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Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Elektrische Antriebe sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die
DE 10 2011 120 434 A1 offenbart einen elektrischen Antrieb mit Magneten und elektromagnetischen Antriebsmitteln. Dabei werden die elektromagnetischen Antriebsmitteln so mit Strom beschaltet, dass die Magnetkräfte zwischen den Magneten und den elektromagnetischen Antriebsmitteln eine Antriebswelle in Rotation versetzen. Es sind außerdem elektrische Antriebe bekannt, bei denen die elektromagnetischen Antriebsmittel um einen Wickelkern gewickelt sind, der frei von ferromagnetischen Materialien ist.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen besonders leistungsstarken und dabei kleinen elektrischen Antrieb und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Antriebs zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Antrieb gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der elektrische Antrieb umfasst Magnete, beispielsweise Permanentmagnete, und mehrere elektromagnetische Antriebsmittel, beispielsweise Spulen. Die elektromagnetischen Antriebsmittel weisen dabei jeweils mehrere Wicklungen eines elektrisch leitfähigen Materials auf. Die Wicklungen sind um einen Wickelkern gewickelt, der frei von ferromagnetischen Materialien, beispielsweise Eisen, Cobalt und Nickel, ist. Die elektromagnetischen Antriebsmittel sind auf einem ersten geometrischen Antriebsmittelkreisumfang und auf einem zweiten geometrischen Antriebsmittelkreisumfang angeordnet.
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Unter einem geometrischen Kreisumfang wird dabei im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein virtueller Kreisumfang verstanden. Es muss sich dabei also nicht zwangsläufig um ein kreisförmiges Bauteil handeln.
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Die Magnete sind auf einem ersten geometrischen Magnetkreisumfang, auf einem zweiten geometrischen Magnetkreisumfang und auf einem dritten geometrischen Magnetkreisumfang angeordnet. Der erste Antriebsmittelkreisumfang ist dabei zwischen dem ersten Magnetkreisumfang und dem dritten Magnetkreisumfang angeordnet. Der zweite Antriebsmittelkreisumfang ist zwischen dem zweiten Magnetkreisumfang und dem dritten Magnetkreisumfang angeordnet. Es ist insbesondere möglich, dass der erste Magnetkreisumfang, der zweite Magnetkreisumfang, der dritte Magnetkreisumfang, der erste Antriebsmittelkreisumfang und der zweite Antriebsmittelkreisumfang konzentrisch angeordnet sind.
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Durch diese Anordnung der Magnete wird ein statisches Magnetfeld zwischen den gegenüberliegenden Magneten erzeugt. Die Wechselwirkung mit den dazwischen angeordneten elektromagnetischen Antriebsmitteln erzeugt einen Kraftvektor, der die gewünschte Rotation der elektromagnetischen Antriebsmittel relativ zu den Magneten verursacht. Es entstehen keine oder besonders geringe Kräfte, die auf eine Lagerung des Rotors wirken. Somit werden keine besonders hohen Anforderungen an diese Lagerung gestellt. Die für die Lagerung verwendeten Bauteile können daher besonders leicht ausgeführt werden.
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Eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Magneten und ferromagnetischen Wickelkernen stellt relativ hohe Anforderungen an die Präzision der Fertigung der Lagerung des Rotors. Da diese Wechselwirkung bei dem hier beschriebenen Antrieb nicht vorhanden ist, gibt es dementsprechend auch geringere Anforderungen an die Präzision der Fertigung der Lagerung. Somit wird die Herstellung des Antriebs insgesamt vereinfacht. Dies gilt insbesondere für Antriebe mit relativ großem Hohlwellen-Durchmesser der Antriebswelle.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass relativ wenig Energie verschwendet wird. Die Wechselwirkung der Magnete ist statisch. Es wird keine Energie für das wechselweise Magnetisieren unter Umständen vorhandener Eisenkerne der Spulen verschwendet.
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Bei einem Wickelkern mit einem ferromagnetischen Material entstehen kurze Rastmomente, die zum vom Antrieb verursachten Geräusch beitragen. Diese Rastmomente entfallen, wenn der Wickelkern frei von ferromagnetischen Materialien ist.
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Es ist auch möglich, dass mehr als drei Magnetkreisumfänge und mehr als zwei Antriebsmittelkreisumfänge vorgesehen sind. Dabei kann jeweils ein Antriebsmittelkreisumfang zwischen zwei Magnetkreisumfängen angeordnet sein. Wenn beispielsweise n Antriebsmittelkreisumfänge vorgesehen sind, sind vorteilhafterweise n+1 Magnetkreisumfänge vorgesehen.
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Die Verwendung von mehreren Antriebsmittelkreisumfängen, zum Beispiel zwei, die jeweils zwischen zwei Magnetkreisumfängen angeordnet sind, ist vorteilhaft, da vorzugsweise bei mehr als zwei Magnetkreisumfängen nur der innerste und der äußerste Magnetkreisumfang durch Rückschlussringe geschlossen werden. Der oder die Magnetkreisumfänge zwischen dem innersten und dem äußersten Magnetkreisumfang benötigen keinen Rückschlussring, da die Magnete auf diesen Magnetkreisumfängen in beide Richtungen wirken. Somit kann ein besonders leistungsstarker Motor mit geringer Baugröße erreicht werden. Die Masse der Wicklungen der elektromagnetischen Antriebsmittel kann besonders groß sein, ohne dass das Spaltmaß zwischen den Magnetkreisumfängen vergrößert werden muss.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Magnete starr miteinander verbunden sein. Es ist insbesondere möglich, dass die Magnete aller Magnetumfänge starr miteinander verbunden sind. Dies kann bedeuten, dass die Magnete des ersten Magnetkreisumfanges starr mit den Magneten des zweiten Magnetkreisumfanges und starr mit den Magneten des dritten Magnetkreisumfangs verbunden sind. Aufgrund dieser starren Verbindung entstehen besonders wenige Kräfte, die von der Lagerung des Rotors aufgenommen werden müssen. Es gibt keine oder nur sehr geringe Relativbewegungen zwischen den Magneten.
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Es ist möglich, dass der Antrieb eine Antriebswelle aufweist. Die Antriebswelle ist dabei mit dem Rotor des Antriebs verbunden und wird durch den Antrieb angetrieben. Die Wicklungen der elektromagnetischen Antriebsmittel sind jeweils um eine geometrische Wickelachse gewickelt. Die Antriebswelle ist orthogonal zu den Wickelachsen angeordnet. Diese Anordnung der Wickelachsen ist vorteilhaft für eine besonders große Effizienz des elektrischen Antriebs.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Antrieb einen Stator und einen Rotor umfassen. Die elektromagnetischen Antriebsmittel können Bestandteile des Stators und die Magnete Bestandteile des Rotors sein. Während des Betriebs des Antriebs dreht sich der Rotor relativ zum Stator. Der Stator rotiert während des Betriebs des Antriebs nicht.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Antrieb ein Gleitlager umfassen, mit dem der Rotor am Stator gelagert ist. Die Verwendung eines Gleitlagers ist aufgrund der relativ geringen Lagerungskräfte möglich und stellt eine besonders gewichtsparende und einfach herzustellende Lagerung dar.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Antrieb ein Gehäuse umfassen, in dem die Magnete angeordnet sind. Dies kann eine besonders einfache Art sein, die Magnete starr miteinander zu verbinden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann das Gehäuse aus Kunststoff sein. Dies ist möglich, da das Gehäuse nur besonders geringe Kräfte aufnehmen muss. Die Fertigung aus Kunststoff ist besonders kostengünstig und gewichtsparend.
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Der Antrieb kann durch verschiedene oben erwähnte Merkmale besonders gewichtsparend ausgebildet sein. Dadurch eignet er sich besonders gut für Anwendungen im Bereich unbemannter fliegender Vorrichtungen wie beispielsweise Drohnen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung können die Magnete als Permanentmagnete ausgebildet sein. Diese erzeugen ein statisches Magnetfeld, sodass die auftretenden Lagerungskräfte besonders gering sind.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Antrieb einen ersten Rückschlussring umfassen, der entlang des ersten geometrischen Magnetkreisumfanges angeordnet ist. Der erste Rückschlussring ist als Rückschlussring für die Magnete ausgebildet, die auf dem ersten geometrischen Magnetkreisumfang angeordnet sind. Der erste Rückschlussring verbessert den magnetischen Fluss zwischen den Permanentmagneten und steigert somit die Effizienz des Antriebs.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann der Antrieb einen zweiten Rückschlussring umfassen, der entlang des zweiten geometrischen Magnetkreisumfangs angeordnet ist. Der zweite Rückschlussring ist als Rückschlussring für die Magnete ausgebildet, die auf dem zweiten geometrischen Magnetkreisumfang angeordnet sind. Der zweite Rückschlussring verbessert den magnetischen Fluss zwischen den Permanentmagneten und steigert somit die Effizient des Antriebs.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Dabei werden für gleiche oder ähnliche Bauteile und für Bauteile mit gleichen oder ähnlichen Funktionen dieselben Bezugszeichen verwendet. Darin zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf einen Antrieb nach einer Ausführungsform der Erfindung.
- 2 eine schematische Schnittansicht entlang der in 1 eingezeichneten Schnittlinie A-A.
- 3 eine schematische Seitenansicht des Antriebs aus den 1 und 2.
- 4 eine schematische Schnittansicht entlang der in 3 eingezeichneten Schnittlinie B-B.
- 5 eine schematische Draufsicht nach einer alternativen Ausführungsform der Erfindung.
- 6 eine schematische Schnittansicht entlang der in 5 eingezeichneten Schnittlinie A-A.
- 7 eine schematische Seitenansicht des Antriebs aus den 5 und 6.
- 8 eine schematische Schnittansicht entlang der in 7 eingezeichneten Schnittlinie B-B
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Der elektrische Antrieb 100 umfasst einen ersten geometrischen Kreisumfang 101, einen zweiten geometrischen Kreisumfang 102 und einen Spulenkreisumfang 103. Auf dem ersten geometrischen Kreisumfang 101 und dem zweiten geometrischen Kreisumfang 102 sind Permanentmagnete 104 angeordnet. Auf dem Spulenkreisumfang 103 sind Spulen 105 angeordnet. Der Spulenkreisumfang 103, der erste geometrische Kreisumfang 101 und der zweite geometrische Kreisumfang 102 sind konzentrisch angeordnet. Dabei ist der Spulenkreisumfang 103 zwischen dem ersten geometrischen Kreisumfang 101 und dem zweiten geometrischen Kreisumfang 102 angeordnet.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur einige der Permanentmagnete 104 und der Spulen 105 mit Bezugszeichen versehen.
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Ein erster Rückschlussring 106 umgibt den ersten geometrischen Kreisumfang 101 an seiner nach außen gerichteten Seite. Über den ersten Rückschlussring 106 sind die Permanentmagnete 104 des ersten geometrischen Kreisumfangs 101 miteinander verbunden. Ein zweiter Rückschlussring 107 umgibt den zweiten geometrischen Kreisumfang 102 an seiner nach innen gerichteten Seite. Über den zweiten Rückschlussring 107 sind die Permanentmagnete 104 des zweiten geometrischen Kreisumfangs 102 miteinander verbunden.
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Die einander gegenüberliegenden Permanentmagnete 104 des ersten geometrischen Kreisumfangs 101 und des zweiten geometrischen Kreisumfangs 102 erzeugen zwischen sich ein statisches Magnetfeld. Durch geeignete Schaltung der Spulen 105 können die Permanentmagnete 104 in Rotation versetzt werden. Die Permanentmagnete 104 sind somit Bestandteile des Rotors 202, während die Spulen 105 im Stator 203 angeordnet sind. Wenn die Permanentmagnete 104 in Rotation sind, dreht sich ebenfalls die Antriebswelle 200. Die Antriebswelle 200 ist dabei mit Lagermitteln 201 gelagert.
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Die Spulen 105 sind frei von ferromagnetischen Wickelkernen. Hierdurch und durch die Anordnung der Permanentmagnete 104 und Spulen 105 ergeben sich Vorteile, die vor allem für eine Gewichtsreduzierung des Antriebs 100 genutzt werden können. Aufgrund der fehlenden Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten 104 und den Wickelkernen entstehen keine oder nur sehr geringe Kräfte, die durch die Lagermittel 201 aufgenommen werden müssen. Die Lagermittel 201 können somit besonders gewichtsparend und einfach hergestellt werden. An die Präzision bei der Fertigung der Lagermittel 201 werden keine besonders hohen Anforderungen gestellt.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass keine Energie für eine Magnetisierung der Eisenkerne der Spulen 105 aufgewendet werden muss.
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Der in den 5 bis 8 dargestellte Antrieb 500 unterscheidet sich vom Antrieb 100 aus den 1 bis 4 im Wesentlichen dadurch, dass ein dritter Magnetkreisumfang 501 und ein zweiter Antriebsmittelkreisumfang 502 vorgesehen sind. Auf dem dritten Magnetkreisumfang 501 sind Magnete 104 angeordnet. Auf dem zweiten Antriebsmittelkreisumfang 502 sind elektromagnetische Antriebsmittel 105 angeordnet. Der dritte Magnetkreisumfang 501 ist dabei zwischen dem ersten geometrischen Antriebsmittelkreisumfang 103 und dem zweiten Antriebsmittelkreisumfang 502 angeordnet. Der zweite Antriebsmittelkreisumfang 502 ist zwischen dem dritten Magnetkreisumfang 501 und dem zweiten Magnetkreisumfang 102 angeordnet.
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Durch den zusätzlichen Magnetkreisumfang 501 und den zusätzlichen Antriebsmittelkreisumfang 502 wird die Effizienz des Antriebs 500 im Vergleich zum Antrieb 100 gesteigert. Für die Magnete 104 des dritten Magnetkreisumfangs 502 wird kein Rückschlussring benötigt, da die Magnete 104 des dritten Magnetkreisumfangs 502 in beide Richtungen wirken. Diese Magnetfelder werden also besonders effizient ausgenutzt.
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Durch mehr als einen Antriebsmittelkreisumfang und mehr als zwei Magnetkreisumfänge kann somit mehr Energie pro Bauvolumen umgesetzt werden, da die Masse der elektromagnetischen Antriebsmittel 105 erhöht werden kann, ohne dass das Spaltmaß zwischen den Magnetkreisumfängen vergrößert werden muss.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011120434 A1 [0002]
