WO2023036357A1 - Elektrische axialflussmaschine - Google Patents

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WO2023036357A1
WO2023036357A1 PCT/DE2022/100588 DE2022100588W WO2023036357A1 WO 2023036357 A1 WO2023036357 A1 WO 2023036357A1 DE 2022100588 W DE2022100588 W DE 2022100588W WO 2023036357 A1 WO2023036357 A1 WO 2023036357A1
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WO
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stator
rotor
poles
winding
phase
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Application number
PCT/DE2022/100588
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg KEGELER
Karsten Feindt
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to an electrical axial flux machine having a first stator with a first multi-phase, in particular three-phase, winding which comprises N first stator poles which are arranged at a distance from one another in a circumferential direction of the axial flux machine, a second stator with a second multi-phase, in particular three-phase, Winding comprising N second stator poles, which are arranged spaced apart from one another in a circumferential direction of the axial flux machine, a plurality of first stator poles of the first winding and a plurality of second stator poles of the second winding being connected to form a first phase of the axial flux machine, one between the first stator and the second stator arranged rotor, which is rotatable with respect to the first and the second stator.
  • axial flow machines are also referred to as a double stator arrangement.
  • axial flux motors of the UPRS series from Schaeffler which can be used as drives in industrial robots, are known in the prior art.
  • the rotor is arranged so that it can rotate between two outer stators.
  • the axial flow machine can provide the highest possible torque and at the same time can be made compact and with the lowest possible weight, so that the axial flow machine can be arranged as part of an articulated arm bearing of an industrial robot.
  • the task is to increase the torque of an electric axial flow machine without using more material.
  • an electrical axial flux machine with the features according to patent claim 1. It has: a first stator with a first multi-phase, in particular three-phase, winding which comprises N first stator poles which are arranged at a distance from one another in a circumferential direction of the axial flux machine , a second stator with a second multi-phase, in particular three-phase, winding which comprises N second stator poles which are arranged at a distance from one another in a circumferential direction of the axial flux machine, wherein a plurality of first stator poles of the first winding and a plurality of second stator poles of the second winding are connected to form a first phase of the axial flux machine, a rotor which is arranged between the first stator and the second stator and can be rotated relative to the first and the second stator, a power source for energizing the first and second stators, the first stator and the second stator being configured and arranged such that the second stator poles of the first
  • the two stators are arranged and connected in such a way that two stator poles of the two stators, which belong to a common phase of the axial flux motor, are arranged offset in the circumferential direction by the offset angle.
  • the two stator poles of the two stators that belong to a common phase of the axial flux motor can be connected by a virtual connecting line that is not arranged perpendicular to the circumferential direction, in particular not parallel to an axial direction of the axial flux machine.
  • the stator poles of the common phase are offset on the two stators in such a way that the virtual connecting line between these stator poles encloses an angle other than 90° with the circumferential direction of the axial flux machine.
  • the staggered arrangement of the stator poles of the two stators results in advantages with regard to the excitation field of the rotor and the field of the stators, which are described below, compared to a non-staggered arrangement of the stators known from the prior art.
  • the stator poles of the two stators are arranged as mirror images with respect to the rotor.
  • the excitation field of the rotor therefore causes a symmetrical distribution of the magnetic flux density both in the rotor and in the two stators.
  • the stators are arranged so that they are not offset, the magnetic flux caused by a stator only influences that side of the rotor which faces the respective stator.
  • the magnetic flux is distributed symmetrically with respect to the rotor. There is essentially no magnetic flux in an axial direction from one side of symmetry to the other.
  • the magnetic flux density in the rotor caused by the stator poles is dependent on the angular position in the circumferential direction of the rotor.
  • a heavily energized stator pole faces a weakly energized stator pole.
  • the distribution of the magnetic flux caused by the stator in the rotor becomes asymmetrical. It has been found that the magnetic flux density is more evenly balanced through the cross section of the rotor in the circumferential direction of the rotor.
  • the iron circuit of the axial flux machine is thus used more evenly than is the case with the known arrangement without an offset of the stators, as a result of which the magnetic resistance of the rotor is reduced and the magnetic flux is increased overall.
  • the torque of the electrical axial flow machine according to the invention can be increased without increased use of material.
  • the first stator poles of the first winding or the second stator poles of the second winding can have an identical angular distance from one another, which can also be referred to as the pole pitch of the stator or the stator pole pitch.
  • a plurality of first stator poles of the first winding and a plurality of second stator poles of the second winding are preferably connected to form a second phase of the axial flux machine.
  • a plurality of first stator poles of the first winding and a plurality of second stator poles of the second winding are particularly preferably connected to form a third phase of the axial flux machine.
  • the first poles of the first winding are interconnected in such a way that a first pole of the first winding is assigned exclusively to one phase of the axial flow machine.
  • the second poles of the second winding are interconnected in such a way that a second pole of the second winding is assigned exclusively to one phase of the axial flow machine.
  • the rotor has a plurality of rotor poles, with a rotor pole spacing being determined by the angular spacing between two adjacent rotor poles, and the offset angle being a single rotor pole spacing or a multiple of the single rotor pole spacing. It has been found that with such a configuration, the torque can advantageously be increased.
  • the rotor has a plurality of rotor poles, with a rotor pole spacing being determined by the angular spacing between two adjacent rotor poles, and the offset angle being twice the rotor pole spacing or a multiple of twice the rotor pole spacing is. It has been found that with such a configuration, the torque can advantageously be increased.
  • the rotor has a plurality of rotor poles, with a rotor pole spacing being determined by the angular spacing between two adjacent rotor poles, and the offset angle being three times the rotor pole spacing or a multiple of three times the rotor pole spacing is. It has been found that with such a configuration, the torque can advantageously be increased.
  • the rotor has a plurality of rotor poles, with a rotor pole spacing being determined by the angular spacing between two adjacent rotor poles, and the offset angle being determined as an integer n times the rotor pole spacing. with where kgV least common multiple;
  • an initial motor can be specified, which forms the smallest part of the machine that can be put together several times as a whole in order to obtain a complete axial flux machine.
  • the length of the initial motor can be specified as n times the Rotor pole spacing can be specified. It has been found that the torque can advantageously be increased if the offset angle corresponds to half the length of an initial motor rounded to an integer rotor pole spacing.
  • the above-mentioned change in the current direction compared to an axial flux machine of the same construction without offsetting the stators is to be regarded as equivalent to any other measure that causes a change in sign of the magnetic axial flux component generated by the coils of one of the stators compared to the non-offset arrangement.
  • the winding sense of the coils of one of the stators can also be reversed compared to the non-staggered arrangement, while the current source does not reverse the current direction compared to the non-staggered arrangement.
  • the offset angle is selected such that n is an even number
  • the direction of current in both stators advantageously again corresponds to that which would also be selected in a non-staggered arrangement of the same type to maximize the torque.
  • the first winding is a toothed coil winding with first stator poles designed as coils and the second winding is a toothed coil winding with second stator poles designed as coils.
  • the design as a toothed coil winding offers the advantage that the respective stator can be formed from a number of modules, for example individual toothed coils, which makes it easier to manufacture the axial flux machine.
  • the first stator has a plurality of first stator teeth, with each first stator pole being assigned a first stator tooth, in particular with the coil of the respective first stator pole being arranged around the corresponding first stator tooth.
  • the second stator preferably comprises a plurality of second stator teeth, with each second stator pole being assigned a second stator tooth, in particular with the coil of the respective second stator pole being arranged around the corresponding second stator tooth.
  • the first stator comprises a first printed circuit board and the first winding has first conductor tracks which are arranged in the first printed circuit board and that the second stator comprises a second printed circuit board and the second winding has second conductor tracks which are arranged in the second circuit board.
  • Such printed circuit boards are also referred to as PCBs.
  • PCBs Such a configuration makes it possible to dispense with conventional winding techniques for producing the winding and enables heat loss to be dissipated effectively.
  • the printed circuit board preferably comprises a plurality of passage openings for introducing coil cores, so that the magnetic field generated by the conductor tracks of the printed circuit board can be guided.
  • the rotor has M rotor poles.
  • the number M of rotor poles is preferably unequal to the number N of stator poles.
  • the number M of rotor poles is particularly preferably greater than the number N of stator poles.
  • the number M of rotor poles can be smaller than the number N of stator poles.
  • the rotor poles are formed by permanent magnets embedded in a base body of the rotor, the permanent magnets having a magnetization in the circumferential direction of the axial flow machine.
  • the permanent magnets can generate a magnetic flux in the circumferential direction of the axial flux machine, which emerges from one end face, preferably two end faces, of the in particular disk-shaped rotor.
  • the respective rotor pole is defined by a position between two adjacent permanent magnets of the rotor.
  • the pole width of such a rotor pole is defined by the distance between the centers of adjacent permanent magnets.
  • the rotor poles are formed by permanent magnets arranged on a front face of the rotor, in particular in the shape of a sector of a circle or a sector of a circular ring.
  • the rotor poles are each formed by a permanent magnet.
  • the pole width thus corresponds to the distance between the centers of adjacent permanent magnets in the circumferential direction of the axial flux machine.
  • the permanent magnets are preferably magnetized in an axial direction, ie parallel to an axis of rotation of the rotor.
  • Another object of the invention is a drive module for moving an articulated arm of an industrial robot with an electric axial flux machine as described above.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an electrical axial flow machine according to the invention in a schematic side view.
  • FIG. 2 shows a first exemplary embodiment of a rotor of an electrical axial flow machine according to the invention in a schematic representation.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a rotor of an electrical axial flow machine according to the invention in a schematic representation.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of an axial flow machine without offset of the stators.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of an electrical axial flow machine according to the invention with an offset in a schematic representation
  • FIG. 6 shows a representation of the magnetic flux density of the excitation field of the electrical axial flow machine according to FIG. 4.
  • FIG. 7 shows a representation of the magnetic flux density of the excitation field of the electric axial flux machine according to the invention according to FIG. 5.
  • the electrical axial flux machine 1 comprises a first stator 2, a second stator 3 and a rotor 4 which is arranged between the first stator 2 and the second stator 3 and can be rotated in relation to the two stators 2, 3 Inner rotor trained rotor 4 on.
  • the first stator 2 and the second stator 3 each comprise a multi-phase, here three-phase, winding with N stator poles 5, 6.
  • the stator poles 5, 6 are spaced apart from one another by an identical angular distance in a circumferential direction 10 of the axial flux machine. This angular distance corresponds to the stator pole pitch.
  • the first winding of the first stator 2 has a plurality of phases, in this case three.
  • the first stator poles 5 are thus divided into several phases, three in this case.
  • the second winding of the second stator 3 has a plurality of phases, in this case three.
  • the second stator poles 6 of this second winding are thus also divided into several phases U, V, W, in this case three.
  • the first stator poles 5 of the first winding and the second stator poles 6 of the second winding are connected to form a first phase U of the axial flux machine.
  • a plurality of first stator poles 5 of the first winding and a plurality of second stator poles 6 of the second winding are connected to form a second phase V of the axial flux machine.
  • a plurality of first stator poles 5 of the first winding and a plurality of second stator poles 6 of the second winding are connected to form a third phase W of the axial flux machine.
  • the first and the second winding of the electrical axial flow machine 1 can be designed, for example, as a tooth coil winding with stator poles 5, 6 designed as coils.
  • the first stator 3 can include a plurality of first stator teeth, with each first stator pole 5 being assigned a first stator tooth, in particular with the coil of the respective first stator pole 5 being arranged around the corresponding first stator tooth.
  • the second stator 4 can comprise a plurality of second stator teeth, with each second stator pole 6 being assigned a second stator tooth, in particular with the coil of the respective second stator pole 6 being arranged around the corresponding second stator tooth.
  • the stators 2, 3 each include a printed circuit board and the respective winding has conductor tracks which are arranged in the respective printed circuit board.
  • FIGS. 2 and 3 show alternative configurations of the rotor 4 of the axial flow machine according to the invention.
  • the rotor 4 according to FIG. 2 has rotor poles 8 which are formed by the interaction of two adjacent permanent magnets 9 embedded in a base body 15 of the rotor 4 .
  • the permanent magnets 9 are magnetized in the circumferential direction 10 and generate a magnetic flux in the circumferential direction 10 of the axial flux machine 1 or the rotor 4, which emerges from the two end faces of the disk-shaped rotor 4 of the latter.
  • the respective rotor pole 8 is defined by a position between two adjacent permanent magnets 9 of the rotor 4 .
  • the rotor pole pitch 7, also referred to as the rotor pole pitch 7, is defined by the distance 11 between adjacent permanent magnets 9.
  • the rotor according to FIG. 3 has rotor poles 8 which are formed by permanent magnets 13 in the shape of a sector of a circular ring which are arranged on one end face of the rotor 4 .
  • a gap 12 is provided between adjacent permanent magnets 13 in which the base body of the rotor 4 is not occupied by a permanent magnet 13 .
  • the permanent magnets 13 are magnetized in the axial direction 30, i.e. parallel to the axis of rotation of the rotor 4.
  • the rotor poles 8 of this rotor 4 are each formed by a permanent magnet 13.
  • the rotor pole pitch 7, also referred to as rotor pole spacing 7, is also shown in FIG.
  • FIGS. 4 and 5 show a non-inventive (FIG. 4) and an inventive (FIG. 5) configuration of an axial flux machine in a schematic development along the circumferential direction 10.
  • a stator 4 according to FIG. 2 with embedded permanent magnets is shown 9, which are magnetized in the circumferential direction 10.
  • FIG. 4 shows a non-inventive (FIG. 4) and an inventive (FIG. 5) configuration of an axial flux machine in a schematic development along the circumferential direction 10.
  • a stator 4 according to FIG. 2 with embedded permanent magnets is shown 9, which are magnetized in the circumferential direction 10.
  • FIG. 4 shows a stator according to FIG.
  • Fig. 4 shows an embodiment of an axial flux machine not according to the invention, in which the first stator 2 and the second stator 3 are configured and arranged in such a way that the second stator poles 6 of the first phase U in Circumferential direction 10 based on the provided as part of the first stator 2 first stator poles 5 of the first phase U are not offset.
  • two stator poles 5, 6 of the two stators 2, 3, which belong to a common phase of the axial flux motor 1 are connected by a virtual connecting line L, which is arranged perpendicularly to the circumferential direction 10.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment according to the invention of an axial flux machine 1 in which the first stator 2 and the second stator 3 are configured in such a way and are arranged such that the second stator poles 6 of the first phase U provided as part of the second stator 3 are arranged offset by an offset angle 14 in the circumferential direction 10 in relation to the first stator poles 5 of the first phase U provided as part of the first stator 2 .
  • two stator poles 5, 6 of the two stators 2, 3, which belong to a common phase of the axial flux motor 1, are connected by a virtual connecting line L, which is arranged at an angle to the circumferential direction 10.
  • the rotor pole spacing 7 is determined by the angular spacing of two adjacent rotor poles 8, which is identical to the angular spacing of two adjacent permanent magnets 9.
  • the offset angle 14 is selected as a multiple rotor pole spacing 7, here as a triple rotor pole spacing 7.
  • FIG. 6 shows the distribution of the magnetic flux density B in the axial flux machine according to FIG. 4, which is caused by the excitation field of the rotor 3.
  • 7 shows the distribution of the magnetic flux density B, which is caused by the excitation field of the rotor 3 in the axial flux machine according to FIG B.
  • the areas with single hatching denote areas of average magnetic flux density, see legend in Fig. 6 and Fig. 7.
  • FIG. 6 shows that the field distribution becomes asymmetrical due to the offset of the stator teeth of the first stator 2 and second stator 3 .
  • the areas of low flux density within the rotor 4 in the axial flux machine are without offset (FIG. 6) in a plane which is perpendicular to the axis of rotation of the motor and runs through the rotor 4 .
  • these areas of low flux density are not arranged in one plane, but shifted depending on the position along the circumferential direction either in the direction of the first stator 2 or in the direction of the second stator 3. This asymmetrical distribution leads to an increased excitation flux in the two stators 2, 3.
  • FIG. 8 shows the magnetic flux linkage over time or the electrical angle for the axial flux machine without offset according to Figs. 4 and 6 (solid line) and for the axial flux machine 1 according to the invention with offset according to Figs. 5 and 7 (dashed line ). It can be seen that the maxima of the flux linkage in the axial flux machine with offset stator poles are greater in terms of absolute value than in the conventional axial flux machine with a symmetrical configuration of the stators without an offset.
  • FIG. 9 shows an industrial robot 200 with a plurality of articulated arms 201 which are each rotatably connected via drive modules 100 according to the invention.
  • the drive modules 100 include a bearing, in particular a roller bearing, and possibly a gear.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Axialflussmaschine (1) aufweisend einen ersten Stator (2) mit einer ersten mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wicklung, die N erste Stator-Pole (5) umfasst, die in einer Umfangsrichtung (10) der Axialflussmaschine (1) voneinander beabstandet angeordnet sind, einen zweiten Stator (3) mit einer zweiten mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wicklung, die N zweite Stator-Pole (6) umfasst, die in einer Umfangsrichtung (10) der Axialflussmaschine (1) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei mehrere erste Stator-Pole (5) der ersten Wicklung und mehrere zweite Stator-Pole (6) der zweiten Wicklung zu einer ersten Phase (U) der Axialflussmaschine (1) verschaltet sind, einen zwischen dem ersten Stator (2) und dem zweiten Stator (3) angeordneten Rotor (4), der gegenüber dem ersten und dem zweiten Stator (2, 3) drehbar ist, eine Stromquelle zur Bestromung des ersten und zweiten Stators (2,3) wobei 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, wobei der Rotor (4) mehrere Rotor-Pole (8) aufweist, wobei ein Rotor-Polabstand (7) bestimmt ist durch den Winkelabstand zweier benachbarter Rotor-Pole (8), und der Versatzwinkel (14) ein einfacher Rotor-Polabstand (7) oder ein Vielfaches des einfachen Rotor-Polabstands (7) ist, und wobei die Stromquelle zur Bestromung des ersten und zweiten Stators (2,3) derart eingerichtet ist, dass die Richtung des durch den ersten Stator und zweiten Stator (2,3) hervorgerufenen Drehmoments am Rotor (4) gleich ist.

Description

Elektrische Axialflussmaschine
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
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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 T opologie 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-Po- len 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:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einer schematischen Seitenansicht.
Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rotors einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einer schematischen Darstellung.
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rotors einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine in einer schematischen Darstellung.
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine ohne Versatz der Statoren.
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine mit Versatz in einer schematischen Darstellung
Fig. 6 eine Darstellung der magnetischen Flussdichte des Erregerfelds der elektrischen Axialflussmaschine nach Fig. 4.
Fig. 7 eine Darstellung der magnetischen Flussdichte des Erregerfelds der erfindungsgemäßen elektrischen Axialflussmaschine nach Fig. 5.
Fig. 8 ein Diagramm der magnetischen Flussverkettung.
Fig. 9 ein Industrieroboter mit einem Antriebsmodul gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. ln der Fig. 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 Fig. 2 und Fig. 3 zeigen alternative Ausgestaltungen des Rotors 4 der Axialflussmaschine gemäß der Erfindung. Der Rotor 4 gemäß Fig. 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 Fig. 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 Fig. 3 ebenfalls eingezeichnet.
Die Darstellungen in Fig. 4 und 5 zeigen eine nicht-erfindungsgemäße (Fig. 4) und eine erfindungsgemäße (Fig. 5) Konfiguration einer Axialflussmaschine in einer schematischen Abwicklung entlang der Umfangsrichtung 10. Dabei ist ein Stator 4 gemäß Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 6 ist die Verteilung der magnetischen Flussdichte B in der Axialflussmaschine nach Fig. 4 dargestellt, welche durch das Erregerfeld des Rotors 3 hervorgerufen wird. Die Fig. 7 zeigt die Verteilung der magnetischen Flussdichte B, welche durch das Erregerfeld des Rotors 3 hervorgerufen wird in der Axialflussmaschine nach Fig. 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 Fig. 6 bzw. Fig. 7.
Der Vergleich zwischen Fig. 6 und Fig. 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 (Fig. 6) in einer zur Drehachse des Motors senkrechten Ebene, die durch den Rotor 4 verläuft. Bei der Axialflussmaschine 1 mit erfindungsgemäßem Versatz (Fig. 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 Fig. 7 steigt das erreichbare Drehmoment der Axialflussmaschine 1 gegenüber der Axialflussmaschine nach Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 8 zeigt die magnetische Flussverkettung über der Zeit bzw. dem elektrischen Winkel für die Axialflussmaschine ohne Versatz nach Fig. 4 und 6 (durchgezogene Linie) und für die erfindungsgemäße Axialflussmaschine 1 mit Versatz gemäß Fig. 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 Fig. 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
Erster Stator
Zweiter Stator
Rotor
Stator- Pol
Stator- Pol
Rotor-Polteilung, Rotor-Polabstand
Rotor- Pol
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

Claims

Patentansprüche Elektrische Axialflussmaschine (1) aufweisend einen ersten Stator (2) mit einer ersten mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wicklung, die N erste Stator-Pole (5) umfasst, die in einer Umfangsrichtung (10) der Axialflussmaschine (1) voneinander beabstandet angeordnet sind, einen zweiten Stator (3) mit einer zweiten mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen, Wicklung, die N zweite Stator-Pole (6) umfasst, die in einer Umfangsrichtung (10) der Axialflussmaschine (1) voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei mehrere erste Stator-Pole (5) der ersten Wicklung und mehrere zweite Stator-Pole (6) der zweiten Wicklung zu einer ersten Phase (U) der Axialflussmaschine (1) verschaltet sind, einen zwischen dem ersten Stator (2) und dem zweiten Stator (3) angeordneten Rotor (4), der gegenüber dem ersten und dem zweiten Stator (2, 3) drehbar ist, eine Stromquelle zur Bestromung des ersten und zweiten Stators (2,3) wobei 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, wobei der Rotor (4) mehrere Rotor- Pole (8) aufweist, wobei ein Rotor-Polabstand (7) bestimmt ist durch den Winkelabstand zweier benachbarter Rotor-Pole (8), und der Versatzwinkel (14) ein einfacher Rotor- Polabstand (7) oder ein Vielfaches des einfachen Rotor- Polabstands (7) ist, und wobei die Stromquelle zur Bestromung des ersten und zweiten Stators (2,3) derart eingerichtet ist, dass die Richtung des durch den ersten Stator und zweiten Stator (2,3) hervorgerufenen Drehmoments am Rotor (4) gleich ist. Elektrische Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle derart eingerichtet ist, dass für den Fall, dass der Versatzwinkel (14) dem einfachen oder einem ungeraden Vielfachen des Rotor- Polabstandes (7) entspricht, die Stromrichtung in einem der Statoren umgekehrt wird im Vergleich zu einer Axialflussmaschine (1) ohne Versatz, damit die Richtung des durch den ersten Stator und zweiten Stator (2,3) hervorgerufenen Drehmoments am Rotor (4) gleich ist. Elektrische Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel (14) ein zweifacher Rotor- Polabstand (7) oder ein Vielfaches des zweifachen Rotor- Polabstands (7) ist. Elektrische Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel (14) ein dreifacher Rotor-Polabstand (7) oder ein Vielfaches des dreifachen Rotor-Polabstands (7) ist. Elektrische Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Versatzwinkel bestimmt ist als ein ganzzahliges n-faches des Rotor-Polab- stands, mit
Figure imgf000016_0001
wobei kgV kleinstes gemeinsames Vielfaches;
N Anzahl der Stator-Pole;
Ph Anzahl der Phasen;
M Anzahl der Rotor-Pole. Elektrische Axialflussmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wicklung eine Zahnspulenwicklung mit als Spulen ausgebildeten ersten Stator-Polen (5) ist und die zweite Wicklung eine Zahnspulenwicklung mit als Spulen ausgebildeten zweiten Stator-Polen (6) ist. Elektrische Axialflussmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Stator (2) eine erste Leiterplatte umfasst und die erste Wicklung erste Leiterbahnen aufweist, die in der ersten Leiterplatte angeordnet sind und dass der zweite Stator (3) eine zweite Leiterplatte umfasst und die zweite Wicklung zweite Leiterbahnen aufweist, die in der zweite Leiterplatte angeordnet sind. - 15 - Elektrische Axialflussmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor M Rotor-Pole (8) aufweist. Elektrische Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Pole (8) durch in einem Grundkörper (15) des Rotors (4) eingelassene Permanentmagnete (9) gebildet sind, wobei die Permanentmagnete (9) eine Magnetisierung in der Umfangsrichtung (10) der Axialflussmaschine (1) aufweisen. Elektrische Axialflussmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotor-Pole (8) durch an einer Stirnseite des Rotors (4) angeordnete insbesondere kreissektorförmige oder kreisringsektorförmige, Permanentmagnete (13) gebildet sind. Antriebsmodul (100) zum Bewegen eines Gelenkarms (201) eines Industrieroboters (200) mit einer elektrischen Axialflussmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20070024147A1 (en) * 2003-08-18 2007-02-01 Hirzel Andrew D Selective alignment of stators in axial airgap electric devices comprising low-loss materials
DE102019131198A1 (de) * 2019-11-19 2020-12-03 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Modularer Axialflussmotor und fahrerloses Transportfahrzeug mit diesem

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