckungsrichtung 32 und entgegen der y-Richtung ausgerichtet.
An diese erste Faltung 45 am zweiten Ende 42-2 schließt sich ein
Übergangsabschnitt 47 des freien Endes des Bandes 34 an, welches dem
Verbindungsstück 44 an den ersten Enden 41 -1 und 42-1 der ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 , 42 gegenüberliegt.
Am Ende des Übergangsabschnittes 47 wird eine Position X4 definiert, die der Ausbildung einer zweiten Faltung 46 des freien Endes des Bandes 34 dient.
Diese zweite Faltung 46 erfolgt durch Umschlagen des zweiten Endes des Bandes 34 nach oben in einem Winkel von 45°, so dass dann gemäß Figur 10-6 das freie Ende des Bandes 34 wieder in Richtung der ursprünglichen
Banderstreckungsrichtung 32 orientiert ist.
Durch Ausführung der Faltung an der Position X4 nach unten - in den Figuren 10 bis 13 nach oben dargestellt - kann eine spiralförmige Spulengestalt erzielt werden. Durch die Abfolge der Zustände der Figuren 10-1 bis 10-6 wird eine einzelne
Windung 40 der Wicklung 30 einer Spule 20 der erfindungsgemäßen
Spulenanordnung 10 ausgebildet.
Eine erfindungsgemäße Spulenanordnung 10 kann in einer Spule 20 nicht nur eine Windung in der jeweiligen Wicklung 30 aufweisen. In der Figur 1 1 -1 ist eine
Spule 20 der Spulenanordnung 10 in perspektivischer Ansicht von oben dargestellt, deren Wicklung 30 drei Windungen 40 aufweist.
Diese Spule 20 hat eine im Wesentlichen planare Gestalt. Die ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 und 42 einer jeweiligen Windung 40 der Wicklung 30 sind zueinander jeweils parallel ausgerichtet. Dasselbe gilt für die jeweiligen
Verbindungsstücke 44 zwischen den ersten und zweiten linearen Abschnitten 41 , 42 und auch für die Übergangsabschnitte 47 zwischen den jeweiligen Windungen 40 der Wicklung 30 der Spule 20. Die ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 und 42 liegen über dem
Verbindungsstück 44. Dies ist für die Verschachtelung gemäß Figur 14 notwendig.
Im Bereich der zweiten Enden 41 -2, 42-2 ist bei der Ausführungsform gemäß Figur 1 1 -1 das freie Ende des Bandes 34 entsprechend abgelängt, steht senkrecht aus der xy-Ebene hervor, in welcher die Spulenanordnung 10 mit den Windungen 40 der Wicklung 30 im Wesentlichen ausgerichtet ist, läuft entgegen der z-Richtung nach unten und bildet z.B. einen Anschlussabschnitt 49.
Bei anderen Ausführungsformen kann der Anschlussabschnitt 49 auch in der z- Richtung senkrecht nach oben oder aber auch entgegen der x- oder y-Richtung und lateral nach außen geführt werden. Jedoch ergibt die Anordnung gemäß Figur 1 1 -1 einen besonders kompakten Aufbau.
Figur 1 1 -2 zeigt den oben bereits erwähnten rechteckigen Querschnitt des Wicklungsmateriales 31 des Bandes 34, welches der Wicklung 30 der Spule 20 der Spulenanordnung 10 zu Grunde liegt. Gemäß der Darstellung der Figur 1 1 -2 wird das Wicklungsmaterial 31 gebildet von einer leitfähigen Komponente 31 -1 , die den Kern des Wicklungsmaterials 31 bildet. Der Kern mit der leitfähigen Komponente 31 -1 wird von einem Isolationsmaterial 31 -2 umgeben. Das Band 34 insgesamt erstreckt sich in der Banderstreckungsnchtung 32, die in Figur 1 1 -2 mit der x-Richtung zusammenfällt.
Das Isolationsmaterial 31 -2 kann eine zusätzlich aufgebrachte Beschichtung, zum Beispiel in Form eines Lackes oder Oxides, sein. Bevorzugt ist jedoch, dass das Isolationsmaterial 31 -2 insbesondere inhärent aus der leitfähigen
Komponente 31 -1 gewonnen wird. Dies kann zum Beispiel ein natives Oxid sein, wie es bei Aluminium vorliegt. Es kann sich aber auch um ein künstlich generiertes Umwandlungsmaterial handeln, zum Beispiel um eine zusätzlich verstärkte Ausführungsform eines nativ ausgebildeten Oxids der leitfähigen Komponente 31 -1 .
Zusätzlich zur elektrischen Isolation ist eine gute thermische Leitfähigkeit für das Material bevorzugt. Die Figuren 12 bis 16 zeigen verschiedene Details von Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10 mit einer Mehrzahl von Windungen 40 in jeder Wicklung 30 jeder Spule 20 in perspektivischer Seitenansicht. Dabei wird jede Windung 40 einer Wicklung 30 gebildet von einem einzelnen
Band 34 eines Wicklungsmateriales 31 . Jede Windung 40 weist zwei in der Banderstreckungsrichtung 32, hier parallel zur x-Richtung, länglich erstreckte erste und zweite lineare Abschnitte 41 und 42 auf. Die linearen Abschnitte 41 , 42 besitzen an ihren ersten Enden 41 -1 bzw. 42-1 erste und zweite Faltungen 45 und 46, die verbunden sind durch ein Verbindungsstück 44. Auf diese Weise kehrt sich die Erstreckung der jeweiligen Windung 40 um 180° um, so dass die Spule 20 eine insgesamt spiralförmig verlaufende Wicklung 30 mit einer
Mehrzahl von Windungen 40 bildet. Bei der Ausführungsform der Figur 12 wird die Wicklung 30 von drei Windungen
40 gebildet.
Bei der Ausführungsform der Figur 13 sind zwei Windungen 40 in der
Banderstreckungsrichtung 32 in der Wicklung 30 vorgesehen. Die Ansicht zeigt die zweiten Enden 41 -2 und 42-2 der ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 ,
42, die jeweils mit ersten und zweiten Faltungen 45 und 46 mit einem
Übergangsabschnitt 47 zwischen aufeinander folgenden Windungen 40 der Wicklung 30 ausgebildet sind. Das freie Ende der Spule 20 der Spulenanordnung 10 bildet wieder einen Anschlussabschnitt 49.
Die Spulenanordnung 10 gemäß Figur 14 umfasst drei einzelne Spulen 20, die mit 20-1 , 20-2, 20-3 bezeichnet sind, und zwar für unabhängige Phasen eines erregenden elektrischen Stroms, die im Betrieb über voneinander unabhängige Anschlussabschnitte 49 eingespeist werden. Die einzelnen Spulen 20 selbst erstrecken sich in der Banderstreckungsrichtung 32 parallel zur x-Richtung und sind aber in der Querrichtung, welche der y-Richtung entspricht, ineinander geschachtelt und/oder gefächert angeordnet und werden hier zur besseren Veranschaulichung einzeln mit den Bezugszeichen 20-1 , 20-2 bzw. 20-3 bezeichnet. Je nach Anzahl der Phasen eines mehrphasigen Erregerstroms sind entsprechende Anzahlen von Spulen 20-1 , 20-2, ... vorzusehen, um über die räumliche Anordnung zueinander einen für den Antrieb 100 notwendigen räumlichen und zeitlichen Zusammenhang der zu erzeugenden Magnetfelder auszubilden.
Figur 15 zeigt eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen
Spulenanordnung 10 aus Figur 14. Aus dieser Darstellung wird deutlich, dass die mit 20-1 , 20-2, 20-3 bezeichneten einzelnen Spulen 20 der Spulenanordnung 10 mit ihren Wicklungen 30 aus einzelnen Windungen 40 ineinander geschachtelt angeordnet sind. Figur 16 verdeutlicht, wie im Detail die Folienbänder 34 als Bestandteile einer übergeordneten und zusammenhängenden Folie 35 in vorteilhafter Weise bei der erfindungsgemäßen Herstellung und Anordnung einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 100 mit einer Mehrzahl von Spulen 20 eingesetzt werden können.
Die Bänder 34 der Folie 35 sind direkt zueinander benachbart, senkrecht zur Erstreckungsrichtung 32 der einzelnen Bänder angeordnet und voneinander elektrisch isoliert. Die Isolation erfolgt zum Beispiel durch das Vorsehen eines durchoxidierten Trennbereichs zwischen direkt zueinander benachbarten
Folienbänder 34 der Folie 35.
Figur 17 zeigt eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Spulenanordnung 10, bei welcher erste und zweite Enden 41 -1 , 41 -2; 42-1 , 42-2 der linearen Abschnitte 41 und 42 einer Windung 40 der Wicklung 30 der Spule 20 aus der Ebene, hier der xy-Ebene der Spule 20, durch entsprechende
Ausgestaltung der ersten und zweiten Faltungen 45 und 46 herausragen und entgegen der z-Richtung abgewinkelt sind, so dass die Verbindungsstücke 44 und die Übergangsabschnitte 47 nach unten und somit entgegen der z-Richtung aus der xy-Ebene heraus zeigen. Der Anschlussabschnitt 49 ist hier parallel zur xy-Ebene lateral nach außen geführt.
Figur 18 zeigt eine Kombination mehrerer Anordnungen, wie sie in Figur 17 dargestellt sind, um eine Spulenanordnung 10 auszubilden, die drei
aufeinanderfolgende Spulen 20 jeweils in der x-Richtung und in der y-Richtung aufweisen, wobei sich zur Gesamtausgestaltung eines Stators 120 die Abfolge der drei Spulen 20-1 , 20-2 und 20-3 in der x-Richtung und in der y-Richtung für die verschiedenen Phasen des Erregerstroms räumlich wiederholt. An dieser Stelle sei nochmals betont, dass die oben beschriebenen
perspektivischen Ansichten der Figuren 7 bis 9 verschiedene Zwischenstadien eines Wickelprozesses auf der Grundlage einer Folie 35 mit einer Mehrzahl von Folienbändern 34 zur Ausgestaltung einer Mehrzahl von Spulen 20 in einer erfindungsgemäßen Spulenanordnung 10 zeigen.
Figur 7 zeigt eine als dreidimensionale Struktur gefaltete Spulenanordnung 10 mit Einzelspulen 20-1 , 20-2 und 20-3.
Figur 8 zeigt entsprechende Schichten für Spulenanordnungen 10, die in der x- Richtung bzw. in der y-Richtung ausgerichtet sind, wobei die beiden unteren Spulenanordnungen 10 sich in der x-Richtung erstrecken und sich die obere Spulenanordnung 10 in der y-Richtung erstreckt.
Figur 9 zeigt eine konkrete Ausführungsform mit Spulenanordnungen 10 für die x-Richtung und die y-Richtung mit aus der xy-Ebene hinaus abgewinkelten Bereichen der ersten und zweiten Enden 41 -1 , 41-2; 42-1 , 42-2.
Die Figuren 19 bis 26 zeigen in schematischer Form verschiedene
Ausgestaltungsmöglichkeiten der ersten und zweiten Faltungen 45 und 46 im Zusammenhang mit den ersten und zweiten Enden 41 -1 , 41 -2; 42-1 , 42-2 der jeweiligen ersten und zweiten linearen Abschnitte 41 bzw. 42 der Windungen 40 der Wicklungen 30 der Spulenanordnungen 10.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert:
Für Planarantriebe werden Magnetfelder benötigt, welche z.B. auf der Grundlage der folgenden Vorgehensweisen erzeugt werden können.
Die vorliegende Erfindung betrifft unter anderem die Herstellung einer flachen Spulenanordnung 10 oder Spule 20 aus strukturierten Folien, insbesondere Folien mit oder aus Metall.
Erfindungsgemäß wird eine Spulenanordnung 10 als Erzeugnis aus einer strukturierten Folie und insbesondere aus einer strukturierten Metallfolie hergestellt. Eine derartige Spulenanordnung 10 ist dazu ausgebildet, ein periodisches magnetisches Feld zu erzeugen, insbesondere mit einer maximalen Anzahl an Stromschleifen sowohl in der x- als auch in der y-Richtung.
Bevorzugter Weise ergibt sich dabei in der Verwendung des Erzeugnisses folgende Funktion:
Die erfindungsgemäß hergestellte Spulenanordnung 10 besteht aus Leitungen oder Windungen 40, welche einen dreiphasigen Strom fördern. Der Aufbau der Spulenanordnung 10 wird durch das Herstellungsverfahren derart gebildet, dass nach drei aufeinander folgenden Windungen - 1 , 2, 3 mit jeweils 60° an elektrischer Winkeldifferenz - die erste Windung in entgegengesetzter Richtung - also in der Richtung -1 - zurückgeführt wird, wodurch sich wiederum eine
Winkeldifferenz von 60 ° in Bezug auf die Windung 3 ergibt. Dadurch wird ein periodischer Feldaufbau der Spulenanordnung erzeugt, wodurch mit sechs Trassen, Spuren oder Windungen eine volle Periode mit 360° entsteht.
Die Idee des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens basiert auf dem Konzept, eine - insbesondere strukturierte - Folie, also ein elastisches und mit einem leitfähigen Material in strukturierter Form ausgebildetes Material zu Grunde zu legen und zu einer Struktur einer Spulenanordnung zu falten.
Mit einem derartigen Vorgehen können verfahrensmäßig folgende Aspekte aufgegriffen und die nachfolgend beschriebenen Probleme gelöst werden:
(1 ) Wiederverbindungsbereich oder Rückverbindungsbereich (Reconnection Area): In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, dass eine Mehrzahl von Einheiten der Spulenanordnung 10 in einer zweidimensionalen
Anordnung mit einer möglichst geringen Anzahl und mit einem möglichst geringen Anteil an so genannten Totflächen oder Totbereichen zwischen den einzelnen Spulenanordnungen ausgebildet werden kann.
Lösungen auf der Grundlage einer PCB-Struktur benötigen einen
bestimmten Bereich oder eine bestimmte Fläche, um sämtliche
Verbindungen zwischen den Trassen oder Windungen der Spulenanordnung auszubilden. Dadurch wird der für den aktiven Bereich nutzbare Raum eingeschränkt, weil ein Platzieren unterhalb des PCB-Substrats nicht möglich ist.
(2) Leiter-zu-lsolator-Verhältnis und Gesamthöhe der Anordnung: Da das
magnetische Feld mit dem Abstand schnell abfällt, ist es wünschenswert, einen Großteil der Anordnung mit einer minimalen Höhe auszugestalten. Bei einem PCB-Substrat ist jedoch eine minimale Schichtstärke der Isolator- /Substratschichten vorgegeben. Dadurch nimmt der Materialfüllfaktor mit der Anzahl der Schichten ab, weil jeweils eine Isolatorfolie mit derselben
Schichtstärke verwendet werden muss.
(3) Komplexität der Anordnung: Die oben beschriebenen Lösungsmöglichkeiten, nämlich das Ausbilden einer Spule 20 aus einem flachen Draht und das Ausbilden von Spulen auf der Grundlage runder Drähte, besitzen im
Vergleich einen komplexen Aufbau für die zu erzeugenden
Spulenanordnungen 10.
Dies ergibt sich auf der Grundlage folgender Überlegungen: - Beide Maßnahmen erfordern den Einsatz komplexer Werkzeuge und anderer Handhabungsgeräte, um die Gestalt der auszubildenden
Spulenanordnungen während der einzelnen Herstellungsschritte aufrecht zu erhalten. - Beim Verwenden flacher Drähte oder Trassen ergibt sich das Problem, dass es sich dabei nicht um Standarddrähte handelt und auch nicht auf automatisierbare Standardprozesse zurückgegriffen werden kann.
- Bei der Verwendung runder Drähte beim Ausgestalten von
Spulenanordnungen entstehen Schwierigkeiten dann, wenn
Materialfüllfaktoren oberhalb von 70 % angestrebt werden. Das theoretische Limit liegt bei etwa 78 % für so genannte X-Y-X-Y-Shifting- Layers und bei 90 % für so genannte X-X-X-X-Konfigurationen, wenn Deformationen vernachlässigt werden. Die damit einhergehenden Probleme werden beim erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahren vermieden, indem flache Spulen auf der Grundlage strukturierter Metallfolien oder ähnlicher Strukturen ausgebildet werden.
Bei der Diskussion der Kernaspekte und der Vorteile der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu bestehenden Konzepten sind auch folgende Überlegungen zu berücksichtigen:
Ein anderer Kernaspekt der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Trennung der Windungen, Spuren oder Trassen (Traces) in Kombination mit dem Erhalt der Gesamtform (over-all shape) und der mechanischen Integrität der zu Grunde liegenden Folien. Dies ermöglicht ein Ersetzen separater und auf jeden einzelnen Draht bezogener Manipulationen, die herkömmlicherweise ergriffen werden müssten, indem beim Anordnen und Platzieren der einzelnen Drähte, Windungen oder Leitungen mit hoher Beweglichkeit zu handhaben wären. Das herkömmliche Vorgehen kann durch ein einfaches Falten der Schichten oder Lagen einer Folie ersetzt werden, wodurch die Handhabungskomplexität und die Komplexität des Aufbaus gegenüber herkömmlichen Vorgehensweisen verringert werden.
Auch die Problematik im Hinblick auf das Leiter-zu-lsolatorverhältnis und in Bezug auf die Gesamthöhe der Anordnung wird durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren, also durch die Verwendung einer strukturierten Folie mit dort enthaltenen entsprechenden Trassen, gelöst. Der theoretisch erreichbare Füllfaktor ist nicht beschränkt und beträgt nahezu 100 %. Mit einer hinreichend dünnen Folie kann auch die Anzahl der Stromschleifen (current loops) gesteigert werden, zum Beispiel mit bis zu 30 Schleifen in jeder Richtung bei einer 50 μηη starken Folie und einer Gesamtstärke von 6 mm für eine zu erzeugende
Spulenanordnung.
Auch die Problematik im Hinblick auf die Rückkontaktierungsbereiche oder -flächen wird vermieden durch die Möglichkeit des Umfaltens oder Biegens der Rückkontaktierungsbereiche unter den jeweils aktiven Bereich einer Spule, wie dies im Zusammenhang mit Figur 1 (Figur 1 aus der englischsprachigen
Erfindungsmeldung neu erstellen!) gezeigt ist. Im Vergleich des Aufwandes und der Kosten für einen derartigen Strukturierungsprozess ergeben sich Vorteile, insbesondere beim Zusammenbau der gesamten Spulenanordnung. Folgende Aspekte sind im Hinblick auf den Aufbau und die Funktion zu berücksichtigen:
Hinsichtlich der Funktion ist es mit dem erfindungsgemäßen
Herstellungsverfahren auf der Grundlage einer Folie möglich, Windungen oder Wicklungen zum Leiten eines dreiphasigen Stromes auszugestalten. Der Aufbau der Spulenanordnung wird so gewählt, dass nach drei aufeinanderfolgenden Wicklungen - 1 , 2, 3 mit jeweils 60° elektrischer Winkeldifferenz - der erste Draht in der entgegengesetzten Richtung (der Richtung 1 -) - zurückgeführt wird und dadurch wiederum eine 60°-Differenz in Bezug auf den Draht 3 oder die Leitung 3 aufweist. Dadurch wird eine periodische Struktur des zu erzeugenden magnetischen Feldes gewährleistet. Die Spulenanordnung wird verwendet, um ein System unter der Verwendung elektrischer Ströme in der X-Richtung und in der Y-Richtung zu bewegen, und zwar in vollständig unabhängiger Art und Weise, nämlich durch Wechselwirkung mit Permanentmagneten z.B. im Sinne einer Konfiguration nach Hallbach.
Die erfindungsgemäße verfahrenstechnische Lösung beruht unter anderem auf folgenden Aspekten:
Bei der unten dargestellten Tabelle 1 wird schematisch der Querschnitt einer erfindungsgemäß hergestellten Spulenanordnung gezeigt. Die Y-Schichten haben exakt dieselbe Struktur, sind jedoch um 90° relativ zu den X-Schichten rotiert. Die unten beschriebene Struktur besitzt die Länge einer vollständigen magnetischen Periode für eine Hallbach-Anordnung und die Spulen. Eine tatsächliche Anordnung wird im Allgemeinen eine Länge von mehreren magnetischen Perioden aufweisen.
1 2 3 nächste Spule
Y-Schicht/Ebene
nicht verbundener Bereich 1 - 2- 3-
Y-Schicht/Ebene
1 2 3 nächste Spule
Y-Schicht/Ebene
nicht verbundener Bereich 1 - 2- 3-
Y-Schicht/Ebene Tabelle 1
In Bezug auf die elektrische Leistung können die Spulensätze gemäß Tabelle 1 nicht voneinander unabhängig gesteuert werden, weil ihre Windung miteinander interferieren.
Tabelle 1 zeigt also eine Möglichkeit der Anordnung der Spulen innerhalb einer Spulenanordnung unter Verwendung einer strukturierten Folie, wie sie in Figur 3 dargestellt ist.
In Bezug auf eine alternative oder zusätzliche Lösung sind folgende Aspekte zu berücksichtigen:
Verglichen mit der eben beschriebenen Lösung nehmen die Schichten jeder Spule die vollständige Schicht ein und nutzen diese. Dies erhöht den Nutzgrad des zur Verfügung stehenden Raumes. Dies kann insbesondere realisiert werden durch Falten der Spule über mehr als 180°. Die Spulensätze können unabhängig voneinander angesteuert werden.
Die unten gegebene Tabelle 2 zeigt eine andere Ausführungsform, die in vorteilhafterweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, wobei sich der Vorteil ergibt, dass jeweils dieselbe Spule auf derselben Ebene liegt.
Figure imgf000034_0001
Tabelle 2
Die Spulen müssen einen maximalen Materialfüllfaktor aufweisen, um die Leitfähigkeit zu maximieren. Dadurch werden ohmsche Verluste verringert. Die Materialfüllfaktoren unterstützen auch die Wärmedissipation, wodurch sich ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß herstellbaren Designs ergibt. Im Hinblick auf den Aufbau ist Folgendes zu beachten:
Zunächst werden die Trassen oder Spuren auf einer Metallfolie erzeugt, wobei eine Leitung des Stroms von Spur zu Spur zu vermeiden ist, weil jede Spur oder jede Trasse einer separaten Spule - A, B und C in Figur 3 zugeordnet ist.
Um die Trassen oder Spuren der Folie oder auf der Folie zu erzeugen, können unterschiedliche Verfahren eingesetzt werden.
Bei Aluminiumfolien ist eine lokalisierte Anodisierung, ggf. mit lokaler Perforation, Maskierung oder lokaler Katalyse, denkbar. Sowohl für Kupfer als auch für Aluminium besteht die Möglichkeit einer mechanischen Entfernung des Materials zwischen den Trassen oder Spuren und des Auffüllens mit einem Bindemittel, zum Beispiel einem Klebstoff oder dergleichen. Alternativ dazu können auch andere chemische und/oder physikalische Prozesse zum Ändern der
Eigenschaften des ursprünglichen Materials herangezogen werden.
Nach der Strukturierung wird die Folie und/oder die Metallfolie gefaltet. Jeweils zwei Schichten erzeugen eine Spulenwindung in Bezug auf jede Trasse oder Spur, wie dies im Zusammenhang mit der gefalteten Struktur in Figur 7 dargestellt ist. Um eine Anordnung zu erzeugen, welche zwei Spulen in senkrechten Richtungen aufweist, ist es notwendig, im Hinblick auf eine planare Handhabung, zum Beispiel durch Roboter oder dergleichen, Folienschichten oder Ebenen, die in X-Richtung verwendet werden, abzuwechseln mit Ebenen oder Schichten der Folie, die in y-Richtungen verwendet werden. Dies ist im Zusammenhang mit der Gesamtstruktur in Figur 8 dargestellt. Alternativ zu der in den Figuren dargestellten Lösung kann auch ein Satz von drei Spulentrassen genauso als eine gefaltet werden, wie dies im Zusammenhang mit Figur 9 dargestellt ist. Verglichen mit den vorangehend beschriebenen
Ausführungsformen sind die Trassen oder Spuren geradlinig. Selbst eine
Anordnung, zum Beispiel mit einem Bindemittel, von drei Spuren oder Trassen, kann verwendet und auf einmal gefaltet werden.
Es besteht jeweils die Möglichkeit, eine Folie mit den entsprechenden Trassen oder Spuren für das bandartige Material einfach zu strukturieren, wobei sich dann ein vergleichsweise komplexes Faltverfahren einstellt, oder aber eine zu Grunde gelegte Folie mit einer komplexen Struktur für die Trassen oder Spuren des bandartigen Materials auszubilden, wodurch sich nachfolgend das Verfahren zum Falten der Folie zum Ausbilden der einzelnen Spulen der Spulenanordnung vereinfacht.
Figur 27 zeigt schematisch eine Schnittansicht durch einen Grundkörper 3 einer Spulenanordnung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Grundkörper 3 umfasst eine Leiterbahn 34-5, wobei die Leiterbahn 34-5 zwischen zwei Isolationselementen 16 eingebracht ist. Bei den
Isolationselementen 16 handelt es sich insbesondere um Folien, die
stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Isolationselemente 16 zusammen die Folie 35 bilden. Die Leiterbahn 34-5 ist bevorzugt durch einen Stanzvorgang aus einem Blech ausgestanzt. Figur 28 zeigt eine Spulenanordnung 10 gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei die Spulenanordnung 10 den
Grundkörper 3 wie in Figur 27 gezeigt umfasst. Figur 28 stellt eine Draufsicht auf den Grundkörper 3 aus Figur 27 dar. Die Leiterbahn 34-5 innerhalb des Grundkörpers 3 ist bevorzugt derart geformt, dass diese eine Vielzahl von Längsabschnitten 12, 13 und eine Vielzahl von Querabschnitten 14, 15 aufweist. In Figur 28 ist exemplarisch ein erster
Längsabschnitt 12, ein zweiter Längsabschnitt 13, ein erster Querabschnitt 14 und ein zweiter Querabschnitt 15 gezeigt. Der Grundkörper 3 mit der Leiterbahn 34-5 wird an einer Falzstelle 1 1 gefaltet. Die Falzstelle entspricht in ihrer
Funktion insbesondere den zuvor beschriebenen Faltstellen 51 . Durch das Falten lassen sich Spulen herstellen. So bilden durch das Falten an den Falzstellen 1 1 der erste Längsabschnitt 12, der zweite Längsabschnitt 13, der erste
Querabschnitt 14 und der zweite Querabschnitt 15 einen spiralförmigen Körper. Auf diese Weise ist eine Wicklung einer Spule realisiert. Es ist ersichtlich, dass durch einen Grundkörper 3, der eine Vielzahl von Längsabschnitten 12, 13 und Querabschnitten 14, 15 in der in Figur 28 gezeigten Anordnung umfasst, durch eine Vielzahl von Faltungen an jeweiligen Falzstellen 1 1 eine Spule mit beliebig vielen Wicklungen generierbar ist. Durch die Isolationselemente 16 ist dabei verhindert, dass ein Kurzschluss durch Berührungen der einzelnen Abschnitte der Leiterbahn 34-5 auftritt. Es ist ersichtlich, dass die Längsabschnitte, insbesondere der erste
Längsabschnitt 12 und der zweite Längsabschnitt 13, eine größere Ausdehnung aufweisen als die Querabschnitte 14, 15, insbesondere der erste Querabschnitt 14 und der zweite Querabschnitt 15. Außerdem ist vorgesehen, dass der erste Längsabschnitt 12 parallel zu dem zweiten Längsabschnitt 13 verläuft.
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass alle Längsabschnitte 12, 13 der Leiterbahn 34-5 des Grundkörpers 3 parallel zueinander verlaufen. Die
Querabschnitte 14, 15, insbesondere der erste Querabschnitt 14 und der zweite Querabschnitt 15, verlaufen unter einem Winkel zwischen 0° und 90° relativ zu den Längsabschnitten 12, 13. In Figur 4 ist beispielhaft gezeigt, dass die
Querabschnitte 14, 15 einen Winkel von 45° aufweisen. Jede Falzstelle 1 1 läuft bevorzugt senkrecht zu allen Längsabschnitten 12, 13 und teilt jeden
Querabschnitt 14, 15 mittig. Somit wird jeder Querabschnitt 14, 15 durch das Falten an der Falzstelle 1 1 in eine Bogenform überführt. Die Wickelkopfhöhe, das bedeutet die Höhe des durch die Querabschnitte 14, 15 nach dem Falten gebildeten Bogens über den Längsabschnitten 12, 13, ist somit durch den Winkel, unter dem die Querabschnitte 14, 15 relativ zu den Längsabschnitten 12, 13 verlaufen, einstellbar.
Der Grundkörper 3 kann bevorzugt vorgefertigt werden. Nach dem Vorfertigen des Grundkörpers 3 kann dieser schnell und kostengünstig durch Falten zu einer Spule geformt werden.
Die Leiterbahn 34-5 folgt bevorzugt streng monoton einer Erstreckungsnchtung 100. Dies bedeutet, dass die Leiterbahn an keiner Stelle entgegen der
Erstreckungsnchtung oder senkrecht zu der Erstreckungsnchtung verläuft. Somit ist sichergestellt, dass keine ungewollten Überlappungen bei dem Herstellen der Spulen durch Falten des Grundkörpers 3 erzeugt werden. Die
Erstreckungsnchtung 100 ist insbesondere als Achse anzusehen, die mittig zwischen den Längsabschnitten 12, 13 und parallel zu den Längsabschnitten 12, 13 verläuft. Somit ist jede Falzstelle 1 1 bevorzugt als solche Achse definiert, die senkrecht zu der Erstreckungsnchtung 100 und durch denjenigen Punkt verläuft, an dem die Achse der Erstreckungsnchtung 100 die Querabschnitte 14, 15 schneidet. Dieser Schnittpunkt stellt somit einen Mittelpunkt der Querabschnitte 14, 15 dar. Figur 29 zeigt eine Spulenanordnung 10 gemäß einem alternativen weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dazu ist in Figur 5 wiederum ein Grundkörper
3 in einem ungefalteten Zustand sowie in einem gefalteten Zustand dargestellt. Der einzige Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass anstatt einer einzigen Leiterbahn 34-5 eine erste Leiterbahn 34-5, eine zweite
Leiterbahn 34-6 und eine dritte Leiterbahn 34-7 vorhanden ist. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass sowohl die erste Leiterbahn 34-5 als auch die zweite Leiterbahn 34-6 und die dritte Leiterbahn 34-7 allesamt identisch zueinander ausgebildet sind. Insbesondere ist jede der Leiterbahnen 34-5, 34-6, 34-7 identisch zu der in dem zuvor beschriebenen weiteren Ausführungsbeispiel beschriebenen Leiterbahn 34-5 ausgebildet. Durch den Grundkörper 3, insbesondere durch die Isolationselemente 16, sind die erste Leiterbahn 34-5, die zweite Leiterbahn 34-6 und die dritte Leiterbahn 34-7 beabstandet voneinander ausgeführt, sodass eine gegenseitige Berührung der ersten
Leiterbahn 34-5, der zweiten Leiterbahn 34-6 und der dritten Leiterbahn 34-7 ausgeschlossen ist. Wiederum kann durch Falten an der Falzstelle 1 1 eine Wicklung einer Spule erzeugt werden. Somit ist in Figur 29 ein dreiphasiges System dargestellt, das drei unabhängige Wicklungen gleichzeitig durch Falten des Grundkörpers 3 an den Falzstellen 1 1 generieren kann.
Figur 30 zeigt eine Spulenanordnung 10, bei dem ein erster Grundkörper 3 sowie ein zweiter Grundkörper 4 vorhanden ist. Es ist vorgesehen, dass der erste Grundkörper 3 und der zweite Grundkörper 4 identisch zu dem in Figur 30 gezeigten Grundkörper 3 ausgebildet sind. Dabei ist vorgesehen, dass der erste Grundkörper 3 senkrecht zu dem zweiten Grundkörper 4 angeordnet sind. Dies bedeutet, dass die Längsabschnitte 12, 13 aller Leiterbahnen 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 senkrecht zueinander verlaufen. Auf diese Weise lässt sich mittels der ersten Leiterbahn 34-5, der zweiten Leiterbahn 34-6 und der dritten Leiterbahn 34-7 ein Werkstückträger 18 magnetisch in einer ersten
Raumrichtung anregen, während sich durch eine vierte Leiterbahn 34-8, eine fünfte Leiterbahn 34-9 und eine sechste Leiterbahn 34-10, die Teil des zweiten Grundkörpers 4 sind, der Werkstückträger 18 magnetisch in einer zweiten Raumrichtung anregen lässt. Die erste Raumrichtung und die zweite
Raumrichtung sind dabei senkrecht zueinander ausgebildet. Durch
abwechselndes Falten des ersten Grundkörpers 3 und des zweiten Grundkörpers
4 an jeweiligen Falzstellen 1 1 ist eine Verschachtelung des ersten Grundkörpers 3 und des zweiten Grundkörpers 4 ermöglicht. Dies ist schematisch in Figur 30 gezeigt.
Wie aus Figur 31 hervorgeht, erfolgt ein Übereinanderlegen des ersten
Grundkörpers 3 und des zweiten Grundkörpers 4. Insbesondere wird der erste
Grundkörper 3 auf den zweiten Grundkörper 4 gelegt. Dabei verlaufen der erste Grundkörper 3 und der zweite Grundkörper 4 senkrecht zueinander.
Anschließend erfolgt ein erstes Falten an einer ersten Falzstelle 1 10 des zweiten Grundkörpers 4. Somit überlappt der zweite Grundkörper 4 den ersten
Grundkörper 3. Anschließend erfolgt ein zweites Falten des zweiten
Grundkörpers 4 an einer zweiten Falzstelle 120. Somit weist der zweite
Grundkörper 4 wieder seine ursprüngliche Ausrichtung auf. Danach wird der erste Grundkörper 3 an einer dritten Falzstelle 130 und anschließend an einer vierten Falzstelle 140 gefaltet. Somit überlappt der erste Grundkörper 3 wiederum den zweiten Grundkörper 4. Danach erfolgt schließlich ein fünftes Falten des zweiten Grundkörpers 4 an einer fünften Falzstelle 150 sowie ein weiteres Falten an einer sechsten Falzstelle 160. Somit ist der zweite Grundkörper 4 vollständig zu einer Spule gefaltet. Zuletzt erfolgt das Falten des ersten Grundkörpers 3 an einer siebten Falzstelle 170 und an einer achten Falzstelle 180. Somit ist auch der erste Grundkörper 3 vollständig zu einer Spule gefaltet. Durch das abwechselnde Falten ist dabei sichergestellt, dass der erste Grundkörper 3 und der zweite Grundkörper 4 ineinander verschachtelt sind. Dies führt dazu, dass sich die Wicklungen des ersten Grundkörpers 3 und des zweiten
Grundkörpers 4 nacheinander überlagern. Somit lässt sich auf einfache und kostengünstige Art und Weise das in Figur 1 oder Figur 2 gezeigte
Wickelschema umsetzen. Die Herstellung der Leiterbahnen 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 erfolgt vorteilhafterweise durch Stanzen, insbesondere durch Rotationsstanzen oder Hubstanzen. Das Ausstanzen erfolgt aus einem Rohmaterial, das insbesondere ein Blech sein kann. Dabei ist es möglich, die gesamte Struktur aus mehreren parallelen Leiterbahnen, wie insbesondere der ersten Leiterbahn 34-5, der zweiten Leiterbahn 34-6 und der dritten Leiterbahn 34-7 oder der vierten
Leiterbahn 34-8, der fünften Leiterbahn 34-9 und der sechsten Leiterbahn 34-10 zu erzeugen und in einer durchgehenden Prozessfolge zwischen die Isolationselemente 16 zu laminieren. Alternativ ist ermöglicht, einzelne
Leiterbahnen 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 isoliert voneinander zu fertigen und dann auf Einzelrollen zu wickeln. In einem Folgeprozess können diese Einzelrollen dann zu mehreren beliebig gruppiert werden, um anschließend die parallelen Leiterbahnen 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 zwischen die
Isolationselemente 16 einzubringen.
Bei den Isolationselementen handelt es sich vorteilhafterweise um eine
Kunststofffolie. Elektroisolierfolien als Untergruppe von Kunststofffolien können bevorzugt mit einer Stärke ab 2 μηη produziert werden, sodass die durch Falten hergestellte Spule nur geringe Abmaße aufweist.
Die in Figur 31 gezeigten Faltungen können beliebig variiert werden. So ist in Figur 31 dargestellt, dass der erste Grundkörper 3 und der zweite Grundkörper 4 zweimal gefaltet werden, bevor der jeweils andere Grundkörper 3, 4 gefaltet wird.
Ebenso ist möglich, dass der erste Grundkörper 3 einmal gefaltet wird, um anschließend den zweiten Grundkörper 4 einmal zu falten. Dieses einmalige Falten wird wechselweise für den ersten Grundkörper 3 und den zweiten
Grundkörper 4 wiederholt. Auch sind drei oder mehr Faltungen möglich, bevor auf den jeweils anderen Grundkörper gewechselt wird.
Das Herstellverfahren der die laminierten Leiterstrukturen Grundkörper 3, 4 ist frei skalierbar in den ebenen Abmessungen und dem Querschnitt der
Leiterbahnen 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10. Die Trennung der
Leiterbahnherstellung und des Laminierprozesses vom eigentlichen Wickel- bzw.
Faltprozess der Planarwicklung ermöglicht eine kostengünstige Herstellung und eine einfache Lagerung der aufgerollten oder vorgefalteten Leiterbahnträger. Die Verwendung von rechteckigen Leiterbahnquerschnitten sorgt für einen hohen Leitermaterialfüllfaktor der ebenen Wicklung.
Elektroisolierfolien können mit einer Stärke ab 2 μηη produziert werden, die notwendigen Isolationseigenschaften können damit nach Bedarf angepasst werden. Auch der Verlust an Füllfaktor durch das Isolationsmaterial kann minimiert werden.
Das Laminat aus Isolationselementen 16 und Leiterbahnen 34-5, 34-6, 34-7, 34- 8, 34-9, 34-10 kann dann auf eine Rolle gewickelt oder als Paket mit den Abmessungen der Spulenanordnung vorgefaltet abgelegt werden. Alternativ ist es auch möglich, einzelne noch nicht laminierte Leiterbahnen 34-5, 34-6, 34-7, 34-8, 34-9, 34-10 zu fertigen und dann zunächst auf Einzelrollen zu wickeln. In einem Folgeprozess können diese Einzelrollen dann zu mehreren beliebig gruppiert werden, um anschließend die parallelen Leiterstrukturen zwischen
Isolationselementen 16 (als Träger) zu laminieren.

Claims

Ansprüche
Spulenanordnung (10) eines Stators (120) eines planaren
mehrdimensionalen Antriebes (100),
- mit mindestens einer Spule (20), welche mit einer Wicklung (30)
ausgebildet ist,
- wobei die Wicklung (30) elektrisch leitfähig ist und ein Wicklungsmaterial (31 ) aufweist,
- wobei die Wicklung (30) eine an Falzstellen (1 1 ) gefaltete Struktur des Wicklungsmaterials (31 ) mit einer oder mit mehreren Windungen (40) ist.
Spulenanordnung (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungsmaterial (31 ) in einer Banderstreckungsrichtung (32) bandförmig ausgebildet ist, insbesondere mit rechteckigen Querschnitt senkrecht zur Banderstreckungsrichtung (32).
Spulenanordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilbereich des Wicklungsmaterials (31 ) durch Falten an zumindest einer Falzstelle (1 1 ) zumindest teilweise in einer Querrichtung (36) quer, insbesondere senkrecht, zur Banderstreckungsrichtung (32) angeordnet ist.
Spulenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungsmaterial (31 ) eine Leiterbahn (34) einer mehrere Leiterbahnen (34) aufweisenden Folie (35) ist, wobei die mehreren Leiterbahnen (34) in der Folie (35) sind.
Spulenanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Leiterbahn (34) innerhalb der Folie (35) eine Vielzahl von
Längsabschnitten (12, 13) und Querabschnitten (14, 15) aufweist.
6. Spulenanordnung (10) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass direkt benachbarte Leiterbahnen (34) der mehreren Leiterbahnen (34) in der Folie (35) zwischen sich mit einer elektrischen Isolation (37) ausgebildet sind, wobei die elektrische Isolation (37)
(i) mittels einer lokalen Oxidation oder Anodisierung und/oder
(ii) mittels eines lokalen Entfernens von Material und Wiederauffullens mit Material ausgebildet ist,
sodass die benachbarten Leiterbahnen (34) insbesondere thermisch getrennt sind und gleichzeitig mechanisch eine Einheit darstellen.
Spulenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wicklungsmaterial (31 ) einen
Materialkern der Wicklung (30) bildet und der Materialkern der Wicklung (30) in der Banderstreckungsrichtung (32) zumindest teilweise von einem Isolationsmaterial (31 -2) bedeckt ist.
Spulenanordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationsmaterial (31 -2) eine zusätzlich auf das Wicklungsmaterial (31 - 1 ) aufgebrachte Beschichtung, insbesondere mit einem Lack oder
Oxidmaterial, und/oder eine native und/oder verstärkte
Umwandlungsschicht und insbesondere eine Oxidschicht der elektrisch leitfähigen Komponente (31 -1 ), umfasst.
Spulenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Spulen (20), wobei die Wicklungen (30) der Spulen (20) durch abwechselndes Falten an den jeweiligen Falzstellen (1 1 ) ineinander verschachtelt sind.
Spulenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Windung (40) der Wicklung (30)
(i) zueinander parallele erste und zweite lineare Abschnitte (41 , 42), deren erste Enden (41 -1 , 42-1 ) bzw. deren zweite Enden (41 -2, 42-2) jeweils zueinander benachbart einander gegenüberliegen, und
(ii) einen Verbindungsabschnitt (43) aufweist, welcher die ersten Enden (41 -1 , 42-1 ) der linearen Abschnitte (41 , 42) miteinander verbindet, wobei
- der Verbindungsabschnitt (43) eine erste Faltung (45) in Verbindung mit dem ersten Ende (41 -1 ) des ersten linearen Abschnitts (41 ) und eine zweite Faltung (46) in Verbindung mit dem ersten Ende (42-1 ) des zweiten linearen Abschnitts (42) aufweist und
- insbesondere die Faltungen (45, 46) über ein lineares Verbindungsstück (44) miteinander verbunden sind und/oder jede der Faltungen (45, 46) einen Umschlag des bandförmigen Wicklungsmaterials (31 ) um 180° in einem Winkel von 45° zur Banderstreckungsrichtung (32) aufweist.
Spulenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Wicklung (30) eine Mehrzahl, insbesondere von zwei bis zwölf Windungen (40) aufweist
- insbesondere im Übergang zwischen aufeinanderfolgenden Windungen
(40) ein Übergangsabschnitt (47) ausgebildet ist, welcher das zweite Ende (41 -2, 42-2) eines der ersten oder zweiten linearen Abschnitte (41 , 42) einer Windung (40) mit dem zweiten Ende (42-2, 41 -2) des zweiten bzw. ersten lineare Abschnittes (42, 41 ) einer sich direkt anschließenden oder einer direkt vorangehenden Windung (40) verbindet,
- der Übergangsabschnitt (47) eine erste Faltung (45) in Verbindung mit dem zweiten Ende (41 -1 ) des ersten oder zweiten linearen Abschnitts
(41 ) der einen Windung (40) und eine zweite Faltung (46) in Verbindung mit dem zweiten Ende (42-1 ) des zweiten oder ersten linearen
Abschnitts (42) der anderen Windung (40) aufweist, und
- die Faltungen (45, 46) insbesondere über ein lineares Verbindungsstück (44) miteinander verbunden sind und/oder jede der Faltungen (45, 46) einen Umschlag des bandförmigen Wicklungsmaterials (31 ) um 180° in einem Winkel von 45° zur Banderstreckungsrichtung (32) aufweist.
12. Spulenanordnung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (30) durch das Falten an den Falzstellen (1 1 ) spiralförmig verläuft.
13. Spulenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sich das nicht gefaltete Wicklungsmaterial monoton entlang einer Erstreckungsrichtung (100) erstreckt.
14. Spulenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetischer Werkstückträger (18) freischwebend über der Spulenanordnung (10) durch die Spulenanordnung in sechs unabhängigen Freiheitsgraden bewegbar ist.
15. Verfahren zum Herstellen Spulenanordnung (10), insbesondere nach
einem der Ansprüche 1 bis 13, bevorzugt nach Art einer Flachspule und/oder für einen Stator (120) eines mehrdimensionalen planaren
Antriebes (100), wobei
- mindestens eine Spule (20) mit einer elektrisch leitfähigen Wicklung (30) mit oder aus einem Wicklungsmaterial (31 ) ausgebildet wird, und
- die Wicklung (30) als eine durch Falten an Falzstellen (1 1 ) gefaltete Struktur des Wicklungsmaterials (31 ) mit einer oder mit mehreren Windungen (40) ausgebildet wird.
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