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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Axialflussmotor, welcher beispielsweise zum Antrieb eines fahrerlosen Transportfahrzeuges ausgebildet ist. Der Axialflussmotor umfasst mindestens zwei scheibenförmige Statoren und mindestens einen scheibenförmigen Rotor. Weiterhin betrifft die Erfindung ein fahrerloses Transportfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Axialflussmotor.
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Die
EP 3 293 871 A1 beschreibt einen Aufzugtürantrieb, welcher einen elektrischen Axialflussmotor umfasst. Der Axialflussmotor umfasst einen Rotor, einen Stator und eine Welle, auf welcher der Rotor drehfest angeordnet ist. Der Rotor weist mehrere Permanentmagneten auf. Der Stator hat eine flache Form und liegt dem Rotor gegenüber. Der Stator oder die Statoren umfassen eine Leiterplatte mit Spulenwindungen.
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Die
WO 2014/187447 A1 zeigt ein Aggregat mit einem scheibenförmigen, langsam laufenden Axialflussmotor, welcher doppelseitig ausgeführt sein kann.
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Die
WO 2017/162243 A1 zeigt eine Antriebsanordnung mit einem scheibenförmigen Außenläufermotor nach dem Vernier-Prinzip.
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Der Artikel von P. M. Tlali, R-J. Wang und S. Gerber: „Magnetic Gear Technologies: A Review" in 2014 International Conference on Electrical Machines (ICEM), IEEE Xplore, 2.-5. September 2014, DOI: 10.1109/ICELMACH.2014.6960233 gibt einen Überblick über die historische und aktuelle Entwicklung der Magnetgetriebetechnologien. Demnach seien in den letzten Jahren zahlreiche Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten im Bereich der Magnetgetriebetechnologien durchgeführt wurden. Es sei jedoch immer noch nicht klar, ob diese Technologie für potenzielle Industrieanwendungen geeignet ist. Daher werden die historischen und aktuellen Entwicklungsarbeiten der Magnetgetriebetechnologien zusammengefasst, um Vor- und Nachteile, Herausforderungen, Chancen und die technologische Bereitschaft aufzuzeigen. So werden u. a. Magnetgetriebe-Topologien mit konzentrischen, harmonischen und planetmagnetischen Zahnrädern vorgestellt.
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Der Artikel von Fan Wu und Ayman M. El-Refaie: „Permanent Magnet Vernier Machine: A Review" in IET Electric Power Applications, Jahrgang: 13, Ausgabe: 2, 2/2019, DOI: 10.1049/iet-epa.2018.5474, gibt einen Überblick über Permanentmagnet-Vernier-Maschinen (PMVM). Diese Maschinen ermöglichen eine hohe Drehmomentdichte, welche durch den magnetischen Getriebeeffekt ermöglicht wird. Vernier-Maschinen können wie Flussumkehrmaschinen, Flussumschaltungsmaschinen und Transversalflussmaschinen als Synchronmaschinen mit einem integrierten magnetischen Getriebe angesehen werden.
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Die
WO 2017/148825 A1 zeigt eine Vernier-Außenläufermaschine, bei welcher der Außenläufer direkt mit einer anzutreibenden Last mechanisch gekoppelt ist.
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In dem Artikel von Jincheng Yu und Chunhua Liu: „Design of a Double-Stator Magnetless Vernier Machine for Direct-Drive Robotics" in IEEE Transactions on Magnetics Jahrgang: 54, Ausgabe 11, November 2018, DOI: 10.1109/TMAG.2018.2836193, wird eine magnetlose Doppelstator-Vernier-Maschine (DSMV) vorgeschlagen, welche als Direktantrieb für die Robotik verwendet werden kann. Durch die Kombination einer Doppelstatorstruktur, einer Vernier-Konfiguration und einer Gleichstromerregung soll diese DSMV die Vorteile einer Flusssteuerung, einer geringen Drehzahl, eines hohen Drehmomentes, einer Wartungsfreiheit und einer hohen Wirtschaftlichkeit verbinden. Es werden Optimierungen des Rotor-Zahn-Bogenwinkels, des Stator-Zahn-Bogenwinkels und des aktuellen Phasenwinkels vorgeschlagen, um das Drehmoment zu erhöhen.
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Fahrerlose Transportfahrzeuge, welche auch als Automated Ground Vehicle oder Automated Guided Vehicle bezeichnet werden, weisen mindestens einen Antriebsstrang auf, welcher beispielsweise einen Motor mit Getriebe und Radnabenverbindung oder einen Direktantrieb mit Außenläufer umfasst. Als Motor wird zumeist ein Innenläufermotor verwendet, der hohe Geschwindigkeiten erzeugen kann, aber auch ein niedriges Drehmoment aufweist, welches durch das Getriebe angepasst werden muss. Das Getriebe unterliegt einem hohen Verschleiß und bewirkt eine Reduzierung der Effizienz durch Reibung.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, einen verbesserten elektrischen Motor für einen Direktantrieb bereitzustellen, welcher insbesondere als ein Außenläufermotor auf durchgehenden stationären Wellen für fahrerlose Transportfahrzeuge oder in der Robotik eingesetzt werden kann. Der Motor soll eine geringe Komplexität und eine hohe Drehmomentdichte sowie eine hohe Leistungsfähigkeit und eine hohe Lebensdauer durch eine verbesserte Kühlung aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Axialflussmotor gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein fahrerloses Transportfahrzeug gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Axialflussmotor ist für ein fahrerloses Transportfahrzeug gestaltet, wobei er beispielsweise in die Räder des Transportfahrzeuges oder in einem Roboterarm einbaubar ist. Der Axialflussmotor umfasst mindestens zwei scheibenförmige Statoren, welche jeweils mehrere elektrische Spulen aufweisen, die mit einem ein- oder mehrphasigen Wechselstrom zu beaufschlagen sind. Die Spulen sind auf jedem der Statoren jeweils umlaufend um eine Achse des Axialflussmotors angeordnet.
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Der Axialflussmotor umfasst weiterhin mindestens einen scheibenförmigen Rotor, welcher einen Modulator bildet. Der Rotor ist axial zwischen den mindestens zwei Statoren angeordnet. Der mindestens eine Rotor und die Statoren sind koaxial auf der Achse des Axialflussmotors angeordnet. Der Rotor ist um die Achse des Axialflussmotors rotierbar. Der Rotor umfasst mehrere Magnetflussmodulationselemente, welche umlaufend um die Achse des Axialflussmotors angeordnet sind. Hierdurch ist zwischen den mit einem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen der Statoren und den Magnetflussmodulationselementen des den Modulator bildenden Rotors ein magnetisches Getriebe ausgebildet. Der Rotor ist bevorzugt permantentmagnetfrei.
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Die Statoren sind bevorzugt ebenfalls permantentmagnetfrei. Der gesamte Axialflussmotor ist bevorzugt permantentmagnetfrei. Der Axialflussmotor bildet eine Vernier-Maschine.
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Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Axialflussmotors besteht darin, dass er die Vorteile eines Axialflussmotors umfassend scheibenförmige Statoren und einen scheibenförmigen Rotor mit den Vorteilen einer Vernier-Maschine vereint. Der erfindungsgemäße Axialflussmotor umfasst ein integriertes magnetisches Getriebe, sodass auf ein mechanisches Getriebe verzichtet werden kann. Daher wird der erfindungsgemäße Axialflussmotor bevorzugt ohne ein mechanisches Getriebe betrieben. Der erfindungsgemäße Axialflussmotor weist eine geringe Komplexität und eine hohe Drehmomentdichte auf. Der erfindungsgemäße Axialflussmotor besitzt eine hohe Leistungsfähigkeit und eine hohe Lebensdauer durch eine verbesserte Kühlung.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Axialflussmotors bestehen die Magnetflussmodulationselemente aus einem ferromagnetischen Material. Das ferromagnetische Material ist bevorzugt weichmagnetisch.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Axialflussmotors sind die mindestens zwei Statoren zumindest in der Anzahl ihrer mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen gleich, d. h. die Anzahl der mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen eines ersten der Statoren und die Anzahl der mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen eines zweiten der Statoren sind gleich. Zudem sind die mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen auf jedem der Statoren bevorzugt gleich angeordnet. Zudem sind die mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen auf jedem der Statoren bevorzugt gleich ausgebildet. Die mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen sind auf jedem der Statoren bevorzugt gleichverteilt um die Achse angeordnet. Überdies sind die Statoren bevorzugt auch um Übrigen gleich ausgebildet.
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Die Magnetflussmodulationselemente sind auf dem mindestens einen Rotor bevorzugt gleichverteilt um die Achse angeordnet. Die Magnetflussmodulationselemente sind bevorzugt zwischen den mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen der beiden Statoren angeordnet. Die Anzahl der mit dem Wechselstrom zu beaufschlagende Spulen der einzelnen Statoren und die Anzahl der Magnetflussmodulationselemente definieren bevorzugt ein Übersetzungsverhältnis des magnetischen Getriebes.
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Die scheibenförmigen Statoren umfassen bevorzugt jeweils eine mehrschichtige Leiterplatte, welche auch Printed Circuit Board (PCB) genannt wird. Die mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen sind jeweils auf Schichten der jeweiligen mehrschichtigen Leiterplatte als elektrische Leiterbahnen ausgebildet. Die Verwendung von mehrschichtigen Leiterplatten hat den Vorteil, dass dadurch der gesamte Axialflussmotor miniaturisiert hergestellt werden kann, wodurch Bauraum gespart wird.
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Bevorzugt weisen die mehrschichtigen Leiterplatten der einzelnen Statoren jeweils zwischen zehn und dreißig gestapelte Leiterplattenschichten bzw. Leiterplatten auf. Besonders bevorzugt weist die mehrschichtige Leiterplatte zwischen fünfzehn und fünfundzwanzig gestapelte Leiterplattenschichten auf.
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Bevorzugt weisen die mehrschichtigen Leiterplatten der Statoren jeweils mehrere umlaufend angeordnete, durchgängige Öffnungen auf, wobei die Öffnungen jeweils von mindestens einer der mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen in Form der Leiterbahnen umgeben sind. Die Anzahl der Öffnungen entspricht vorzugsweise der Anzahl der mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen des jeweiligen Stators. Die scheibenförmigen Statoren umfassen bevorzugt jeweils eine Eisenkernscheibe. Die Eisenkernscheiben weisen bevorzugt jeweils eine Trägerscheibe auf, auf welcher mehrere Eisenkerne angeordnet sind. Die Eisenkerne erstrecken sich in axialer Richtung in die Öffnungen der jeweiligen Leiterplatte, wo sie von den elektrischen Spulen umgeben sind.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Axialflussmotors ist der mindestens eine Rotor durch ein gestanztes und/oder geprägtes weichmagnetisches Werkstück gebildet. Der Rotor ist somit aufwandsarm herstellbar.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Axialflussmotors ist bei den mit dem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen weiterhin jeweils eine mit einem Gleichstrom zu beaufschlagende Spule angeordnet. Die mit dem Gleichstrom zu beaufschlagende Spulen dienen der Steuerung des magnetischen Flusses im Axialflussmotor, wodurch der Leistungsumfang des erfindungsgemäßen Axialflussmotors vergrößert werden kann. Bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen die Statoren mit den mehrschichtigen Leiterplatten ausgestattet sind, sind die mit dem Gleichstrom zu beaufschlagende Spulen bevorzugt ebenfalls als elektrische Leiterbahnen auf den Schichten der mehrschichtigen Leiterplatten ausgebildet.
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Der erfindungsgemäße Axialflussmotor umfasst bevorzugt eine elektronische Steuerung zur Beaufschlagung der Spulen der Statoren mit einem Wechselstrom. Der Wechselstrom ist bevorzugt mehrphasig. Der Wechselstrom liefert die elektrische Energie zum Antrieb des Axialflussmotors. Die elektronische Steuerung umfasst bevorzugt mindestens zwei Statorsteuerungen, die jeweils zur Beaufschlagung der Spulen eines der Statoren dienen. Die Statorsteuerungen sind zum Steuern einer Drehzahl des Axialflussmotors ausgebildet, sodass sie Drehzahlsteuerungen darstellen. Bei denjenigen Ausführungsformen, bei denen die Statoren mit den mit dem Gleichstrom zu beaufschlagenden Spulen ausgestattet sind, umfasst die elektronische Steuerung bevorzugt zudem mindestens zwei Gleichstromregler für die mit dem Gleichstrom zu beaufschlagenden Spulen eines jeden der Statoren. Die Gleichstromregler dienen zum Steuern des magnetischen Flusses im Axialflussmotor.
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Der erfindungsgemäße Axialflussmotor ist bevorzugt als ein Innenläufermotor ausgebildet, wofür er eine rotierbare Welle umfasst, auf welcher der Rotor drehfest sitzt. Die Statoren sind dabei bevorzugt fest mit einem Gehäuse des Axialflussmotors verbunden. Die rotierbare Welle ist bevorzugt im Gehäuse gelagert. Der erfindungsgemäße Axialflussmotor ist alternativ bevorzugt als ein Außenläufermotor ausgebildet. Dabei sitzen die Statoren bevorzugt fest auf einer stationären Welle, auf welcher bevorzugt der Rotor gelagert ist. Die stationäre Welle ist bevorzugt hindurchgehend durch den Axialflussmotor gestaltet, sodass sie axial beiderseits aus dem Axialflussmotor herausragt.
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Der erfindungsgemäße Axialflussmotor ist bevorzugt zum Antrieb eines fahrerlosen Transportfahrzeuges ausgebildet. Der erfindungsgemäße Axialflussmotor ist bevorzugt als ein Radnabenmotor ausgebildet. Hierfür ist der Axialflussmotor als ein Außenläufermotor ausgebildet und weist bevorzugt eine umfängliche Reifenaufnahme auf, auf welcher ein Reifen eines durch den Radnabenmotor und den Reifen gebildeten Rades aufgezogen werden kann. Die Reifenaufnahme ist bevorzugt auf einem Umfang des Rotors ausgebildet. Der Radnabenmotor umfasst bevorzugt weiterhin ein Felgengehäuse, welches fest mit der Reifenaufnahme und dem Rotor verbunden ist und in welchem die Statoren und der Rotor angeordnet sind.
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Der erfindungsgemäße Axialflussmotor kann bei selbstfahrenden Transportfahrzeugen beispielsweise in der Raumfahrt, dem Logistik-Transport, in Rasenmähern oder in schwenkbaren Roboterarmen, wie sie in der Industrie zur Bestückung oder in der Medizin bekannt sind, zur Anwendung kommen.
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Das erfindungsgemäße fahrerlose Transportfahrzeug umfasst den zuvor beschriebenen Axialflussmotor. Das erfindungsgemäße fahrerlose Transportfahrzeug umfasst bevorzugt mehrere dieser Axialflussmotoren. Das erfindungsgemäße fahrerlose Transportfahrzeug umfasst bevorzugt mindestens eine der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen des Axialflussmotors. Der mindestens eine Axialflussmotor ist bevorzugt zum Antrieb eines Rades des Transportfahrzeuges ausgebildet, insbesondere als ein Radnabenmotor. Der mindestens eine Axialflussmotor ist bevorzugt zum Antrieb eines Roboterarmes des Transportfahrzeuges ausgebildet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
- 1 eine Querschnittsdarstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialflussmotors;
- 2 eine Querschnittsdarstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialflussmotors; und
- 3 ein Blockschaltbild einer elektronischen Steuerung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialflussmotors.
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1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axialflussmotors. Der Axialflussmotor umfasst zwei scheibenförmige Statoren 01 und einen axial dazwischen angeordneten scheibenförmigen Rotor 02, welcher einen Modulator bildet. Die Statoren 01 sind fest in einem Gehäuse 03 des Axialflussmotors verbaut. Der Rotor 02 sitzt fest auf einer Welle 04, welche in Wälzlagern 06 im Gehäuse 03 gelagert ist. Diese erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialflussmotors ist als ein Innenläufer ausgebildet. Die Statoren 01 umfassen jeweils eine Eisenkernscheibe 07 und eine mehrschichtige Leiterplatte 08. Auf den mehrschichtigen Leiterplatten 08 sind Spulen in Form von Leiterbahnen (nicht dargestellt) ausgebildet. Der Rotor 02 umfasst umlaufend angeordnete Magnetflussmodulationselemente (nicht gezeigt), sodass zwischen den mit einem Wechselstrom zu beaufschlagenden Spulen (nicht gezeigt) der Statoren 01 und den Magnetflussmodulationselementen (nicht gezeigt) des Rotors 02 ein magnetisches Getriebe ausgebildet ist.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialflussmotors. Diese zweite Ausführungsform gleicht zunächst der in 1 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zu dieser ist der Axialflussmotor als ein Radnabenmotor ausgebildet. Daher ist diese zweite Ausführungsform als ein Außenläufer ausgebildet. Die Welle 04 ist stationär. Die Statoren 01 sind fest mit der Welle 04 verbunden. Das Gehäuse 03 ist rotierbar und als eine Felge ausgebildet. Das Gehäuse 03 ist fest mit dem Rotor 02 verbunden. Das Gehäuse 03 und der Rotor 02 sind mit den Wälzlagern 06 auf der stationären Welle 04 gelagert. Auf einem umfänglichen Rand des Rotors 02 und des Gehäuses 03 sitzt ein Reifen 09.
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3 zeigt ein Blockschaltbild einer elektronischen Steuerung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Axialflussmotors. Die elektronische Steuerung umfasst eine zentrale Steuereinheit, welche zur Steuerung von zwei elektronischen Geschwindigkeitssteuerungen dient. Die elektronischen Geschwindigkeitssteuerungen dienen zum Beaufschlagen der elektrischen Spulen (nicht gezeigt) jeweils eines der Statoren A und B (als 01 gezeigt in 1) mit einem mehrphasigen Wechselstrom. Die elektronischen Geschwindigkeitssteuerungen erlauben somit die Steuerung einer Drehgeschwindigkeit des Axialflussmotors. Die Die elektronische Steuerung umfasst zudem zwei Gleichstromregler. Die Gleichstromregler dienen zum Beaufschlagen weiterer elektrischer Spulen jeweils eines der Statoren A und B (als 01 gezeigt in 1) mit einem Gleichstrom. Hierdurch ist der magnetische Fluss im Axialflussmotor steuerbar. Die Gleichstromregler werden ebenfalls durch die zentrale Steuereinheit gesteuert.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Stator
- 02
- Rotor
- 03
- Gehäuse
- 04
- Welle
- 05
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- 06
- Wälzlager
- 07
- Eisenkernscheibe
- 08
- mehrschichtige Leiterplatte
- 09
- Reifen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3293871 A1 [0002]
- WO 2014/187447 A1 [0003]
- WO 2017/162243 A1 [0004]
- WO 2017/148825 A1 [0007]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- P. M. Tlali, R-J. Wang und S. Gerber: „Magnetic Gear Technologies: A Review“ in 2014 International Conference on Electrical Machines (ICEM), IEEE Xplore, 2.-5. September 2014 [0005]
- Fan Wu und Ayman M. El-Refaie: „Permanent Magnet Vernier Machine: A Review“ in IET Electric Power Applications, Jahrgang: 13, Ausgabe: 2, 2/2019 [0006]
- Jincheng Yu und Chunhua Liu: „Design of a Double-Stator Magnetless Vernier Machine for Direct-Drive Robotics“ in IEEE Transactions on Magnetics Jahrgang: 54, Ausgabe 11, November 2018 [0008]
