Axialflussmaschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine sowie einen kollaborativen Roboter mit einer elektrischen Axialflussmaschine.

Elektrische Axialflussmaschinen sind interessante Kandidaten für den Einsatz von elektrischen Maschinen unter beengten Verhältnissen. Typischerweise weisen elektrische Axialflussmaschinen einen oder mehrere scheibenförmige Statoren und einen oder mehrere scheibenförmige Rotoren auf, welche entlang der axialen Richtung angeordnet sind. Der magnetische Fluss der elektrischen Axialflussmaschine ist entlang der axialen Richtung angeordnet. Ist der Rotor in axialer Richtung zwischen zwei Statoren angeordnet, so spricht man von einer Innenläufermaschine, ist der Rotor außen angeordnet, so spricht man von einer Außenläufermaschine.

Im Vergleich zu Radialflussmaschinen ist bei Axialflussmaschinen somit bei gleicher Leistung eine deutlich kürzere Dimensionierung in axialer Richtung möglich. Die kompakte Bauform und die damit einhergehenden hohe Leistungsdichte machen elektrische Axialflussmaschinen zu beliebten Alternativen in der Unterhaltungselektronik, im Bereich des Kraftfahrzeugbaus und insbesondere in der Automatisierungstechnik.

Rotor und Stator der elektrischen Axialflussmaschine weisen üblicherweise magnetische Pole bzw. Ankerzähne, oder kurz: Zähne, auf. Im Betrieb der elektrischen Axialflussmaschine kommt es durch die Relativbewegung von Zähnen und magnetischen Polen, so dass einem magnetischen Pol abwechselnd ein Zahn oder ein zwischen zwei Zähnen angeordneter Nutgrund gegenüberliegend angeordnet ist. Hierbei variiert der magnetische Widerstand und somit die Antriebskraft der elektrischen Axialflussmaschine, was zu einem unruhigen Lauf führt. Dem Fachmann ist dies als Polfühligkeit, Rastmoment oder Cogging bekannt. Aus der US 10566866 B2 ist es zur Reduktion der Polfühligkeit bei einer Axialflussmaschine bekannt, an dem Rotor Permanentmagnete vorzusehen, die jeweils durch unterschiedliche Abstände in Umfangsrichtung des Rotors voneinander getrennt sind. Hierdurch kommt es allerdings zu einer reduzierten Belegung des Rotors mit Permanentmagenten, so dass sich die das Drehmoment der Axialflussmaschine reduziert.

Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, eine elektrische Axialflussmaschine bereitzustellen, bei welcher die Polfühligkeit bei hohem Drehmoment deutlich reduziert ist.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine elektrische Axialflussmaschine gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Die erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine weist einen scheibenförmigen Rotor mit einem Grundkörper und mit P magnetischen Polen auf, die entlang einer Umfangsrichtung des Grundkörpers jeweils durch eine identische Polteilung beabstandet angeordnet sind, sowie einen scheibenförmigen Stator mit Z Zähnen, wobei die P magnetischen Pole entlang der Umfangsrichtung alternierend mit einer ersten Polbreite und einer zweiten Polbreite angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine ist durch die alternierend vorgesehenen Polbreiten der magnetischen Pole im Rotor deutlich weniger polfühlig. Zudem wird es gleichzeitig möglich, identische Abstände zwischen den Polen des Stators vorzusehen, welche derart gering bemessen sein können, dass das Drehmoment der elektrischen Axialflussmaschine nur unwesentlich beeinträchtigt wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass P geradzahlig ist.

Die Polteilung der magnetischen Pole im Sinne der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Beabstandung der, bezogen auf die Umfangsrichtung, Mitten zweier in Umfangsrichtung benachbarter magnetischer Pole. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Polbreite (6) in einem Bereich von 0,9 * ^0<3 ] k‘ ^s

1,1 [ ³⁶⁰ °/p + ( ³⁶ °7 _KG v) * °' ⁵ ] ^lie 9t ^und die zweite Polbreite (7) in einem Bereich von 0,9 bis 1,1 [ ³⁶⁰ °/p - ( ³⁶⁰ 7 _KGV ) * °' ⁵ ] “egt. wobei P größer oder gleich 4 ist und U größer oder gleich 4 und ungleich P ist und KGV das kleinste gemeinsame Vielfache von P und Z ist. Eine derartige Ausgestaltung des Rotors hat sich als besonders vorteilhaft zur Reduktion der

Polfühligkeit erwiesen. Bevorzugt ist die erste Polbreite (6) [ ³⁶⁰ 7p + ( ³⁶ °7K _G V) *

0,5] und die zweite Polbreite (7) ist [ ³⁶⁰ 7p - ( ³⁶⁰ 7K _G V) * °' ³ ]’ ^wode ' P größer oder gleich 4 ist und U größer oder gleich 4 und ungleich P ist und KGV das kleinste gemeinsame Vielfache von P und Z ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die magnetischen Pole durch in dem Grundkörper des Rotors eingelassene Permanentmagnete gebildet sind, wobei die Permanentmagnete eine Magnetisierung in Umfangsrichtung des Rotors aufweisen. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann eine hohe Genauigkeit der Anordnung der magnetischen Pole an dem Rotor ermöglicht werden. Die Permanentmagnete können einen magnetischen Fluss in Umfangsrichtung des Rotors erzeugen, der an einer Stirnseite, bevorzugt an zwei Stirnseiten, des scheibenförmigen Rotors aus diesem heraustritt. Insofern wird der jeweilige magnetische Pol, durch eine Position zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten des Rotors definiert. Die Polbreite eines solchen magnetischen Pols wird durch den Abstand benachbarter Permanentmagnete definiert. Bei einer derartigen4 Ausgestaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass der Rotor nach Art eines Innenläufers zwischen zwei Statoren angeordnet ist.

Eine alternativ bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die magnetischen Pole durch an einer Stirnseite des Rotors angeordnete, insbesondere kreissektorförmige oder kreisringsektorförmige, Permanentmagnete gebildet sind. Bei einer derartigen Ausgestaltung werden die magnetischen Pole jeweils durch einen Permanetmangneten gebildet. Die Polbreite entspricht somit der Breite des Permanetmangneten in Umfangsrichtung des Stators. Die Permanentmagnete sind bevorzugt in einer axialen Richtung magnetisiert, d.h. parallel zu einer Drehachse des Rotors.

Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper als Pressling vorgesehen ist. Dies ermöglicht auf vorteilhafte Weise, die Aussparungen zur Aufnahme der magnetischen Pole materialsparend, also ohne oder mit deutlich reduzierter nachträglicher materialabtragender Bearbeitung vorzusehen.

Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Grundkörper als Eisenkern vorgesehen ist. Vorzugsweise ist der Grundkörper aus Somaloy ® hergestellt. Hierdurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, die Effizienz der elektrischen Axialflussmaschine zu verbessern. Somaloy bietet geringe Hystereseverluste und lässt sich hervorragend als Pressling verarbeiten. Besonders bevorzugt weist der Grundkörper Somaloy ® 5P auf. Dies ermöglicht besonders geringe Hystereseverluste. Denkbar ist ferner, dass der Grundkörper Somaloy ® 3P aufweist. Hierdurch wird ein mechanisch extrem robuster Grundkörper ermöglicht, welcher selbst stärksten mechanischen Einwirkungen widersteht. Weiterhin ist denkbar, dass der Grundkörper Somaloy ® 1 P aufweist. Besonders bevorzugt weist der Grundkörper eine Mischung aus Somaloy ® 1 P und Somaloy ® 5P auf. Denkbar ist auch, dass der Grundkörper eine Mischung aus Somalo ® 1 P und Somaloy ® 3P oder eine Mischung aus Somaloy ® 1 P,

Somaloy ® 5P und Somaloy ® 3P.

Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die magnetischen Pole als quaderförmige Magnete vorgesehen sind. Hierdurch ist eine deutlich günstigere Herstellung der elektrischen Axialflussmaschine ermöglicht. Durch die Verwendung quaderförmiger Magnete kann insbesondere auf trapezförmige Magnete verzichtet werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die quaderförmigen Magnete quaderförmige Permanentmagnete sind.

Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die quaderförmigen Magnete speichenförmig im Grundkörper angeordnet sind. Durch die speichenförmige Anordnung ist eine deutliche Steigerung des magnetischen Flusses möglich. Speichenförmig bedeutet im Sinne der vorliegenden Erfindung, dass die quaderförmigen Magnete entlang einer radialen Richtung im Grundkörper angeordnet sind.

Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass alle quaderförmigen Magnete gleich groß sind. Hierdurch ist eine sehr kostengünstige Herstellung der elektrischen Axialflussmaschine ermöglicht. Durch die Verwendung gleich großer Magnete wird der Herstellungsprozess vereinfacht und die Menge unterschiedlicher Teile reduziert. Dies senkt direkt die Herstellungskosten.

Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass P = 14 und Z = 12 ist. Diese Anzahl von magnetischen Polen und Zähnen ist bekannt für eine starke Polfühligkeit bei herkömmlichen elektrischen Axialflussmaschinen, insbesondere in der 6. Harmonischen der mechanischen Drehfrequenz der elektrischen Axialflussmaschinen, wodurch der Fachmann diese Anzahl von magnetischen Polen und Zähnen meidet. Die elektrische Axialflussmaschine gemäß dieser vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jedoch eine nur geringe Polfühligkeit auf.

Gemäß einer vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der scheibenförmige Stator gedruckte Leiterbahnen aufweist. Dies ermöglicht eine sehr günstige Serienproduktion der elektrischen Axialflussmaschine.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein kollaborativer Roboter aufweisend eine erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine sind hochgenaue Bewegungsabläufe des kollaborativen Roboters möglich. Ein unrundes Laufen der elektrischen Axialflussmaschine wird weitestgehend unterbunden, wodurch auch sehr feine Arbeiten mit dem kollaborativen Roboter möglich sind.

Alle zuvor im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine offenbarten Einzelheiten, Merkmale und Vorteile beziehen sich gleichfalls auf den erfindungsgemäßen kollaborativen Roboter.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:

Fig. 1 (a) ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einer schematischen Darstellung.

Fig. 1 (b) einen Rotor eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einer schematischen Darstellung.

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen

Axialflussmaschine in einer schematischen Darstellung.

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kollaborativen

Roboters in einer schematischen Darstellung.

In der Fig. 1 (a) ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine 100 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Die elektrische Axialflussmaschine 100 ist hier als Innenläufer vorgesehen und weist einen Rotor 1 auf, welcher entlang einer axialen Richtung 30 zwischen zwei Statoren 2 der elektrischen Axialflussmaschine 100 angeordnet ist. Zu erkennen sind hier Zähne 4 der Statoren 2, welche entlang der Umfangsrichtung (s. Fig. 1 (b)) der elektrischen Axialflussmaschine 100 gleichverteilt sind. Aus perspektivischen Gründen ist hier nicht zu sehen, dass die Statoren 2 der hier dargestellten Ausführungsform jeweils 12 Zähne 4 aufweisen. Die hier gezeigte Ansicht ist eine seitliche Ansicht. Eingezeichnet ist ferner eine radiale Richtung 20.

Elektrische Axialflussmaschinen 100 leiden typischerweise unter Pohlfühligkeit, dem Fachmann auch als Cogging bekannt, was zu einem unrunden Lauf der elektrischen Axialflussmaschine 100 führt. Hierbei bewirkt eine Relativbewegung von Stator 1 und Rotor 2, welche ein Vorüberziehen der magnetischen Polen (s. Fig. 1 (b)) an den Zähnen 4 umfasst, einen variierenden magnetischen Widerstand und somit eine variierende Antriebskraft.

In der Fig. 1 (b) ist ein Rotor 1 eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine 100 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Der Rotor 1 weist magnetische Pole 8 auf, die durch das Zusammenwirken jeweils zweier in einen Grundkörper 5 des Rotors 1 eingelassener benachbarter Permanentmagnete 3 gebildet werden, welche in Umfangsrichtung des Rotors 1 magnetisiert sind. Die Permanentmagnete 5 erzeugen einen magnetischen Fluss in Umfangsrichtung des Rotors 1, der an den beiden Stirnseiten des scheibenförmigen Rotors 1 aus diesem heraustritt. Insofern wird der jeweilige magnetische Pol 8, durch eine Position zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 5 des Rotors 1 definiert. Die Polbreite 6, 7 eines solchen magnetischen Pols wird durch den Abstand benachbarter Permanentmagnete 5 definiert. Durch eine geschickte Anordnung der magnetischen Pole 3, insbesondere deren Polbreiten 6, 7, entlang der Umfangsrichtung 10 der elektrischen Axialflussmaschine 100 kann das Cogging deutlich reduziert werden.

Die magnetischen Pole 8 sind entlang der Umfangsrichtung 10 mit gleichmäßiger Polteilung 9 angeordnet und weisen alternierend eine erste Polbreite 6 und eine zweite Polbreite 7 auf. Die erste Polbreite 6 ist ^zwe ' ^te

Polbreite 7 ist ³⁶⁰ °/p - ( ³⁶⁰ ° I KGV ) * °' ³ · P ' ^st hierbei die Anzahl der magnetischen Pole 8, also im gezeigten Ausführungsbeispiel 14, und KGV ist das kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl der Zähne pro Stator (s. Fig. 1 (a)), hier 12 Zähne pro Stator, und der Anzahl der magnetischen Pole 8. Das kleinste gemeinsame Vielfache der Anzahl von Zähnen pro Stator und der Anzahl der magnetischen Pole 8 ist in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel 84. Damit ergeben sich die Polbreiten 6, 7 mit 27,85° und 23,57°, welche die magnetischen Pole 8 alternierend über die Umfangsrichtung 10 aufweisen.

Durch die alternierende Polbreite 6, 7 teilt sich das Cogging-Moment, welches zum unruhigen Lauf der elektrischen Axialflussmaschine 100 führt, in zwei Cogging- Momente auf, die sich in Summe auslöschen. Die magnetischen Pole 8 sind hier als gleich große quaderförmige Permanentmagnete ausgeführt. Die quaderförmigen Permanentmagente sind in Aussparungen eines Grundkörpers 5 des Rotors 1 angeordnet und erstrecken sich speichenförmig entlang der radialen Richtung 20. Der Grundkörper 5 dient zur Führung des magnetischen Flusses und ist als Pressling vorzugsweise aus Somaloy® hergestellt.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen Axialflussmaschine gemäß der Erfindung, insbesondere deren Rotor 1, gezeigt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die magnetischen Pole 8 durch an einer Stirnseite des Rotors 1 angeordnete, kreisringsektorförmige Permanentmagente 11 gebildet. Zwischen benachbarten Permanentmagneten ist jeweils eine Lücke 12 vorgesehen, in welcher der Grundkörper 5 des Rotors 1 nicht mit einem Permanentmagente belegt ist. Die Permanentmagente sind in axialer Richtung 30 magnetisiert, d.h. parallel zu der Drehachse des Rotors 1. Insofern werden die magnetischen Pole 8 des Rotors 1 jeweils durch einen Permanentmagneten 11 gebildet. Die Polbreite 6, 7, entspricht somit der Breite des Permanentmagneten in Umfangsrichtung 10 des Stators 1.

In der Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kollaborativen Roboters 200 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Der kollaborative Roboter 200 weist eine elektrische Axialflussmaschine 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf. Durch den ruhigen Lauf der elektrischen Axialflussmaschine 100 ist ein hochpräzises Arbeiten des kollaborativen Roboters 200 möglich.

Bezuqszeichenliste

I Rotor 2 Stator

3 Permanentmagnet

4 Zahn

5 Grundkörper

6 erste Polbreite 7 zweite Polbreite

8 magnetischer Pol

9 Polteilung

10 Umfangsrichtung

I I Permanentmagnete 12 Lücke

20 radiale Richtung

30 axiale Richtung