-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine aufweisend einen ersten Stator mit einer ersten mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wicklung, die N erste Stator-Pole umfasst, die in einer Umfangsrichtung der Axialflussmaschine voneinander beabstandet angeordnet sind, einen zweiten Stator mit einer zweiten mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wicklung, die N zweite Stator-Pole umfasst, die in einer Umfangsrichtung der Axialflussmaschine voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei mehrere erste Stator-Pole der ersten Wicklung und mehrere zweite Stator-Pole der zweiten Wicklung zu einer ersten Phase der Axialflussmaschine verschaltet sind, einen zwischen dem ersten Stator und dem zweiten Stator angeordneten Rotor, der gegenüber dem ersten und dem zweiten Stator drehbar ist.
-
Die Bauweise solcher Axialflussmaschinen wird auch als Doppelstatoranordnung bezeichnet. Im Stand der Technik bekannt sind beispielsweise Axialflussmotoren der Baureihe UPRS von Schaeffler, die als Antriebe in Industrierobotern Verwendung finden können. Bei derartigen Axialflussmaschinen mit Doppelstatoranordnung ist der Rotor zwischen zwei außenliegenden Statoren drehbar angeordnet.
-
Für die Verwendung solcher Axialflussmaschinen in Industrierobotern ist es wünschenswert, wenn die Axialflussmaschine ein möglichst hohes Drehmoment bereitstellen kann und gleichzeitig kompakt und mit möglichst geringem Gewicht ausgebildet werden kann, so dass die Axialflussmaschine als Teil einer Gelenkarmlagerung eines Industrieroboters angeordnet werden kann.
-
Vor diesem Hintergrund stellt sich die Aufgabe, das Drehmoment einer elektrischen Axialflussmaschine ohne erhöhten Materialeinsatz zu erhöhen.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Axialflussmaschine mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1. Die weist auf:
- einen ersten Stator mit einer ersten mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wicklung,
- die N erste Stator-Pole umfasst, die in einer Umfangsrichtung der Axialflussmaschine voneinander beabstandet angeordnet sind,
- einen zweiten Stator mit einer zweiten mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wicklung, die N zweite Stator-Pole umfasst, die in einer Umfangsrichtung der Axialflussmaschine voneinander beabstandet angeordnet sind,
- wobei mehrere erste Stator-Pole der ersten Wicklung und mehrere zweite Stator-Pole der zweiten Wicklung zu einer ersten Phase der Axialflussmaschine verschaltet sind,
- einen zwischen dem ersten Stator und dem zweiten Stator angeordneten Rotor, der gegenüber dem ersten und dem zweiten Stator drehbar ist,
- eine Stromquelle zur Bestromung des ersten und zweiten Stators
- wobei der erste Stator und der zweite Stator derart konfiguriert und angeordnet sind, dass die als Teil des zweiten Stators vorgesehenen zweiten Stator-Pole der ersten Phase um einen Versatzwinkel in Umfangsrichtung bezogen auf die als Teil des ersten Stators vorgesehenen ersten Stator-Pole der ersten Phase versetzt angeordnet sind, wobei der Rotor mehrere Rotor-Pole aufweist, wobei ein Rotor-Polabstand bestimmt ist durch den Winkelabstand zweier benachbarter Rotor-Pole, und der Versatzwinkel ein einfacher Rotor-Polabstand oder ein Vielfaches des einfachen Rotor-Polabstands ist, und wobei die Stromquelle zur Bestromung des ersten und zweiten Stators derart eingerichtet ist, dass die Richtung des durch den ersten Stator und zweiten Stator hervorgerufenen Drehmoments am Rotor gleich ist.
-
Bei der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine sind die beiden Statoren derart angeordnet und verschaltet, dass zwei Stator-Pole der beiden Statoren, welche einer gemeinsamen Phase des Axialflussmotors angehören, um den Versatzwinkel in Umfangsrichtung versetzt angeordnet sind. In anderen Worten können die zwei Stator-Pole der beiden Statoren, welche einer gemeinsamen Phase des Axialflussmotors angehören, durch eine virtuelle Verbindungslinie verbunden werden, die nicht senkrecht zu der Umfangsrichtung angeordnet ist, insbesondere nicht parallel zu einer axialen Richtung der Axialflussmaschine angeordnet ist. Vielmehr sind die Stator-Pole der gemeinsamen Phase auf den beiden Statoren derart versetzt angeordnet, dass die virtuelle Verbindungslinie zwischen diesen Stator-Polen mit der Umfangsrichtung der Axialflussmaschine einen Winkel ungleich 90° einschließt.
-
Durch die versetzte Anordnung der Stator-Pole der beiden Statoren ergeben sich gegenüber einer aus dem Stand der Technik bekannten nicht-versetzten Anordnung der Statoren Vorteile im Hinblick auf das Erregerfeld des Rotors und das Feld der Statoren, die nachfolgend beschrieben werden.
-
Bei einer nicht-versetzten Anordnung der Statoren sind die Stator-Pole der beiden Statoren spiegelbildlich in Bezug auf den Rotor angeordnet. Das Erregerfeld des Rotors ruft daher sowohl in dem Rotor als auch in den beiden Statoren eine symmetrische Verteilung der magnetischen Flussdichte hervor. Bei der erfindungsgemäß versetzten Anordnung der Statoren entfällt die spiegelbildliche Anordnung in Bezug auf den Rotor. Folglich bildet sich eine unsymmetrische Verteilung des Erregerfelds im Rotor und den Statoren aus. Es hat sich herausgestellt, dass diese unsymmetrische Verteilung des Erregerfelds im Rotor zu einem im Vergleich zu der nicht-versetzten Anordnung der Statoren höherem Erregerfluss in den beiden Statoren führt. Durch den höheren Erregerfluss in den Statoren kann das Drehmoment der Axialflussmaschine bei identischer Ausgestaltung des Stators erhöht werden.
-
Bei der nicht-versetzten Anordnung der Statoren beeinflusst der durch einen Stator hervorgerufene magnetische Fluss nur die dem jeweiligen Stator zugewandte Seite des Rotors. Der magnetische Fluss teilt sich bezüglich des Rotors symmetrisch auf. Es gibt im Wesentlichen keinen Magnetfluss in einer axialen Richtung von einer Symmetrieseite auf die andere. Zudem ist die durch die Stator-Pole hervorgerufene magnetische Flussdichte im Rotor abhängig von der Winkelposition in Umfangsrichtung des Rotors. Bei der erfindungsgemäß versetzten Anordnung der Statoren steht bei Bestromung entsprechend der aktuellen Phasenlage und Kommutierung ein stark bestromter Stator-Pol einem schwach bestromten Stator-Pol gegenüber. Dadurch wird die Verteilung des durch den Stator hervorgerufenen magnetischen Flusses im Rotor unsymmetrisch. Es hat sich herausgestellt, dass die magnetische Flussdichte durch den Querschnitt des Rotors aber in Umfangsrichtung des Rotors ausgeglichener wird. Der Eisenkreis der Axialflussmaschine wird somit gleichmäßiger genutzt als dies bei der bekannten Anordnung ohne Versatz der Statoren der Fall ist, wodurch der magnetische Widerstand des Rotors gesenkt und der Magnetfluss insgesamt erhöht wird. Insofern kann das Drehmoment der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine ohne erhöhten Materialeinsatz erhöht werden.
-
Die ersten Stator-Pole der ersten Wicklung bzw. die zweiten Stator-Pole der zweiten Wicklung können einen identischen Winkelabstand voneinander aufweisen, welcher auch als Polteilung des Stators oder Stator-Polteilung bezeichnet werden kann.
-
Bevorzugt sind mehrere erste Stator-Pole der ersten Wicklung und mehrere zweite Stator-Pole der zweiten Wicklung zu einer zweiten Phase der Axialflussmaschine verschaltet. Besonders bevorzugt sind mehrere erste Stator-Pole der ersten Wicklung und mehrere zweite Stator-Pole der zweiten Wicklung zu einer dritten Phase der Axialflussmaschine verschaltet. Die ersten Pole der ersten Wicklung sind dabei derart verschaltet, dass ein erster Pol der ersten Wicklung ausschließlich einer Phase der Axialflussmaschine zugeordnet ist. Die zweiten Pole der zweiten Wicklung sind dabei derart verschaltet, dass ein zweiter Pol der zweiten Wicklung ausschließlich einer Phase der Axialflussmaschine zugeordnet ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Rotor mehrere Rotor-Pole aufweist, wobei ein Rotor-Polabstand bestimmt ist durch den Winkelabstand zweier benachbarter Rotor-Pole, und
der Versatzwinkel ein einfacher Rotor-Polabstand oder ein Vielfaches des einfachen Rotor-Polabstands ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer derartigen Ausgestaltung das Drehmoment vorteilhaft erhöht werden kann.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Rotor mehrere Rotor-Pole aufweist, wobei ein Rotor-Polabstand bestimmt ist durch den Winkelabstand zweier benachbarter Rotor-Pole, und
der Versatzwinkel ein zweifacher Rotor-Polabstand oder ein Vielfaches des zweifachen Rotor-Polabstands ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer derartigen Ausgestaltung das Drehmoment vorteilhaft erhöht werden kann.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Rotor mehrere Rotor-Pole aufweist, wobei ein Rotor-Polabstand bestimmt ist durch den Winkelabstand zweier benachbarter Rotor-Pole, und
der Versatzwinkel ein dreifacher Rotor-Polabstand oder ein Vielfaches des dreifachen Rotor-Polabstands ist. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer derartigen Ausgestaltung das Drehmoment vorteilhaft erhöht werden kann.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Rotor mehrere Rotor-Pole aufweist, wobei ein Rotor-Polabstand bestimmt ist durch den Winkelabstand zweier benachbarter Rotor-Pole, und
der Versatzwinkel bestimmt ist als ein ganzzahliges n-faches des Rotor-Polabstands, mit
wobei
- kgV
- kleinstes gemeinsames Vielfaches;
- N
- Anzahl der Stator-Pole;
- Ph
- Anzahl der Phasen;
- M
- Anzahl der Rotor-Pole.
-
Grundlage dieses Zusammenhangs ist der Umstand, dass für jede Topologie einer Axialflussmaschine ein Initialmotor angegeben werden kann, welcher einen kleinsten Teil der Maschine bildet, der als Ganzes mehrfach aneinandergesetzt werden kann, um eine vollständige Axialflussmaschine zu erhalten. Die Länge des Initialmotors kann als ein n-faches des Rotor-Polabstands angegeben werden. Es hat sich herausgestellt, dass das Drehmoment vorteilhaft erhöht werden kann, wenn der Versatzwinkel der halben Länge eines Initialmotors gerundet auf einen ganzzahligen Rotor-Polabstand entspricht.
-
Optional kann vorgesehen sein, dass die Wicklung des ersten Stators und die Wicklung des zweiten Stators mit entgegengesetzter Stromrichtung bestromt werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Richtung des durch den ersten Stator und zweiten Stator hervorgerufenen Drehmoments am Rotor gleich ist. Das Umkehren der Stromrichtung ist für den Fall zweckdienlich, bei dem der Versatzwinkel dem einfachen oder einem ungeraden Vielfachen des Rotor-Polabstandes entspricht. In diesem Fall kann die Stromrichtung in einem der Statoren umgekehrt werden im Vergleich zu einer Axialflussmaschine ohne Versatz. Auf diese Weise wird erreicht, dass die Richtung des durch den ersten Stator und zweiten Stator hervorgerufenen Drehmoments am Rotor gleich ist. In anderen Worten ist hierdurch gewährleistet, dass die Back-EMF maximal ist. Ohne Umkehr der Stromrichtung wie oben beschrieben im Vergleich zu einer Axialflussmaschine mit nicht gegeneinander versetzen Statoren ergäbe sich sonst eine drastische Reduktion der Back-EMF und damit auch des bereitgestellten Drehmomentes.
-
Die oben genannte Änderung der Stromrichtung im Vergleich zu einer baugleichen Axialflussmaschine ohne Versatz der Statoren ist als gleichbedeutend zu jeder anderen Maßnahme anzusehen, die eine Vorzeichenänderung der von den Spulen eines der Statoren erzeugter magnetischen Axialflusskomponente im Vergleich zur nicht versetzten Anordnung bewirkt. So kann zum Beispiel auch der Wicklungssinn der Spulen eines der Statoren im Vergleich zur nicht versetzten Anordnung umgekehrt werden, während die Stromquelle im Vergleich zur nicht versetzten Anordnung keine Stromrichtungsumkehr betreibt.
-
Wird der Versatzwinkel hingegen so gewählt, das n eine gerade Zahl ist, entspricht die Stromrichtung beider Statoren vorteilhafterweise wiederum der, die auch bei einer nicht versetzten Anordnung gleicher Bauart zur Maximierung des Drehmomentes gewählt würde.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Wicklung eine Zahnspulenwicklung mit als Spulen ausgebildeten ersten Stator-Polen ist und die zweite Wicklung eine Zahnspulenwicklung mit als Spulen ausgebildeten zweiten Stator-Polen ist. Die Ausbildung als Zahnspulenwicklung bietet den Vorteil, dass der jeweilige Stator aus mehreren Modulen, beispielsweise einzelnen Zahnspulen, gebildet werden kann, wodurch die Herstellung der Axialflussmaschine erleichtert werden kann. Bevorzugt umfasst der erste Stator mehrere erste Stator-Zähne, wobei jedem ersten Stator-Pol jeweils ein erster Stator-Zahn zugewiesen ist, insbesondere wobei die Spule des jeweiligen ersten Stator-Pols um den entsprechenden ersten Stator-Zahn angeordnet ist. Bevorzugt umfasst der zweite Stator mehrere zweite Stator-Zähne, wobei jedem zweiten Stator-Pol jeweils ein zweiter Stator-Zahn zugewiesen ist, insbesondere wobei die Spule des jeweiligen zweiten Stator-Pols um den entsprechenden zweiten Stator-Zahn angeordnet ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Stator eine erste Leiterplatte umfasst und die erste Wicklung erste Leiterbahnen aufweist, die in der ersten Leiterplatte angeordnet sind und dass der zweite Stator eine zweite Leiterplatte umfasst und die zweite Wicklung zweite Leiterbahnen aufweist, die in der zweite Leiterplatte angeordnet sind. Derartige Leiterplatten werden auch als PCB (von engl. printed circuit board) bezeichnet. Eine derartige Ausgestaltung ermöglicht den Verzicht auf herkömmliche Wicklungstechniken zur Herstellung der Wicklung und ermöglicht eine gute Abführung von Verlustwärme. Bevorzugt umfasst die Leiterplatte mehrere Durchlassöffnungen zum Einbringen von Spulenkernen, so dass eine Führung des durch die Leiterbahnen der Leiterplatte erzeugten magnetischen Felds ermöglicht wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor M Rotor-Pole aufweist. Bevorzugt ist die Zahl M der Rotor-Pole ungleich der Zahl N der Stator-Pole. Besonders bevorzugt ist die Zahl M der Rotor-Pole größer als die Zahl N der Stator-Pole. Beispielsweise kann die Axialflussmaschine mit einer Konfiguration M = 14 und N = 12 ausgebildet sein. Alternativ kann die Zahl M der Rotor-Pole kleiner sein als die Zahl N der Stator-Pole. Beispielsweise kann die Axialflussmaschine mit einer Konfiguration M = 22 und N = 24 oder M = 16 und N = 18 ausgebildet sein.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotor-Pole durch in einem Grundkörper des Rotors eingelassene Permanentmagnete gebildet sind, wobei die Permanentmagnete eine Magnetisierung in der Umfangsrichtung der Axialflussmaschine 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 der Axialflussmaschine erzeugen, der an einer Stirnseite, bevorzugt an zwei Stirnseiten, des insbesondere scheibenförmigen Rotors aus diesem heraustritt. Insofern wird der jeweilige Rotor-Pol, durch eine Position zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten des Rotors definiert. Die Polbreite eines solchen Rotor-Pols wird durch den Abstand der Mittelpunkte benachbarter Permanentmagnete definiert.
-
Gemäß einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotor-Pole durch an einer Stirnseite des Rotors angeordnete insbesondere kreissektorförmige oder kreisringsektorförmige, Permanentmagnete gebildet sind. Bei einer derartigen Ausgestaltung werden die Rotor-Pole jeweils durch einen Permanentmagneten gebildet. Die Polbreite entspricht somit dem Abstand der Mittelpunkte benachbarter Permanentmagneten in Umfangsrichtung der Axialflussmaschine. Die Permanentmagnete sind bevorzugt in einer axialen Richtung magnetisiert, d.h. parallel zu einer Drehachse des Rotors.
-
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Antriebsmodul zum Bewegen eines Gelenkarms eines Industrieroboters mit einer vorstehend beschriebenen elektrischen Axialflussmaschine.
-
Bei dem Antriebsmodul können dieselben Vorteile erreicht werden, die bereits im Zusammenhang mit der elektrischen Axialflussmaschine beschrieben worden sind.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigt:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einer schematischen Seitenansicht.
- 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rotors einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einer schematischen Darstellung.
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rotors einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einer schematischen Darstellung.
- 4 eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine ohne Versatz der Statoren.
- 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine mit Versatz in einer schematischen Darstellung
- 6 eine Darstellung der magnetischen Flussdichte des Erregerfelds der elektrischen Axialflussmaschine nach 4.
- 7 eine Darstellung der magnetischen Flussdichte des Erregerfelds der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine nach 5.
- 8 ein Diagramm der magnetischen Flussverkettung.
- 9 ein Industrieroboter mit einem Antriebsmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
In der 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine 1 in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Die elektrische Axialflussmaschine 1 umfasst einen ersten Stator 2, einen zweiten Stator 3 und einen zwischen dem ersten Stator 2 und dem zweiten Stator 3 angeordneten und gegenüber den beiden Statoren 2, 3, drehbaren Rotor 4. Insofern weist der Axialflussmotor 1 eine Doppelstatorbauweise mit einem als Innenläufer ausgebildeten Rotor 4 auf. Der erste Stator 2 und der zweite Stator 3 umfassen jeweils eine mehrphasige, hier dreiphasige, Wicklung mit N Stator-Polen 5, 6. Die Stator-Pole 5,6 sind in einer Umfangsrichtung 10 der Axialflussmaschine jeweils durch einen identischen Winkelabstand voneinander beabstandet. Dieser Winkelabstand entspricht der Stator-Polteilung.
-
Die erste Wicklung des erste Stators 2 weist mehrere, hier drei, Phasen auf. Die ersten Stator-Pole 5 sind somit in mehrere, hier drei, Phasen unterteilt. Ebenso weist die zweite Wicklung des zweiten Stators 3 mehrere, hier drei, Phasen auf. Die zweiten Stator-Pole 6 dieser zweiten Wicklung sind somit ebenfalls in mehrere, hier drei, Phasen U, V, W unterteilt. Dabei sind die ersten Stator-Pole 5 der ersten Wicklung und die zweite Stator-Pole 6 der zweiten Wicklung zu einer ersten Phase U der Axialflussmaschine verschaltet sind. Ferner sind mehrere erste Stator-Pole 5 der ersten Wicklung und mehrere zweite Stator-Pole 6 der zweiten Wicklung zu einer zweiten Phase V der Axialflussmaschine verschaltet. Zudem sind mehrere erste Stator-Pole 5 der ersten Wicklung und mehrere zweite Stator-Pole 6 der zweiten Wicklung zu einer dritten Phase W der Axialflussmaschine verschaltet.
-
Die erste und die zweite Wicklung der elektrische Axialflussmaschine 1 können beispielsweise als Zahnspulenwicklung mit als Spulen ausgebildeten Stator-Polen 5, 6 ausgebildet sein. Dabei kann der erste Stator 3 mehrere erste Stator-Zähne umfassen, wobei jedem ersten Stator-Pol 5 jeweils ein erster Stator-Zahn zugewiesen ist, insbesondere wobei die Spule des jeweiligen ersten Stator-Pols 5 um den entsprechenden ersten Stator-Zahn angeordnet ist. Der zweite Stator 4 kann mehrere zweite Stator-Zähne umfassen, wobei jedem zweiten Stator-Pol 6 jeweils ein zweiter Stator-Zahn zugewiesen ist, insbesondere wobei die Spule des jeweiligen zweiten Stator-Pols 6 um den entsprechenden zweiten Stator-Zahn angeordnet ist. Besonders bevorzugt umfassen die Statoren 2, 3 jeweils eine Leiterplatte und die jeweilige Wicklung weist Leiterbahnen auf, die in der jeweiligen Leiterplatte angeordnet sind.
-
Die Darstellungen in 2 und 3 zeigen alternative Ausgestaltungen des Rotors 4 der Axialflussmaschine gemäß der Erfindung.
-
Der Rotor 4 gemäß 2 weist Rotor-Pole 8 auf, die durch das Zusammenwirken jeweils zweier in einen Grundkörper 15 des Rotors 4 eingelassener, benachbarter Permanentmagnete 9 gebildet werden. Die Permanentmagnete 9 sind in Umfangsrichtung 10 magnetisiert und erzeugen einen magnetischen Fluss in Umfangsrichtung 10 der Axialflussmaschine 1 bzw. des Rotors 4, der an den beiden Stirnseiten des scheibenförmigen Rotors 4 aus diesem heraustritt. Insofern wird der jeweilige Rotor-Pol 8, durch eine Position zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 9 des Rotors 4 definiert. Die Rotor-Polteilung 7, auch als Rotor-Polabstand 7 bezeichnet, wird durch den Abstand 11 benachbarter Permanentmagnete 9 definiert.
-
Der Rotor gemäß 3 weist Rotor-Pole 8 auf, die durch an einer Stirnseite des Rotors 4 angeordnete, kreisringsektorförmige Permanentmagente 13 gebildet sind. Zwischen benachbarten Permanentmagneten 13 ist jeweils eine Lücke 12 vorgesehen, in welcher der Grundkörper des Rotors 4 nicht mit einem Permanentmagent 13 belegt ist. Die Permanentmagnete 13 sind in axialer Richtung 30 magnetisiert, d.h. parallel zu der Drehachse des Rotors 4. Insofern werden die Rotor-Pole 8 dieses Rotors 4 jeweils durch einen Permanentmagneten 13 gebildet. Die Rotor-Polteilung 7, auch als Rotor-Polabstand 7 bezeichnet, ist in 3 ebenfalls eingezeichnet.
-
Die Darstellungen in 4 und 5 zeigen eine nicht-erfindungsgemäße (4) und eine erfindungsgemäße (5) Konfiguration einer Axialflussmaschine in einer schematischen Abwicklung entlang der Umfangsrichtung 10. Dabei ist ein Stator 4 gemäß 2 mit eingelassenen Permanentmagneten 9 dargestellt, die in Umfangrichtung 10 magnetisiert sind. Die nicht-erfindungsgemäße und erfindungsgemäßen Konfigurationen können aber auch mit einem Stator gemäß 4 umgesetzt werden.
-
Die 4 zeigt eine nicht nicht-erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Axialflussmaschine, bei welcher der erste Stator 2 und der zweite Stator 3 derart konfiguriert und angeordnet sind, dass die als Teil des zweiten Stators 3 vorgesehenen zweiten Stator-Pole 6 der ersten Phase U in Umfangsrichtung 10 bezogen auf die als Teil des ersten Stators 2 vorgesehenen ersten Stator-Pole 5 der ersten Phase U nicht versetzt angeordnet sind. Insofern sind zwei Stator-Pole 5, 6 der beiden Statoren 2, 3, welche einer gemeinsamen Phase des Axialflussmotors 1 angehören, durch eine virtuelle Verbindungslinie L verbunden, die senkrecht zu der Umfangsrichtung 10 angeordnet ist.
-
Die Darstellung in 5 zeigt eine erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Axialflussmaschine 1, bei welcher der erste Stator 2 und der zweite Stator 3 derart konfiguriert und angeordnet sind, dass die als Teil des zweiten Stators 3 vorgesehenen zweiten Stator-Pole 6 der ersten Phase U um einen Versatzwinkel 14 in Umfangsrichtung 10 bezogen auf die als Teil des ersten Stators 2 vorgesehenen ersten Stator-Pole 5 der ersten Phase U versetzt angeordnet sind. Insofern sind zwei Stator-Pole 5, 6 der beiden Statoren 2, 3, welche einer gemeinsamen Phase des Axialflussmotors 1 angehören, durch eine virtuelle Verbindungslinie L verbunden, die schräg zu der Umfangsrichtung 10 angeordnet ist. Der Rotor-Polabstand 7 ist bestimmt durch den Winkelabstand zweier benachbarter Rotor-Pole 8, der identisch ist zu dem Winkelabstand zweier benachbarter Permanentmagnete 9. Der Versatzwinkel 14 ist als mehrfacher Rotor-Polabstand 7, hier als dreifacher Rotor-Polabstand 7, gewählt.
-
In 6 ist die Verteilung der magnetischen Flussdichte B in der Axialflussmaschine nach 4 dargestellt, welche durch das Erregerfeld des Rotors 3 hervorgerufen wird. Die 7 zeigt die Verteilung der magnetischen Flussdichte B, welche durch das Erregerfeld des Rotors 3 hervorgerufen wird in der Axialflussmaschine nach 5. Die Bereiche mit Kreuzschraffur bezeichnen dabei Bereiche geringer magnetischer Flussdichte B und die weißen Bereiche bezeichnen Bereiche mit hoher magnetischer Flussdichte B. Die Bereiche mit einfacher Schraffur bezeichnen Bereiche mittlerer magnetischer Flussdichte, vgl. Legende in 6 bzw. 7.
-
Der Vergleich zwischen 6 und 7 zeigt, dass die Feldverteilung durch den Versatz der Stator-Zähne des ersten Stators 2 und zweiten Stators 3 unsymmetrisch wird. Beispielsweise liegen die Bereiche geringer Flussdichte innerhalb des Rotors 4 bei der Axialflussmaschine ohne Versatz (6) in einer zur Drehachse des Motors senkrechten Ebene, die durch den Rotor 4 verläuft. Bei der Axialflussmaschine 1 mit erfindungsgemäßem Versatz (7) sind diese Bereiche geringer Flussdichte nicht in einer Ebene angeordnet, sondern abhängig von der Stellung entlang der Umfangrichtung entweder in Richtung des erstes Stators 2 oder in Richtung des zweiten Stators 3 verschoben. Diese unsymmetrische Verteilung führt zu einem erhöhten Erregerfluss in den beiden Statoren 2, 3. Denn ein Anteil des Flusses aus ungenutzten Feldlücken kann in dem jeweils gegenüberliegenden Stator genutzt werden. Durch den höheren Erregerfluss gemäß 7 steigt das erreichbare Drehmoment der Axialflussmaschine 1 gegenüber der Axialflussmaschine nach 6 bei identischer Ausgestaltung des Rotors, insbesondere bei identischer Ausgestaltung der Permanentmagnete des Rotors.
-
Bei einer symmetrischen Anordnung der Statoren 2, 3 ohne Verdrehung gemäß 6 bildet sich sowohl bestromt als auch unbestromt eine vollständig symmetrische Flussdichteverteilung aus und die Mittellinie des Rotors 4 bildet dabei die Symmetrielinie. Der magnetische Fluss des ersten Stators 2 beeinflusst nur seine Seite des Rotors 4. Der Fluss teilt sich symmetrisch auf die beiden Rotor- und Statorseiten auf. Es gibt keinen Magnetfluss in axialer Richtung 30 von einer Symmetrieseite auf die andere. Die Magnetflussdichte im Rotor 4 ist auf Grund der unterschiedlichen Polabstände des Rotors 4 und der Statoren 2, 3 sowie und der Phasenbestromung entsprechend der Kommutierung stark winkel(orts)abhängig. Bei der verdrehten Anordnung der Statoren 2, 3, gemäß 7 steht bei Bestromung entsprechend der aktuellen Phasenlage und Kommutierung ein stark bestromter Stator-Pol einem schwach bestromten Stator-Pol gegenüber. Dadurch wird die strominduzierte Magnetflussverteilung im Rotor 4 unsymmetrisch. Die Magnetflussdichte durch den Querschnitt des Rotors 4 wird dadurch in jedem Winkelbereich des Rotors 4 ausgeglichener. Durch die hier gegebene gleichmäßigere Nutzung des Eisenkreises wird der magnetische Widerstand des Rotors 4 gesenkt und dadurch der Magnetfluss insgesamt erhöht.
-
Die Darstellung in 8 zeigt die magnetische Flussverkettung über der Zeit bzw. dem elektrischen Winkel für die Axialflussmaschine ohne Versatz nach 4 und 6 (durchgezogene Linie) und für die erfindungsgemäße Axialflussmaschine 1 mit Versatz gemäß 5 und 7 (gestrichelte Linie). Es ist erkennbar, dass der die Maxima der Flussverkettung bei der Axialflussmaschine mit versetzten Stator-Polen betragsmäßig größer sind als bei der herkömmlichen Axialflussmaschine mit symmetrischer Ausgestaltung der Statoren ohne Versatz.
-
Die Darstellung in 9 zeigt einen Industrieroboter 200 mit mehrere Gelenkarmen 201, die jeweils über Antriebsmodule 100 gemäß der Erfindung drehbar verbunden sind. Die Antriebsmodule 100 umfassen neben einer vorstehend erläuterten Axialflussmaschine 1 als Motor eine Lagerung, insbesondere Wälzlagerung, und ggf. ein Getriebe.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- elektrische Axialflussmaschine
- 2
- Erster Stator
- 3
- Zweiter Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Stator-Pol
- 6
- Stator-Pol
- 7
- Rotor-Polteilung, Rotor-Polabstand
- 8
- Rotor-Pol
- 9
- Permanentmagnet
- 10
- Umfangsrichtung
- 11
- Abstand benachbarter Permanentmagnete
- 12
- Lücke
- 13
- Permanentmagnet
- 14
- Versatzwinkel
- 15
- Grundkörper
- 20
- radiale Richtung
- 30
- axiale Richtung
- 100
- Antriebsmodule
- 200
- Industrieroboter
- 201
- Gelenkarm
- B
- Flussdichte
- U,V,W
- Phasen
