DE102012205706A1

DE102012205706A1 - Rotor stator arrangement for e.g. multi-directional electromotor of motor car, has spherical rotor comprising surface with partial surfaces, which form permanent magnetic north and south poles on ball surface by spherical triangles

Info

Publication number: DE102012205706A1
Application number: DE201210205706
Authority: DE
Inventors: Joerg Offterdinger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-05
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2013-10-10

Abstract

The arrangement has a spherical rotor (1) comprising a surface with partial surfaces, which form alternate permanent magnetic north and south poles on a ball surface. The rotor is partly surrounded by stators (2). The north and south poles are formed on the ball surface by spherical triangles. The stators comprise actuators for creation of magnetic fields for generation of rotational torque on the rotor. The actuators are arranged such that the torque is produced on the rotor at axes vertical to each other in a rotation direction.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor-Stator-Anordnung mit einem kugelförmigen Rotor, dessen Oberfläche eine Mehrzahl von Teilflächen aufweist, die alternierend permanentmagnetische Nord- und Südpole auf der Kugeloberfläche bilden, wobei der Rotor zumindest teilweise von einem Stator umgeben ist.The invention relates to a rotor-stator arrangement with a spherical rotor whose surface has a plurality of partial surfaces which form alternating permanent magnetic north and south poles on the spherical surface, wherein the rotor is at least partially surrounded by a stator.

Stand der TechnikState of the art

Eine derartige Rotor-Stator-Anordnung zur Schaffung eines multidirektionalen Elektromotors mit mehreren Freiheitsgraden ist aus der DE 197 22 814 A1 bekannt. Dabei ist die Kugel als Rotor auf der Oberfläche weitgehend mit Permanentmagneten besetzt, wobei die Unterteilung der Oberfläche nach Längen- und Breitengraden erfolgt. Nachteilig ist dabei, dass die Unterteilung der Kugeloberfläche nach Längen- und Breitgraden dazu führt, dass die einzelnen Teilflächen stark abweichende Größen entsprechend der Aufteilung einer Kugel durch Längen- und Breitengrade aufweisen, woraus eine Schwankung der Leistung und Schwankungen im Drehmoment folgen. Ferner ist ein Freiheitsgrad nur begrenzt einsetzbar, da im Bereich des Nord- und Südpoles des kugelförmigen Rotors ein kontrollierter Antrieb des Rotors durch einen Aktuator im Stator nicht oder nur sehr schlecht möglich ist, da die sich in der Polung abwechselnden Flächen hier sehr dicht nebeneinander liegen. Weiterhin nachteilig bei diesem bekannten Elektromotor mit kugelförmigen Rotor ist es, dass durch die Anordnung eines Flansches an einer stabförmigen Aufhängung am Nordpol des Kugelrotors keine vollständige Bewegungsfreiheit gegeben ist, sondern lediglich Rotationen um die Achse durch den Nord- und Südpol sowie Taumelbewegungen in geringem Maße auf der Südhalbkugel möglich sind.Such a rotor-stator assembly for providing a multidirectional electric motor with multiple degrees of freedom is from the DE 197 22 814 A1 known. In this case, the ball is largely occupied as a rotor on the surface with permanent magnets, the subdivision of the surface is carried out according to latitude and longitude. The disadvantage here is that the subdivision of the spherical surface leads to longitudes and latitudes to the fact that the individual faces have greatly divergent sizes corresponding to the division of a ball by latitudes and longitudes, resulting in a fluctuation of performance and fluctuations in torque. Furthermore, one degree of freedom is limited, since in the region of the north and south pole of the spherical rotor, a controlled drive of the rotor by an actuator in the stator is not or only very poorly possible, since the alternating in polarity surfaces here are very close together , Another disadvantage of this known electric motor with spherical rotor is that given the arrangement of a flange on a rod-shaped suspension at the north pole of the ball rotor no complete freedom of movement, but only rotations about the axis through the north and south pole and wobbling movements to a small extent the southern hemisphere are possible.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Rotor-Stator-Anordnung mit einem kugelförmigen Rotor, dessen Oberfläche eine Mehrzahl von Teilflächen aufweist, die alternierend permanentmagnetische Nord- und Südpole auf der Kugeloberfläche bilden, wobei der Rotor zumindest teilweise von einem Startor umgeben ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Pole auf der Kugeloberfläche durch sphärische Dreiecke gebildet sind.The rotor-stator arrangement according to the invention with a spherical rotor whose surface has a plurality of partial surfaces which form alternating permanent magnetic north and south poles on the spherical surface, wherein the rotor is at least partially surrounded by a Startor, characterized in that the poles are formed on the spherical surface by spherical triangles.

Um eine kugelsymmetrische Anordnung der permanentmagnetischen Felder auf dem Rotor zu realisieren, ist die Kugeloberfläche über eine gerade Anzahl von Dreiecken aufgeteilt. Dadurch, dass eine Aufteilung der Kugeloberfläche in eine gerade Anzahl von sphärischen Dreiecken erfolgt, welche die Pole auf der Kugeloberfläche bilden, ist eine vollkommen kugelsymmetrische Aufteilung möglich, so dass der erfindungsgemäße multidirektionale Elektromotor keine Leistungsschwankungen und keine Drehmomentschwankungen aufweist, egal in welche Richtung er mittels der im Startor angeordneten Aktuatoren bewegt wird.In order to realize a spherically symmetric arrangement of the permanent magnetic fields on the rotor, the spherical surface is divided over an even number of triangles. In that a division of the spherical surface into an even number of spherical triangles, which form the poles on the spherical surface, a completely spherically symmetric division is possible, so that the inventive multidirectional electric motor has no power fluctuations and no torque fluctuations, no matter in which direction he means the arranged in Startor actuators is moved.

In einer ersten Ordnung können die die Pole bildenden sphärischen Dreiecke des Rotors durch eine Aufteilung der Kugeloberfläche in acht, insbesondere gleich große sphärische dreieckige Kugelsektoren entsprechend jeweils einer Achtelkugel erzeugt sein. Bei diesem in acht sphärische Dreiecke aufgeteilten Rotor ist jeder magnetische Nordpol von einem magnetischen Südpol benachbart.In a first order, the spherical triangles of the rotor forming the poles can be generated by dividing the spherical surface into eight, in particular equal, spherical triangular spherical sectors corresponding to one eighth sphere each. In this rotor, which is divided into eight spherical triangles, each magnetic north pole is adjacent to a magnetic south pole.

In einer weiteren Ausführungsform können die die Pole bildenden sphärischen Dreiecke des Rotors in n+1. Ordnung durch eine Teilung der Dreiecksflächen n. Ordnung in jeweils vier insbesondere gleichgroße sphärische dreieckige Kugelsektoren gebildet sein, wobei der Prozess der Flächenteilung der Dreiecke auf der Kugeloberfläche zur Erzeugung der Teilung der nächst höheren Ordnung beliebig oft iterativ wiederholt werden kann. In der ersten Ordnung erfolgt somit eine Aufteilung der Kugeloberfläche in acht sphärische Dreiecke. In der zweiten Ordnung ist die Kugeloberfläche in 32 sphärische Dreiecke aufgeteilt. In dritter Ordnung ist die Kugeloberfläche in 128 sphärische Dreiecke aufgeteilt usw. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Aufteilung der Kugeloberfläche in eine gerade Anzahl von Dreiecken besteht darin, dass sich annähernd gleich große Flächen der die magnetischen Nord- und Südpole bildenden Kugeloberflächenteile realisieren lassen, so dass ein multidirektionaler Elektromotor oder Generator realisiert wird, der ohne Leistungsschwankungen und Drehmomentschwankungen in sämtliche Richtungen durch den Startor betätigt werden kann.In another embodiment, the spherical triangles of the rotor forming the poles may be in n + 1. Order may be formed by a division of the triangular n-order in each case four spherical spherical triangular sectors of equal size, wherein the process of the surface division of the triangles on the spherical surface to generate the division of the next higher order can be iteratively repeated as often as desired. In the first order, there is thus a division of the spherical surface into eight spherical triangles. In the second order, the spherical surface is divided into 32 spherical triangles. In third order, the spherical surface is divided into 128 spherical triangles, etc. The particular advantage of the division of the spherical surface according to the invention into an even number of triangles is that approximately equal areas of the magnetic north and south poles forming spherical surface parts can be realized, so that a multi-directional electric motor or generator is realized, which can be operated without power fluctuations and torque fluctuations in all directions by the Startor.

Die Aufteilung der Kugeloberfläche zur Erzeugung der die Pole des Rotors bildenden sphärischen Dreiecke kann dabei dadurch erzeugt werden, dass jeder Eckpunkt eine mittleren Dreiecks eines Achtelkugelsektors auf der Hälfte der Berührungslinie des Achtelkugelsektors zum Nachbarkugelsektor liegt, so dass eine Aufteilung aller Achtelkugeln in vier Dreiecke erfolgt. Dies bedeutet, dass jeweils der Schnittpunkt der Winkelhalbierenden mit der gegenüberliegenden Dreieckseite den Eckpunkt des mittleren Dreiecks in der Teilung der Oberfläche der nächsten Ordnung bildet. Dabei sind die drei äußeren Dreiecke jeweils Flächengleich. Die drei äußeren Dreiecke eines jeden Achtelkugelsektors weisen dabei dieselbe magnetische Polung auf, während das mittlere Dreieck des Achtelkugelsektors die entgegengesetzte magnetische Polung aufweist. Der benachbarte Achtelkugelsektor ist entsprechend analog aufgeteilt, wobei die drei äußeren Dreiecke und das mittlere Dreieck entgegengesetzt zum benachbarten Achtelkugelsektor gepolt sind.The division of the spherical surface for generating the poles of the rotor forming spherical triangles can thereby be generated in that each vertex is a middle triangle of Achtelkugelsektors on the half of the line of contact of the eighth-sphere sector to neighboring ball sector, so that a division of all Achtelkugeln takes place in four triangles. This means that in each case the point of intersection of the bisecting line with the opposite side of the triangle forms the vertex of the middle triangle in the division of the surface of the next order. The three outer triangles are each the same area. The three outer triangles of each eighth-sphere sector have the same magnetic polarity, while the middle triangle of the eighth-sphere sector has the opposite magnetic polarity. The adjacent eighth sphere sector is correspondingly divided analogously, wherein the three outer triangles and the middle triangle are polarized opposite to the adjacent eighth sphere sector.

Der den kugelförmigen Rotor umgebende Startor weist vorzugsweise mehrere Aktuatoren zur Erzeugung von Magnetfeldern zur Erzeugung eines Drehmomentes auf den Rotor auf. Dabei sind die Aktuartoren vorzugsweise derart angeordnet, dass eine Drehmomenterzeugung auf den Rotor um drei senkrecht aufeinander stehenden Achsen in jeweils beiden Rotationsrichtungen um jede Achse ermöglicht wird, so dass der Rotor in insgesamt sechs Freiheitsgraden betätigbar ist, in dem Rotationen um alle drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems in jeweils beiden Richtungen möglich sind. The starter surrounding the spherical rotor preferably has a plurality of actuators for generating magnetic fields for generating a torque on the rotor. In this case, the actuators are preferably arranged such that torque generation on the rotor is made possible by three mutually perpendicular axes in each of the two directions of rotation about each axis, so that the rotor can be actuated in a total of six degrees of freedom, in which rotations about all three axes of a Cartesian Coordinate system in both directions are possible.

Durch die Anordnung derartiger Aktuartoren, bei denen es sich jeweils um einzeln ansteuerbare Elektromagnete handeln kann, ist somit ein Antrieb des kugelförmigen Rotors in insgesamt sechs verschiedenen Rotationsrichtungen möglich, wobei durch eine Superposition der einzelnen Bewegungen eine Bewegung des kugelförmigen Rotors in jedwede beliebige Rotationsrichtung möglich ist. Dabei weist der den kugelförmigen Rotor umgebende Stator bevorzugt mehrere Aktuatoren zur Erzeugung von Magnetfeldern auf, die in beliebiger Polung stufenlos angesteuert werden. Dies bedeutet, dass eine stufenlose und umpolbare Ansteuerung der Aktuatoren erfolgt, sodass sowohl die Rotationsrichtung des Rotors als auch das Drehmoment beliebig reguliert werden können. Durch Superposition von Drehbewegungen um die drei Achsen eines kartesischen Koordinatensystems, dessen Ursprung dem Mittelpunkt des kugelförmigen Rotors entspricht, sind beliebige Bewegungen und Drehrichtungen des Rotors durch eine entsprechende Ansteuerung der stufenlos und umpolbar angesteuerten Aktuatoren erzielbar.The arrangement of such Aktuartoren, which may each be individually controllable electromagnets, a drive of the spherical rotor in a total of six different rotational directions is thus possible, with a superposition of the individual movements, a movement of the spherical rotor in any arbitrary rotational direction is possible , In this case, the stator surrounding the spherical rotor preferably has a plurality of actuators for generating magnetic fields, which are steplessly controlled in any desired polarity. This means that a stepless and umpolbare control of the actuators takes place, so that both the rotational direction of the rotor and the torque can be arbitrarily regulated. By superposition of rotational movements about the three axes of a Cartesian coordinate system whose origin corresponds to the center of the spherical rotor, any movements and directions of rotation of the rotor can be achieved by a corresponding control of the stepless and umpolbar controlled actuators.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung weist der den kugelförmigen Rotor umgebenden Startor mehrere Detektoren zur Erfassung einer magnetischen Induktion in Folge einer Rotation des Rotors auf. Durch die Anordnung derartiger Detektoren ist es möglich, den Rotor im Generatorbetrieb zu verwenden, um beliebige Drehbewegungen, welche auf den Rotor ausgeübt werden, zu erfassen und auszuwerten. Hierzu können die Detektoren mit einer entsprechenden Auswerteeinheit verbunden sein, welche aus den in der Detektoren induzierten Spannungen die Bewegung des Rotors ermittelt.According to another aspect of the invention, the starter surrounding the spherical rotor has a plurality of detectors for detecting a magnetic induction due to a rotation of the rotor. By arranging such detectors, it is possible to use the rotor in generator operation to detect and evaluate any rotational movements exerted on the rotor. For this purpose, the detectors can be connected to a corresponding evaluation unit, which determines the movement of the rotor from the voltages induced in the detectors.

Dabei kann der den kugelförmigen Rotor umgebende Startor mehrere Detektoren zur Erfassung einer magnetischen Induktion in Folge einer Rotation des Rotors aufweisen, wobei die Detektoren derart eingeordnet sind, dass eine Bewegung des Rotors um drei senkrecht aufeinander stehenden Achsen in jeweils beiden Rotationsrichtungen um jede Achse detektierbar ist, so dass jede beliebige Bewegungsart des Rotors durch eine Superposition und Auswertung der entsprechenden Detektorsignale ermittelt werden kann.In this case, the starter surrounding the spherical rotor may have a plurality of detectors for detecting a magnetic induction as a result of rotation of the rotor, wherein the detectors are arranged such that a movement of the rotor about three mutually perpendicular axes in each of two rotational directions about each axis is detectable , so that any type of movement of the rotor can be determined by a superposition and evaluation of the corresponding detector signals.

Es können auch eine Mehrzahl von Aktuatoren und Detektoren in dem Stator kombiniert angeordnet sein. Hierdurch ist einerseits der gewünschte Antrieb des Rotors durch eine entsprechende Polung und Bestromung der Aktuatoren und damit Erzeugung des gewünschten Drehmomentes möglich. Gleichzeitig kann die Bewegung des Rotors durch eine Auswertung der mittels der Detektoren erfassten induzierten Spannungen überwacht und ausgewertet werden sowie über eine entsprechende Korrektur der Ansteuerung der Aktuatoren bedarfsweise korrigiert werden.Also, a plurality of actuators and detectors may be combined in the stator. As a result, on the one hand, the desired drive of the rotor by a corresponding polarity and energization of the actuators and thus generating the desired torque possible. At the same time, the movement of the rotor can be monitored and evaluated by an evaluation of the induced voltages detected by means of the detectors and, if necessary, corrected via a corresponding correction of the activation of the actuators.

Vorzugsweise ist der Rotor schwimmend in dem Startor gelagert. Durch eine derartige schwimmende Lagerung werden maximale Freiheitsgrade der Rotorbewegungen ermöglicht. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist Rotor und Stator ein Luftspalt angeordnet.Preferably, the rotor is floatingly supported in the start gate. By such a floating bearing maximum degrees of freedom of the rotor movements are possible. According to a further aspect of the invention, the rotor and the stator are arranged an air gap.

Die Aktuatoren und/oder Detektoren sind vorzugsweise jeweils durch Spulen gebildet, die senkrecht zur Oberfläche des Kugelrotors angeordnet sind. Bei den Aktuatoren können zur Steigerung der magnetischen Flussdichte können die Aktuatoren einen Eisenkern aufweisen. Durch eine entsprechende Beschaltung der verschiedenen Aktuatoren können die gewünschten Drehmomente auf den Rotor aufgebracht werden. Bei einer Teilung der Rotors in 32 Dreiecksflächen, sind die jeweiligen mittleren Dreiecke einer in zweiter Ordnung aufgeteilten Kugeloberfläche, die in erster Ordnung in acht Achtelkugeln aufgeteilt ist, aufgrund der Wölbung der Oberfläche geringfügig größer, als die vier das mittlere Dreieck umgebende Dreiecke. Diese Flächenabweichung ist durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren auszugleichen, um ein gleichmäßiges Drehmoment und eine gleichmäßige Rotation des Kugelrotors zu gewährleisten. Umgekehrt muss bei Auswertung der Detektorsignale zur Erfassung der Kugelbewegungen eine entsprechende Korrektur erfolgen, um die geringfügigen Abweichungen der Flächengrößen der Dreiecke bei einer Teilung der Oberfläche in 32 sphärische Dreiecke auszugleichen.The actuators and / or detectors are preferably each formed by coils which are arranged perpendicular to the surface of the ball rotor. In the case of the actuators, in order to increase the magnetic flux density, the actuators may have an iron core. By appropriate wiring of the various actuators, the desired torques can be applied to the rotor. With a division of the rotor into 32 triangular faces, the respective middle triangles of a second order divided spherical surface, which is divided into first eight eighth spheres in the first order, due to the curvature of the surface slightly larger than the four surrounding the middle triangle triangles. This surface deviation is compensated by a corresponding control of the actuators, to ensure a uniform torque and a uniform rotation of the ball rotor. Conversely, when evaluating the detector signals for detecting the ball movements, a corresponding correction must be made in order to compensate for the slight deviations of the area sizes of the triangles when dividing the surface into 32 spherical triangles.

Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß den Merkmalen der weiteren Ansprüche werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention and advantageous embodiments according to the features of the other claims are explained in more detail below with reference to the embodiments illustrated in FIGS. Show it:

1 Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Anordnung mit einem in acht sphärische Dreiecke aufgeteilten Rotor; 1 A first embodiment of the rotor-stator arrangement according to the invention with a rotor divided into eight spherical triangles;

2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Anordnung mit einem in 32 sphärische Dreiecke aufgeteilten Rotor; 2 a second embodiment of the rotor-stator assembly according to the invention with a rotor divided into 32 spherical triangles;

3 einen vergrößerten Ausschnitt des Rotors nach 2; 3 an enlarged section of the rotor after 2 ;

4 eine näherungsweise Abwicklung der Kugeloberfläche des Rotors nach 2; 4 an approximate development of the spherical surface of the rotor to 2 ;

5 eine zweidimensionale vereinfachte Darstellung der Abwicklung nach 4; 5 a two-dimensional simplified representation of the settlement after 4 ;

6 einen zweidimensionalen Schnitt durch den Rotor nach 2. 6 a two-dimensional section through the rotor after 2 ,

1 zeigt den kugelförmigen Rotor 1. Der kugelförmige Rotor 1 weist in dieser Ausführungsform eine Aufteilung der Kugeloberfläche in acht gleich große sphärische Dreiecke auf, die alternierend jeweils einen magnetischen Nordpol und Südpol bilden. Jedes sphärische Dreieck entspricht 1/8 der Kugeloberfläche des kugelförmigen Rotors 1. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der kugelförmige Rotor 1 demnach in Achtelkugelsegmente geteilt, die alternierend magnetische Nord- und Südpole auf der Kugeloberfläche bilden. 1 shows the spherical rotor 1 , The spherical rotor 1 has in this embodiment, a division of the spherical surface into eight equal spherical triangles, which alternately form a magnetic north pole and south pole. Each spherical triangle corresponds to 1/8 of the spherical surface of the spherical rotor 1 , In the embodiment according to 1 is the spherical rotor 1 thus divided into eighth-sphere segments which alternately form magnetic north and south poles on the sphere surface.

Der kugelförmige Rotor 1 ist umgeben von dem Stator, der durch eine Mehrzahl von Aktuatoren 2 gebildet ist. Bei den Aktuatoren 2 handelt es sich um stufenlos ansteuerbare Elektromagnete, die ihrerseits jeweils umpolbar sind, um die gewünschten Magnetfelder und damit ein entsprechendes Drehmoment auf den kugelförmigen Rotor 1 zu erzeugen, um den kugelförmigen Rotor 1 in beliebige Rotationsrichtungen bewegen zu können. Hierzu sind in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 insgesamt sieben Aktuatoren 2 über einem Teil der Oberfläche des kugelförmigen Rotors 1 angeordnet, die den Stator bilden. The spherical rotor 1 is surrounded by the stator by a plurality of actuators 2 is formed. At the actuators 2 it is steplessly controllable electromagnets, which in turn are each umpolbar to the desired magnetic fields and thus a corresponding torque to the spherical rotor 1 to generate the spherical rotor 1 to move in any direction of rotation. For this purpose, in the embodiment according to 1 a total of seven actuators 2 over a part of the surface of the spherical rotor 1 arranged, which form the stator.

Die Aktuatoren 2 bilden den Stator und sind dabei so angeordnet, dass in sämtlichen Rotationsrichtungen des kugelförmigen Rotors 1 jeweils mehr als ein sphärischer dreieckiger Sektor überspannt wird, um durch entsprechende Polung und Ansteuerung der Aktuatoren 2 das gewünschte Drehmoment auf den Rotor 1 ausüben zu können. Bei den sphärischen Dreiecken des kugelförmigen Rotors 1 handelt es sich um Permanentmagnete, die alternierend magnetische Nordpole und magnetische Südpole auf der Oberfläche des kugelförmigen Rotors 1 bilden. Dem gegenüber sind die Aktuatoren 2 stufenlos ansteuerbar und umpolbar, so dass das gewünschte Drehmoment und die gewünschte Bewegungsrichtung des Rotors entsprechend erzielt werden kann.The actuators 2 Form the stator and are arranged so that in all directions of rotation of the spherical rotor 1 in each case more than one spherical triangular sector is spanned, by corresponding polarity and control of the actuators 2 the desired torque on the rotor 1 to be able to exercise. At the spherical triangles of the spherical rotor 1 These are permanent magnets, alternating magnetic north poles and magnetic south poles on the surface of the spherical rotor 1 form. Opposite are the actuators 2 steplessly controlled and umpolbar, so that the desired torque and the desired direction of movement of the rotor can be achieved accordingly.

In 2 ist dargestellt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Anordnung. Bei der Ausführungsform nach 2 ist die Oberfläche des kugelförmigen Rotors 10 in insgesamt 32 Dreiecke aufgeteilt, die wiederum alternierend permanentmagnetische Nordpole und Südpole auf der Kugeloberfläche des Rotors 10 bilden. Umgeben ist der kugelförmige Rotor 10 durch den Stator 20, der durch eine Mehrzahl von Aktuatoren 20 gebildet ist. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 sind insgesamt vier Aktuatoren 20, welche den Stator bilden, angeordnet, von denen in dieser Darstellung drei sichtbar sind.In 2 is shown a second embodiment of the rotor-stator assembly according to the invention. In the embodiment according to 2 is the surface of the spherical rotor 10 divided into a total of 32 triangles, which in turn alternately permanent magnetic north poles and south poles on the spherical surface of the rotor 10 form. Surrounded is the spherical rotor 10 through the stator 20 by a plurality of actuators 20 is formed. In the embodiment according to 2 are a total of four actuators 20 which form the stator are arranged, three of which are visible in this illustration.

Die Aufteilung der Kugeloberfläche in 32 sphärische Dreiecke ergibt sich aus 3. Die Grundaufteilung der Kugeloberfläche ist wiederum eine Aufteilung in acht gleich große sphärische Dreiecke entsprechend jeweils einem Achtel der Kugeloberfläche. Jeder Achtelkugelsektor wird an den Längenhalbierenden seiner Begrenzungslinien geteilt, wie dies in 3 dargestellt ist. Der Mittelpunkt 15 einer jeden Grenzlinie 16 zum Nachbarkugelsektor bildet dann den Eckpunkt des mittleren Dreiecks 11, welches von drei äußeren verbleibenden Dreiecken 12, 13, 14 umgeben ist. In der beschriebenen Weise wird jeder Achtelkugelsektor der Grundteilung weiter in vier Dreiecke 11, 12, 13, 14 aufgeteilt. Diese aus jeweils 4 sphärischen Dreiecken 11, 12, 13, 14 bestehenden Segmente werden dann rotationssymmetrisch auf der Kugeloberfläche angeordnet und die Kugeloberfläche wird in 32 sphärische Dreiecke aufgeteilt. Insgesamt werden die 32 sphärischen Dreiecke, die zu jeweils 4 Dreiecken 11, 12, 13, 14 einen Achtelkugelsektor bilden, rotationssymmetrisch auf der Kugeloberfläche angeordnet, wobei jedes Dreieck 11, 12, 13, 14 einen magnetischen Pol bildet. Die permanentmagnetischen Nord- und Südpole sind alternierend auf der Kugeloberfläche angeordnet.The division of the spherical surface into 32 spherical triangles results 3 , The basic division of the spherical surface is in turn a division into eight equal spherical triangles corresponding to one eighth of the spherical surface. Each eighth sphere sector is divided at the ends of its boundary lines, as in 3 is shown. The middle-point 15 every boundary line 16 to the neighboring ball sector then forms the vertex of the middle triangle 11 , which consists of three outer remaining triangles 12 . 13 . 14 is surrounded. In the manner described, each eighth sphere sector of the basic division continues into four triangles 11 . 12 . 13 . 14 divided up. These each consist of 4 spherical triangles 11 . 12 . 13 . 14 existing segments are then arranged rotationally symmetrical on the spherical surface and the spherical surface is divided into 32 spherical triangles. In total, the 32 spherical triangles, each containing 4 triangles 11 . 12 . 13 . 14 forming an eighth sphere sector, arranged rotationally symmetrically on the spherical surface, each triangle 11 . 12 . 13 . 14 forms a magnetic pole. The permanent magnetic north and south poles are arranged alternately on the spherical surface.

In 4 ist eine Projektion der Kugeloberfläche dargestellt als näherungsweise Abwicklung der Kugeloberfläche. Daraus ergibt sich, dass aufgrund der Wölbung der Achtelkugelsektoren das mittlere Dreieck 11 eine etwas größere Fläche aufweist, als die jeweiligen äußeren Dreiecke 12, 13, 14. Die sich daraus ergebenden Schwankungen im Drehmoment und der Drehgeschwindigkeit des kugelförmigen Rotors 10 werden durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren 20 ausgeglichen. Hierzu verfügt die erfindungsgemäße Rotor-Stator-Anordnung über ein entsprechendes Steuergerät, über welches die Ansteuerung der einzeln ansteuerbaren Aktuatoren 20 erfolgt. Die Aktuatoren 20 sind stufenlos und umpolbar ansteuerbar, sodass die für die gewünschten Rotationen des Rotors 10 benötigten magnetischen Felder durch die Aktuatoren 20 erzeugt werden können.In 4 is a projection of the spherical surface shown as an approximate development of the spherical surface. As a result, due to the curvature of the eighth-sphere sectors, the middle triangle 11 has a slightly larger area than the respective outer triangles 12 . 13 . 14 , The resulting fluctuations in the torque and the rotational speed of the spherical rotor 10 be by a corresponding control of the actuators 20 balanced. For this purpose, the rotor-stator arrangement according to the invention has a corresponding control device, via which the control of the individually controllable actuators 20 he follows. The actuators 20 are stepless and umpolbar controllable, so that for the desired rotations of the rotor 10 required magnetic fields through the actuators 20 can be generated.

Die Ansteuerung und der Antrieb des kugelförmigen Rotors ergibt sich aus 5, die eine zweidimensional vereinfachte Kugeloberfläche der näherungsweisen Abwicklung der Kugeloberfläche nach 4 zeigt. Erkennbar ist die alternierende Anordnung der magnetischen Nord- und Südpole auf der Kugeloberfläche, die jeweils durch ein Dreieck gebildet werden.The control and the drive of the spherical rotor results from 5 , which simulates a two-dimensionally simplified spherical surface of the approximate development of the spherical surface 4 shows. Visible is the alternating arrangement of the magnetic north and south poles on the Spherical surface, each formed by a triangle.

Wie durch die Pfeile 31, 32, 33 angedeutet, kann der Rotor durch eine entsprechende Ansteuerung der Aktuatoren in jede beliebige Rotationsrichtung gedreht werden, durch Ansteuerung und entsprechende Polung der Aktuatoren. Die Doppelpfeile 31, 32, 33 gemäß 5 charakterisieren die Freiheitsgrade der Rotation des kugelförmigen Rotors. Wie durch die Doppelpfeile 31, 32, 33 in der Bildebene nach 5 angedeutet, kann der Rotor um sämtliche Achsen eines kartesischen Koordinatensystems in jeweils beiden Richtungen frei rotieren. Das kartesische Koordinatensystem hat dabei seinen Ursprung im Mittelpunkt des kugelförmigen Rotors. Betrachtet man die x- und y-Achse eines kartesischen Koordinatensystems als in der Bildebene gemäß 5 liegend und die z-Achse als senkrecht aus der Bildebene heraustretend, so wird durch den Doppelpfeil 33 eine Rotation in beiden Richtungen um die x-Achse, durch den Doppelpfeil 32 eine Rotation in beiden Richtungen um die y-Achse und durch den Doppelpfeil 31 eine Rotation in beiden Richtungen um die z-Achse dargestellt. Durch eine Superposition der möglichen Bewegungen des Rotors können beliebige Drehbewegungen des Rotors ausgeführt werden. Hierzu ist der Rotor schwimmend gelagert. Die vollständige freie Beweglichkeit des Rotors ist ein besonders wichtiger Aspekt der Erfindung.As by the arrows 31 . 32 . 33 indicated, the rotor can be rotated by a corresponding control of the actuators in any direction of rotation, by driving and corresponding polarity of the actuators. The double arrows 31 . 32 . 33 according to 5 characterize the degrees of freedom of rotation of the spherical rotor. As by the double arrows 31 . 32 . 33 in the picture plane 5 indicated, the rotor can rotate freely about all axes of a Cartesian coordinate system in both directions. The Cartesian coordinate system has its origin in the center of the spherical rotor. Consider the x and y axes of a Cartesian coordinate system as in the image plane 5 lying and the z-axis emerges as perpendicular from the image plane, so is by the double arrow 33 a rotation in both directions about the x-axis, through the double arrow 32 a rotation in both directions about the y-axis and the double arrow 31 a rotation in both directions about the z-axis is shown. By a superposition of the possible movements of the rotor arbitrary rotational movements of the rotor can be performed. For this purpose, the rotor is floating. The complete free mobility of the rotor is a particularly important aspect of the invention.

Alternativ oder kumulativ zu den Aktuatoren 20 kann der Stator auch mehrere Detektoren aufweisen, in denen bei Drehung des kugelförmigen Rotors entsprechende Spannungen induziert werden. Durch Ermittlung und Auswertung dieser in den Detektoren induzierter Spannungen kann die Rotation der Kugel erfasst werden. Durch eine solche Erfassung können auf den Rotor ausgeübte Bewegungen erfasst und überwacht werden. Die sich aufgrund der geringfügigen Abweichungen der Flächengrößen der verschiedenen Dreiecke bei einer Teilung der Rotoroberfläche in 32 sphärische Dreiecke ergebenden Schwankungen der Detektorsignale werden mittels einer Auswerteeinheit korrigiert. Hierdurch lassen sich die Winkelgeschwindigkeiten und/oder Drehmomente korrekt erfassen. Auch besteht die Möglichkeit, Aktuatoren und Detektoren in Kombination anzuordnen, um die mittels der Aktuatoren herbeigeführten Rotorbewegungen mittels der Detektoren zu überwachen. Auch ist ein Betrieb der Rotor-Stator-Anordnung im reinen Generatorbetrieb möglich.Alternatively or cumulatively to the actuators 20 For example, the stator may also have a plurality of detectors in which corresponding voltages are induced upon rotation of the spherical rotor. By detecting and evaluating these voltages induced in the detectors, the rotation of the ball can be detected. By such a detection, movements exerted on the rotor can be detected and monitored. The fluctuations in the detector signals resulting from the slight deviations of the surface sizes of the various triangles when the rotor surface is divided into 32 spherical triangles are corrected by means of an evaluation unit. As a result, the angular velocities and / or torques can be detected correctly. It is also possible to arrange actuators and detectors in combination in order to monitor the rotor movements induced by means of the actuators by means of the detectors. It is also possible to operate the rotor-stator arrangement in pure generator mode.

6 zeigt einen zweidimensionalen Schnitt zur Erläuterung der Ansteuerung des kugelförmigen Rotors. In dem Schnitt nach 6 sind erkennbar die auf dem Umfang des Rotors alternierend angeordneten permanentmagnetischen Nord- und Südpole, welche durch die sphärischen Dreiecke auf der Kugeloberfläche gebildet werden. Bei einem Schnitt durch den Rotor 10 unterhalb der Äquatorlinie ergibt sich die Abfolge der magnetischen Nord- und Südpole, wie sie in 6 dargestellt ist. Die Aktuatoren 20 sind in ihrer Polarität und Intensität ansteuerbar, um das entsprechend gewünschte Drehmoment in Richtung des Pfeiles 34 bei der Darstellung gemäß 6 zu erzeugen. Da eine Mehrzahl von Aktuatoren 20 in verschiedenen Schnittebenen analog zu der Schnittebene nach 6 den Stator bilden, sind durch Superposition die gewünschten Rotationsbewegungen des in sechs Freiheitsgraden frei drehbaren Rotors 10 erzielbar. 6 shows a two-dimensional section for explaining the control of the spherical rotor. In the cut after 6 are recognizable on the circumference of the rotor alternately arranged permanent magnetic north and south poles, which are formed by the spherical triangles on the spherical surface. When cutting through the rotor 10 below the equatorial line results the sequence of magnetic north and south poles, as in 6 is shown. The actuators 20 are controllable in their polarity and intensity to the corresponding desired torque in the direction of the arrow 34 in the presentation according to 6 to create. Because a plurality of actuators 20 in different cutting planes analogous to the cutting plane 6 form the stator, are by superposition, the desired rotational movements of the freely rotatable in six degrees of freedom rotor 10 achievable.

Es können eine beliebige Anzahl von Aktuatoren und/oder Detektoren angeordnet sein. Je größer die Anzahl der über dem Umfang oder einem Teil des Umfangs des kugelförmigen Rotors angeordneten Aktuatoren ist, umso exakter lässt sich der Rotor ansteuern und betätigen.Any number of actuators and / or detectors may be arranged. The larger the number of arranged over the circumference or a part of the circumference of the spherical rotor actuators, the more accurate the rotor can be controlled and operated.

Ein mögliches Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Rotor-Stator-Anordnung liegt in dem multidirektionalen Antrieb eines elektromotorischen Einrades als Transport- oder Fördervorrichtung sowie ferner als Antrieb von Fahrzeugen und Geräten oder dergleichen. Eine weitere mögliche Anwendung ist beispielsweise für verstellbare Außenspiel und/oder Innenspiegel bei Kraftfahrzeugen, die um ein Kugelgelenk herum verstellbar sind. Hierzu eignet sich die erfindungsgemäße Rotor-Stator-Anordnung aufgrund der vollständigen Beweglichkeit des Rotors in beliebige Rotationsrichtungen besonders gut.One possible field of application of the rotor-stator arrangement according to the invention is the multidirectional drive of an electromotive unicycle as a transport or conveying device and furthermore as drive of vehicles and devices or the like. Another possible application is, for example, for adjustable outdoor game and / or interior mirrors in motor vehicles, which are adjustable around a ball joint. For this purpose, the rotor-stator arrangement according to the invention is particularly well suited due to the complete mobility of the rotor in any direction of rotation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19722814 A1 [0002]

Claims

Rotor-stator arrangement with a spherical rotor ( 1 . 10 ) whose surface has a plurality of partial surfaces which alternately form permanent magnetic north and south poles on the spherical surface, wherein the rotor ( 1 . 10 ) at least partially from a stator ( 2 . 20 ) is surrounded, characterized in that the poles are formed on the spherical surface by spherical triangles.

Arrangement according to claim 1, characterized in that the spherical surface is divided into an even number of spherical triangles forming the poles on the spherical surface.

Arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that the spherical triangles of the rotor forming the poles ( 1 . 10 ) are generated in a first order by a division of the spherical surface into eight, in particular, equal-sized spherical triangular ball sectors corresponding to one eighth ball each.

Arrangement according to claim 3, characterized in that the spherical triangles of the rotor forming the poles ( 1 . 10 ) in n + 1st order by a division of the triangular surfaces of the nth order into four spherical triangular spherical sectors ( 11 . 12 . 13 . 14 ), wherein the process of surface division on the spherical surface can be repeated iteratively as often as iteratively to produce the division of the next higher order.

Arrangement according to claim 3 or 4, characterized in that the division of the ball surface for generating the poles of the rotor ( 10 ) forming spherical triangles is created by each vertex ( 15 ) of a middle triangle ( 11 ) of an eighth sphere sector on the half of the contact line ( 16 ) of the eighth-sphere sector to the adjacent sphere sector, so that a division of all eighth-balls into four triangles ( 11 . 12 . 13 . 14 ) he follows.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the spherical rotor ( 1 . 10 ) surrounding stator multiple actuators ( 2 . 20 ) for generating magnetic fields for generating a torque on the rotor ( 1 . 10 ) having.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the spherical rotor ( 1 . 10 ) surrounding stator multiple actuators ( 2 . 20 ), which are arranged such that a torque generation on the rotor ( 1 . 10 ) is made possible by three mutually perpendicular axes (x, y, z) in each of the two directions of rotation about each axis.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the spherical ( 1 . 10 ) Rotor surrounding stator multiple actuators ( 2 . 20 ) for the generation of magnetic fields, which are steplessly controlled with umschalbarer polarity.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the spherical rotor ( 1 . 10 ) surrounding stator a plurality of detectors for detecting a magnetic induction due to rotation of the rotor ( 1 . 10 ) having.

Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the spherical rotor ( 1 . 10 ) surrounding stator a plurality of detectors for detecting a magnetic induction due to rotation of the rotor ( 1 . 10 ) arranged so as to prevent movement of the rotor ( 1 . 10 ) to detect three mutually perpendicular axes (x, y, z) in each of two directions of rotation about each axis (x, y, z).