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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Scheibenmotor, der sich für einen Betrieb direkt an einer Felge bzw. Achsaufhängung eines Fahrzeugs eignet.
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Die zunehmende E-Mobilität der Gesellschaft auf der Basis von elektrisch betriebenen Fahrzeugen - beispielsweise im Automobilbau, Motorradbau, E-Bikes, E-Roller etc. - nimmt kontinuierlich zu. Damit nehmen auch die Anforderungen an die elektrischen Antriebe zu. Bisher setzt man überwiegend auf zentrale Elektroantriebe, die über ein Getriebe auf eine oder mehrere Achsen wirken. Diese Antriebsstränge sind klassischen verbrennungsmotorbasierten Antriebskonzepten nachempfunden. Sie bieten aber nicht immer ein optimales Gewicht-/Leistungsverhältnis. Elektromotore, welche direkt an oder in einzelne angetriebene Räder integriert sind, bilden bisher die Ausnahme. Dies liegt unter anderem auch an der bisherigen Bauweise und der begrenzten Effizienz der eingesetzten Konstruktionen.
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Beispielsweise beschreibt das Dokument
DE 10 2014 111 234 A1 einen Scheibenläufermotor mit mindestens einem Stator, der wenigstens eine elektrische Statorwicklung sowie Statorzähne aufweist, die einen Zahnhals aus einem weichmagnetischen Pulververbundstoff bilden. Darüber hinaus gibt es wenigstens einen scheibenförmigen Rotor, der ausschließlich durch Ferritmagnete gebildete permanentmagnetische Pole wenigstens zur Drehmomentbildung aufweist. Dieser Scheibenläufermotor weist zwar eine relativ kompakte Bauform auf, kann aber in Bezug auf das zur Verfügung gestellte Drehmoment nur bedingt überzeugen.
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Viele bekannte Scheibenmotoren weisen auch den Mangel auf, dass sie nicht komplett gegen Schmutz und Umwelteinflüsse geschützt sind. Es gibt bei bekannten Scheibenmotoren sehr häufig Schlitze oder andere Öffnungen, in die Staub, Wasser usw. in das Innere des Scheibenmotors eindringen kann und ihn so mittel- bis langfristig negativ beeinträchtigen können.
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Es besteht daher ein Bedarf für einen kompakten Scheibenmotor, welcher sich hermetisch von der Außenwelt abschotten lässt und welcher gleichzeitig ein höheres Drehmoment als traditionelle Scheibenläufermotoren entwickeln kann.
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Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Scheibenmotor vorzustellen, der sowohl die Anforderungen in Bezug auf Kompaktheit, ein hohes Drehmoment und Kapselung gegenüber Umwelteinflüssen erfüllt.
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Kurzbeschreibung der Erfindung
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Die oben genannte Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein elektrischer Scheibenmotor vorgestellt, der z.B. zum Betrieb in einer Felge eines Fahrzeugs geeignet ist. Der elektrische Scheibenmotor weist eine Drehachse und eine erste kreisförmige Gehäusescheibe auf, deren äußere Oberfläche und deren innere Oberfläche senkrecht zu einer Richtung der Drehachse ausgerichtet sind. Die Drehachse ist drehbar gegenüber der kreisförmigen ersten Gehäusescheibe gelagert und verläuft mittig durch diese.
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Der Scheibenmotor weist auch einen ersten Statorring, der symmetrisch zur Drehachse auf der inneren Oberfläche der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe angeordnet ist, und eine erste Mehrzahl von separaten Elektromagneten in einem Inneren des ersten Statorringes auf. Die Elektromagnete haben jeweils einen separaten gekrümmten Kern, wobei eine jeweilige virtuelle Ebene einer Krümmung des jeweiligen separaten gekrümmten Kerns durch die Drehachse verläuft. Ein erster Pol eines jeweiligen der Elektromagnete weist in Richtung einer äußeren umlaufenden Peripherie des ersten Statorringes, und ein entsprechender zweiter Pol des jeweiligen der Elektromagnete ist in Richtung einer inneren Oberfläche des ersten Statorringes gerichtet.
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Die innere Oberfläche des ersten Statorringes liegt parallel zur inneren Oberfläche der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe und befindet sich auf einer Seite des ersten Statorringes, die von der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe abgewandt ist.
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Der Scheibenmotor weist auch einen Rotor mit einer Rotorscheibe auf, die symmetrisch zur und fest mit der Drehachse verbunden ist. Dabei weist die Rotorscheibe eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche auf, wobei die erste Oberfläche der Rotorscheibe der inneren Oberfläche des ersten Statorringes beabstandet (d.h. mit einem Abstand) und drehbar gegenüberliegt
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Eine zweite Mehrzahl von Permanentmagneten erstreckt sich auf einer Kreisbahn in entsprechenden regelmäßigen Kreissegmenten durch die Rotorscheibe von dessen ersten Oberfläche zu dessen zweiten Oberfläche. Nord-Süd-Ausrichtungen der Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl jeweils verlaufen jeweils parallel zur Drehachse, und jeweils benachbarte Permanentmagnete haben um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen. Dabei ist die zweite Mehrzahl größer als die erste Mehrzahl.
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Der Rotor weist einen ersten Rotorring auf, der an einer äußeren Peripherie der Rotorscheibe angeordnet ist, und der sich von der Rotorscheibe über den ersten Statorring in Richtung der inneren Oberfläche der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe erstreckt ohne diese zu berühren.
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Der Rotor weist eine dritte Mehrzahl von regelmäßig auf einer Innenseite des ersten Rotorringes angeordneten Permanentmagneten auf. Dabei ist die dritte Mehrzahl zahlenmäßig gleich der zweiten Mehrzahl.
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Nord-Süd-Ausrichtungen der Permanentmagnete der dritten Mehrzahl verlaufen jeweils senkrecht zur Drehachse, und benachbarte Permanentmagnete der dritten Mehrzahl weisen jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen auf. Dabei liegen jeweils unterschiedliche Pole der entsprechenden Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl und der dritten Mehrzahl im jeweiligen gleichen Kreissegment in einem Winkel zueinander, der dem Winkel zwischen der äußeren umlaufenden Peripherie des (ersten) Statorringes und der inneren Oberfläche des ersten Statorringes entspricht.
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Zwischen den zur äußeren Peripherie des Statorringes weisenden jeweiligen Polen der Elektromagnete und der dritten Mehrzahl der Permanentmagnete auf der Innenseite des ersten Rotorringes befindet sich ein erster Spalt. Zwischen den in Richtung der inneren Oberfläche des Statorringes weisenden Pole der Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl der Permanentmagnete, die einer Ebene von Polen der Elektromagnete gegenüberliegt, befindet sich ein zweiter Spalt, sodass der Rotor - insbesondere mittels der Drehachse frei gegenüber dem Statorring und der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe drehbar ist. - Der genannte Winkel kann 90° oder mehr betragen, z.B. bis zu ca. 135°.
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Der vorgestellte Scheibenmotor weist eine Reihe von technischen Effekten und Vorteilen und Verbesserungen auf: Gegenüber traditionellen Scheibenläufermotoren, die in der Regel horizontal ausgerichtete Elektromagnete im Stator aufweisen, kann durch das hier vorgestellte Konzept der gekrümmten Kerne und Wicklungen der Elektromagnete des Stators der Wirkungsgrad des vorgestellten Scheibenmotors signifikant erhöht werden. Dies liegt daran, dass, obwohl zunächst nur ein Stator und ein Rotorelement verwendet werden, ein Elektromagnet des Stators gleichzeitig auf zwei Permanentmagnete des Rotors, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind, wirken kann. Prinzipiell lässt sich damit eine doppelte Leistungsdichte, d.h. ein doppelt so hohes Drehmoment im Vergleich zu gleich großen und ansonsten vergleichbaren Scheibenläufermotoren erreichen. Damit verbessert sich auch das Verhältnis der Herstellungskosten im Vergleich zum erzielten Drehmoment.
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Gemäß einem anderen Aspekt können im Vergleich zu herkömmlichen Scheibenläufermotoren einfachere Permanentmagnete verwendet werden, die ggfs. auch ohne teure seltene Erden auskommen, gelegentlich aber auch nur eine geringe Magnetisierung aufweisen. Dies liegt daran, dass gegenüber herkömmlichen Konzepten die doppelte Anzahl von Magneten vorhanden ist und die Elektromagnete sowohl über ihren jeweiligen Nordpol auch über ihren jeweiligen Südpol gleichzeitig Drehmoment erzeugen können. Dies kann die Wirtschaftlichkeit des vorgestellten Scheibenmotors signifikant und positiv beeinflussen.
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Im Gegensatz zu üblichen Scheibenläufermotoren zeichnet sich das hier vorgestellte Konzept auch durch sein verbessertes Anlaufverhalten aus. Die zusätzliche Ausrichtung der vertikalen Magnete erleichtert den Anlauf, da sie in Drehrichtung ausgerichtet sind. Herkömmliche Scheibenläufermotoren werden deshalb für eine gute Steuerbarkeit mit HallSensoren ausgestattet, was hier entfallen kann. Hallsensoren haben eine begrenzte Lebensdauer und können temperaturempfindlich sein. Dieses Problem kann zuverlässig umgangen werden.
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Die zusätzliche Magnetausrichtung verbessert auch ein mögliches Rekuperationsverhalten, falls der Scheibenmotor bei Bremsvorgängen als Generator eingesetzt wird. Außerdem können durch die vorgestellte Konstruktion herkömmliche Fahrzeuge mit dem hier vorgestellten Scheibenmotor nachgerüstet werden, falls auch eine entsprechende Felge genutzt wird. Auf diese Weise ließen sich normale Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zu Hybridfahrzeugen umrüsten.
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Ein weiterer hervorzuhebender Aspekt der Vorteile des vorgestellten Konzeptes betrifft die Erweiterung des Grundkonzeptes zu einem Doppelrotorsystem mit zwei Statoren, zwischen denen sich der Doppelrotor frei drehen kann. Die Statorelemente befinden sich also symmetrisch auf Innenseiten der kreisförmigen Gehäusescheiben, welche durch einen Rohrabschnitt, der den Rotor umschließt, miteinander und parallel zueinander verbindet. Auf diese Weise wird ein Gehäuse geschaffen, sodass eine Achse, die mittig durch die kreisförmigen Gehäusescheiben verläuft und fest mit dem Rotor - egal ob einseitig oder doppelseitig - verbunden ist. Zwischen den kreisförmigen Gehäusescheiben und der Achse werden vorteilhafterweise Dichtungen vorgesehen. Auf diese Weise entsteht ein komplett geschlossenes Gehäuse für den Scheibenmotor, sodass dessen Inneres gegen Umwelteinflüsse abgeschirmt ist.
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Die hier vorgestellten Scheibenmotoren lassen sich in beliebige Fahrzeuge wie PKW, LKW, Schienenfahrzeuge, Boote/Schiffe, Lastenkarren - beispielsweise autonom fahrende Paketauslieferungsfahrzeuge, jeglicher Art von Zweirädern und/oder Dreirädern entweder in Ergänzung zu einem bestehenden anderen Antrieb oder als alleiniger Antrieb integrieren.
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele des elektrischen Scheibenmotors beschrieben:
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Gemäß einem weiterentwickelten Ausführungsbeispiel des Scheibenmotors kann dieser eine zweite kreisförmige Gehäusescheibe aufweisen, deren äußere Oberfläche und deren innere Oberfläche senkrecht zu der Richtung der Drehachse ausgerichtet sind. Dabei kann die Drehachse drehbar gegenüber der kreisförmigen zweiten Gehäusescheibe gelagert sein und mittig durch diese verlaufen.
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Der Scheibenmotor kann auch einen Gehäusering aufweisen, der konzentrisch um die Drehachse liegt und einen größeren Innendurchmesser als den des Rotors hat. Die erste kreisförmige Gehäusescheibe und die zweite kreisförmige Gehäusescheibe können so - insbesondere an ihren jeweiligen äußeren Peripherien - miteinander verbunden werden, sodass der erste Statorring und der Rotor sich in einem Innenraum zwischen der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe, der zweiten kreisförmigen Gehäusescheibe und dem Gehäusering befindet. Auf diese Weise kann das Innere des Scheibenmotors hermetisch gegen äußere Umwelteinflüsse abgeschirmt werden. Verschmutzungen oder feuchte Luft können das Innere des Scheibenmotors nicht erreichen.
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Dadurch, dass die Statoren (einseitig oder zweiseitig) direkt an den Gehäusescheiben anliegen, kann die Wärme, die durch den Stromfluss durch die Elektromagnete verursacht wird gut abgeführt werden. Kühlrippen auf der/den Oberfläche/n der Gehäusescheibe/n können zusätzlich zu Kühlung beitragen.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Scheibenmotor einen zweiten Statorring mit separaten Elektromagneten entsprechend der ersten Menge in einem Inneren des zweiten Statorringes aufweisen. Dabei kann der zweite Statorring im Aufbau dem ersten Statorring in symmetrischer Weise entsprechen. Außerdem kann der zweite Statorring spiegelbildlich zum ersten Statorring an einer Innenseite der zweiten kreisförmigen Gehäusescheibe angeordnet sein. Dabei bezeichnet die Innenseite immer die in das Innere des Gehäuses des Scheibenmotors gewandte Seite.
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Dieses Ausführungsbeispiel wird also durch einen zweiten Rotorring ergänzt, der an der äußeren Peripherie der Rotorscheibe angeordnet ist, und der sich von der Rotorscheibe über den zweiten Statorring in Richtung der inneren Oberfläche der zweiten kreisförmigen Gehäusescheibe erstreckt ohne diese zu berühren. Es gibt also einen Spalt zwischen dem zweiten Rotorring und der zweiten kreisförmigen Gehäusescheibe bzw. auch zur äußeren Peripherie des zweiten Statorringes.
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Der zweite Rotorring weist eine vierte Mehrzahl von regelmäßig auf einer Innenseite des zweiten Rotorringes angeordneten Permanentmagneten auf, wobei die vierte Mehrzahl zahlenmäßig gleich der zweiten Mehrzahl ist.
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Nord-Süd-Ausrichtungen der Permanentmagnete der vierten Mehrzahl können somit jeweils senkrecht zur Drehachse verlaufen und benachbarte der Permanentmagnete (der vierten Mehrzahl) sollten jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen aufweisen. Dabei sollten jeweils unterschiedliche Pole der entsprechenden Permanentmagnete der vierten Mehrzahl und der zweiten Mehrzahl im jeweiligen gleichen Kreissegment in einem Winkel - z.B. 90° - zueinander liegen, der dem Winkel zwischen der äußeren umlaufenden Peripherie des zweiten Statorringes und der inneren Oberfläche des zweiten Statorringes entspricht. Sich im gleichen Kreissegment befindliche Permanentmagnete ab der Innenseite des ersten Rotorringes und des zweiten Rotorringes sollten zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen aufweisen.
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Außerdem kann sich zwischen den zur äußeren Peripherie des zweiten Statorringes weisenden jeweiligen Polen der Elektromagnete und der vierten Mehrzahl der Permanentmagnete auf der Innenseite des zweiten Rotorringes ein dritter Spalt befinden. Zusätzlich sollte sich zwischen den in Richtung der inneren Oberfläche des zweiten Statorringes weisenden Pole der Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl der Permanentmagnete, die einer Ebene von Polen der Elektromagnete gegenüberliegt, ein vierter Spalt befinden, sodass der komplette Rotor zusammen mit der Drehachse frei gegenüber dem ersten Statorring, dem zweiten Statorring, der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe der zweiten kreisförmigen Gehäusescheibe und dem Gehäusering drehbar ist.
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In diesem Ausführungsbeispiel wurde also ein zweites Rotorring-Stator-Paar in das Gehäuse integriert, sodass ein doppeltes Drehmoment erzeugt werden kann. Die Rotorscheibe wird dabei als Befestigungsbasis für beide Rotorringe genutzt. Zusätzlich vorteilhaft ist, dass die Permanentmagnete, die sich in der Rotorscheibe befinden, sowohl für die eine Hälfte des Rotors, wie auch für die andere Hälfte des Rotors genutzt werden können. Durch die Verdopplung des Rotorrings und des zweiten Stators kann also Material dadurch eingespart werden, dass nur eine Rotorscheibe und Einsatz von Permanentmagneten erforderlich ist, welche sich in der Scheibe von einer seiner Oberflächen auf die andere seiner Oberflächen erstreckt.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann die erste Mehrzahl sich zur zweiten Mehrzahl wie 3 zu 4 verhalten. Auf diese Weise lässt sich durch die fortschreitende und abwechselnde Aktivierung der Elektromagnete - von z. B immer drei gleichzeitig - des Statorringes (bzw. der Statorringe) ein kontinuierliches Drehmoment auf den Rotor erzeugen
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Gemäß einem ergänzenden weiterentwickelten Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann die erste kreisförmige Gehäusescheibe auf ihrer äußeren Seite elektrische Anschlüsse aufweisen, die isoliert durch die erste kreisförmige Gehäusescheibe geführt sind, sodass die elektrischen Anschlüsse elektrisch - über innerhalb des ersten Statorringes verlaufende elektrische Verbindungen - mit jeweils ausgewählten Spulen der Elektromagnete innerhalb des ersten Statorringes verbunden sein können, sodass z.B. jeweils jeder dritte der Elektromagnete innerhalb des ersten Statorringes gleichzeitig aktivierbar ist. Durch diese isolierte und abgedichtete Durchführung durch die Gehäusescheibe kann das Innere des Scheibenmotors gegenüber Umwelteinflüssen abgeschirmt bleiben.
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Gemäß einem anderen erweiterten Ausführungsbeispiel gibt es auch eine elektrische Verbindung von den genannten elektrischen Anschlüssen zu den Spulen des zweiten Statorringes, sodass auch die Spulen der Elektromagnete in dem zweiten Statorring selektiv angesteuert werden können, sodass sich praktisch ein doppelt so großes Drehmoment im Vergleich zum Betrieb mit nur einem Statorring ergibt. Die dafür notwendige Verbindung von den elektrischen Anschlüssen zum zweiten Statorring kann beispielsweise über elektrische Verbindungen erfolgen, die innerhalb des Gehäuseringes sowie im Inneren der zweiten Gehäusescheibe verlaufen. Elektrische Steckverbindungen sorgen an den Übergangsstellen von Gehäusescheibe und Gehäusering für die notwendigen elektrischen Verbindungen. Alternativ können elektrische Verbindungen zu den Spulen der Elektromagnete des zweiten Statorringes auch durch einen elektrischen Anschluss auf der Außenseite der zweiten Gehäusescheibe erreicht werden.
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Folglich und gemäß diesem Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors können die selektiven elektrischen Verbindungen jeweils isoliert innerhalb eines Volumens des Gehäuseringes und/oder innerhalb eines Volumens der zweiten kreisförmigen Gehäusescheibe und/oder innerhalb eines Volumens des zweiten Statorringes verlaufen. Auf diese Weise wären sie nicht zufällig von außen zu beschädigen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors 100 kann der erste Statorring und/oder der zweite Statorring aus Aluminium, Stahl oder Carbon-Material bestehen, in die die Spulen der jeweiligen Elektromagnete und isolierte elektrische Verbindungen einbettbar sind. Diese Materialauswahl ermöglicht eine elegante Einbettung der Elektromagnete in die Statorringe.
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Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der Scheibenmotor ein Befestigungselement aufweisen, welches sich weg von der äußeren Oberfläche der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe erstreckt. Das Befestigungselement sollte dabei geeignet sein, mit einem Element eines Fahrzeugs -z. B. einer Radaufhängung - fest oder wieder lösbar verbunden zu werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors sollten jeweilige Kerne und/oder Spulen der jeweiligen Elektromagnete sich nicht gegenüber den Oberflächen, an die sie angrenzen, erheben. Die Kerne der Elektromagnete können also plan mit der jeweiligen Oberfläche des Stators abschließen. Auf diese Weise lassen sich kleine Spalten zwischen sich entsprechenden Elementen des Rotors und des Stators realisieren, wodurch ein hoher magnetischer Fluss und folgerichtig ein hohes magnetisch erzeugtes Drehmoment erreicht werden kann.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere können einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen, und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrenshinweisen, beschrieben worden sein. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung unmittelbar klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ eines Erfindungsgegenstandes gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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- 1 stellt eine Grundform des Scheibenmotors mit einem Rotorring und einem Statorring, die voneinander getrennt sind, dar.
- 2 zeigt eine perspektivische Detailansicht eines Schnittes durch den Statorring
- 3 stellt den Rotor aus einer anderen Perspektive dar.
- 4 stellt eine Erweiterung der Grundidee des vorgestellten Konzeptes dar.
- 5 zeigt eine Draufsicht auf den Rotor.
- 6 stellt den Scheibenmotor gegenüber der Darstellung von 4 um ca. 90° gedreht dar
- 7 stellt eine Draufsicht auf die erste Scheibenmotors des kompletten einseitigen Scheibenmotors dar.
- 8 zeigt einen Querschnitt durch den Doppelrotor gemäß der Darstellung in 4.
- Fig, 9 zeigt eine perspektivische Detailansicht (Teilexplosionszeichnung) einer Ausführung des Scheibenmotors als Innenläufer.
- 10 zeigt eine den Innenläufer von 9 mit einem Gehäusering.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Folgende Begriffe und Ausdrücke werden in diesem Dokument genutzt:
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Der Begriff „Rotor“ beschreibt den drehbaren Teil eines Elektromotors. Bei dem hier vorgestellten Scheibenmotor in seiner Basisform besitzt der Rotor im Wesentlichen die Form einer Scheibe, die mit Permanentmagneten bestückt ist. Zusätzlich weist der Rotor an der Peripherie der Rotorscheibe einen asymmetrischen Fortsatz - auch Rotorring genannt - auf, der sich von der Rotorscheibe weg erstreckt und auf seiner Innenseite auch mit Permanentmagneten bestückt sein kann.
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Der Begriff „Felge eines Fahrzeugs“ beschreibt einen Reifen-tragenden Teil eines Fahrzeugs, z.B. eines PKWs, eines Transporters oder eines LKWs. Denkbar sind aber auch Fahrräder (E-Bikes), E-Roller, E-Motorräder oder Fahrgestelle von Flugzeugen. Die Felge ist typischerweise mit einem drehbaren Teil am Fahrzeug verbunden, das in oder an der Radaufhängung über der Nabe der Felge gelagert ist. Der Scheibenmotor kann sich innerhalb der Felge befinden und von dieser umschlossen werden. Die Innenseite der Felge kann den Rotor passgenau in sich aufnehmen. Eine Verzahnung kann dafür sorgen, dass eine Kraftübertragung bzw. Drehmomentübertragung vom Scheibenmotor auf die Felge erfolgen kann. Der Scheibenmotor kann also als Felgenmotor oder auch in jeder anderen Verwendungsformen eingesetzt werden.
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Der Begriff „Rotorring“ beschreibt den äußeren Teil eines Rotors des Scheibenmotors, der aber dennoch innerhalb des Gehäuses des Scheibenmotors liegt. Er kann eine erste und eine zweite Oberfläche besitzen. Permanentmagnete können in regelmäßigen Abständen bzw. regelmäßigen Kreissegmenten in die innere Oberfläche des Rotorrings eingelassen sein. Die Orientierung der Permanentmagnete wechselt sich zwischen benachbarten Permanentmagneten ab.
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Zunächst wird der Rotorring als nur einseitig von der Rotorscheibe wegerstreckend verstanden. In der Version des Scheibenmotors mit zwei Statoren kann der Rotorring doppelt so breit sein und sich auf beiden Seiten der Rotorscheibe von dieser weg erstrecken. Man kann aber auch von einem ersten und einem zweiten Rotorring wegen der besseren Unterscheidbarkeit sprechen.
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Der Begriff „Permanentmagnet“ beschreibt ein mechanisches Element aus einem ferromagnetischen Material. Das Material der Permanentmagnete, die im vorgestellten Scheibenmotor Verwendung finden, sollte eine hohe Dauermagnetisierung aufweisen, wie es bei hartmagnetischen Materialien von Legierungen aus Eisen, Kobalt, Nickel, Ferriten und anderen Seltenen Erden der Fall ist.
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Der Begriff „Rohrabschnitt“ beschreibt einen Teil eines Rohres, dessen Enden im Wesentlichen senkrecht zur Längssymmetrie des Rohres verlaufen. Dabei kann die Länge des Rohrabschnittes kleiner sein als sein Durchmesser. Im Wesentlichen lässt sich auch der Rotorring als Rohrabschnitt beschreiben.
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Der Begriff „Statorring“ - in Kurzform „Stator“ - beschreibt ein Grundelement eines Stators des Scheibenmotors. Im Gegensatz zum Rotor steht der Stator fest. Der Statorring kann die gekrümmten Elektromagnete in seinem Inneren aufnehmen, sodass Pole der Elektromagnete einerseits zur Peripherie des Statorringes weisen und andererseits zu einer Seitenfläche oder einer inneren Oberfläche des Statorringes. Das Material des Statorringes kann z.B. Aluminium oder eine Al-aufweisende Legierung oder auch Carbon-Verbundstoffe aufweisen. Der Statorring sollte auch die Fähigkeit haben, Wärme gut abzuleiten. Es sind auch Materialkombinationen denkbar, in denen die Elektromagnete in größere Öffnungen der Statorscheibe eingelegt werden und dann mit einem Verbundstoff eingegossen werden.
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Der Begriff „Elektromagnet“ beschreibt hier einen geometrisch besonders gestalteten Elektromagneten. Der Kern des Elektromagneten ist dabei nicht linear gestreckt sondern verläuft auf einer gekrümmten Bahn, insbesondere in Form eines Viertelkreises. Damit liegen die nur zwei Oberflächen der ausschließlich beiden Enden des Kerns des Elektromagneten in einem Winkel von z.B. 90° zueinander. Es sind auch andere Winkel möglich, z.B. bis ca. 140°. Insbesondere kann dabei das nach außen, zur Peripherie des Statorringes weisende Polende nicht parallel zur Mittelachse des Statorringes verlaufen. Allerdings sollte in einem solchen Fall die Innenseite des Rotorringes des Rotors auch gegenüber der Drehachse in einem gleichen Maße gekippt sein, sodass ein weitgehend konstanter Spalt zwischen den Polflächen der Elektromagnete und den Magneten auf der Innenseite des Rohrabschnittes des Rotorringes entsteht. Allerdings könnten auch nur die Oberflächen der Permanentmagnete (anstelle deren gesamten rechteckigen Form) geneigt sein.
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Durch die Mehrzahl der Elektromagnete ist eine effektive Ansteuerung der Elektromagnete erforderlich, um auf möglichst effektive Art den Rotor des Scheibenmotors anzutreiben. Dazu können handelsübliche Steuerungen verwendet werden. Diese können mehrere - insbesondere ausgewählte - der Elektromagnete des Statorringes gleichzeitig aktivieren. Typischerweise sind die Elektromagnete elektrisch innerhalb des Statorringes so miteinander verbunden, dass insgesamt nur drei äußere Anschlüsse erforderlich sind.
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Über den Kernen bzw. um sie herum weisen die Elektromagnete Wicklungen auf, die allerdings der Krümmung des gekrümmten Kerns folgen. Es sei nochmals darauf verwiesen, dass die Anker oder Kerne der Elektromagnete im Wesentlichen die Form eines in einem Bogen verlaufenden Stabes aufweisen. Auf diese Weise ergibt sich zwischen den Oberflächen der Enden des gekrümmten Kerns ein Winkel von zum Beispiel 90°.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, weitgehend mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
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Ferner wird auch darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, sodass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
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1 stellt eine Grundform des Scheibenmotors 100 mit einem Rotorring 120 und einem Statorring 108 (kurz auch „Stator“), die voneinander gegeneinander drehbar getrennt sind, dar. Der elektrische Scheibenmotor 100 kann zum Beispiel als Antrieb für ein Fahrzeug in einer Felge eingesetzt werden. Allerdings ist der Einsatz des Scheibenmotors für einen Betrieb in der Felge nicht zwingend erforderlich. Er kann auch jegliche andere Einsatzzwecke erfüllen und dabei sein vergleichsweise hohes Drehmoment entfalten.
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Im Zentrum des Scheibenmotors 100 befindet sich die Drehachse 126, die mit der Rotorscheibe 118 fest verbunden ist. Durch die Drehachse 126 verläuft die zugehörige gedachte Mittellinie128.
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Auf der rechten Seite von 1 ist die kreisförmige Gehäusescheibe 102 (oder Statorscheibe), deren äußere Oberfläche 104 und deren innere Oberfläche 106 senkrecht zu einer Richtung der Drehachse 126 ausgerichtet ist. Die Drehachse 126 ist drehbar gegenüber der kreisförmigen ersten Gehäusescheibe 102 gelagert und verläuft mittig durch sie. An der Stelle, an der sich die Drehachse 126 dicht an die Statorscheibe 102 (oder auch Gehäusescheibe) kommt, kann zwischen diesen ein Drehlager (nicht dargestellt) vorgesehen sein.
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Der erste Statorring 108 ist symmetrisch zur Drehachse 126 auf der inneren Oberfläche 106 der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe 102 angeordnet und weist eine erste Mehrzahl von separaten Elektromagneten 112 (vgl. im Detail in 2) im Inneren des ersten Statorringes 108 auf. Die Elektromagnete 112 weisen jeweils einen separaten gekrümmten Kern 202 auf, wobei eine jeweilige virtuelle Ebene, in der die Krümmung verläuft, der jeweiligen separaten gekrümmten Kerne durch eine Mittellinie 128 der Drehachse 126 verläuft.
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Ein erster Pol eines jeweiligen der Elektromagnete 112 weist dabei in Richtung einer äußeren umlaufenden Peripherie des ersten Statorringes 108, und ein entsprechender zweiter Pol des jeweiligen der Elektromagnete 112 ist in Richtung einer inneren Oberfläche 114 des ersten Statorringes 108 gerichtet.
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Die innere Oberfläche 114 des ersten Statorringes 108 verläuft dabei parallel zur inneren Oberfläche 106 der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe 102 und liegt auf einer inneren Seite des ersten Statorringes 108, die von der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe 102 abgewandt ist.
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Weiterhin weist der Scheibenmotor 100 einen Rotor 116, der aus einer Rotorscheibe 118 und einem Rotorring 120 besteht, auf.
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Die Rotorscheibe 118 ist rundsymmetrisch und senkrecht zur Drehachse 126, mit der sie fest verbunden ist. Die Rotorscheibe 118 hat eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche, wobei die erste Oberfläche der Rotorscheibe 118 der inneren Oberfläche 106 des ersten Statorringes 108 beabstandet - d.h., es besteht ein Abstand/ein Spalt zwischen ihnen - und drehbar gegenüberliegt.
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Eine zweite Mehrzahl von Permanentmagneten 124 erstreckt sich auf einer Kreisbahn in entsprechenden regelmäßigen Kreissegmenten durch die Rotorscheibe 118 von dessen erster Oberfläche zu dessen zweiter Oberfläche. Die Nord-Süd-Ausrichtungen der Permanentmagnete 124 der zweiten Mehrzahl verlaufen jeweils parallel zur Drehachse 126. Benachbarte Permanentmagnete 124 haben jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen, wobei die zweite Mehrzahl (Permanentmagnete) größer als die erste Mehrzahl (Elektromagnete) ist.
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Der ersten Rotorring 120 ist an einer äußeren Peripherie der Rotorscheibe 118 angeordnet und erstreckt sich von der Rotorscheibe 118 über den ersten Statorring 108 in Richtung der inneren Oberfläche 106 der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe 102 ohne diese zu berühren, sodass ein Spalt dazwischen entsteht.
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Eine dritte Mehrzahl von regelmäßig und rundherum auf einer Innenseite des ersten Rotorringes 120 angeordneten Permanentmagneten 122 ist zahlenmäßig gleich groß wie die zweite Mehrzahl, also der Anzahl der Magnete in der Rotorscheibe 118. Damit liegt in jedem gedachten Sektor des Rotors ein Permanentmagnet 124, dessen Nord-Süd-Ausrichtung parallel zur Drehachse 126 verläuft sowie ein zweiter Permanentmagnet 122, dessen Nord-Süd-Ausrichtungen jeweils senkrecht zur Drehachse 134 verläuft. Benachbarte Permanentmagnete 122 der dritten Mehrzahl weisen jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen auf. Diejenigen Permanentmagnete 122, 124 der zweiten und der dritten Mehrzahl, die sich in einem gedachten Kreissegment befinden, haben jeweils zueinander komplementäre Orientierungen, die in Richtung des Statorringes 108 (einmal zu dessen Oberfläche und einmal zu dessen Peripherie) zeigen. Nur für einen Teil der Permanentmagnete ist die jeweilige S- und N-Orientierung dargestellt.
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Zwischen den zur äußeren Peripherie des Statorringes 108 weisenden jeweiligen Pole der Elektromagnete 112 und der dritten Mehrzahl der Permanentmagnete 122 auf der Innenseite des ersten Rotorringes 120 befindet sich ein erster Spalt, und zwischen den in Richtung der inneren Oberfläche des Statorringes 108 weisenden Pole der Permanentmagnete 124 der zweiten Mehrzahl der Permanentmagnete, die einer Ebene von Polen der Elektromagnete 112 gegenüberliegt, befindet sich ein zweiter Spalt, sodass der Rotor 116 zusammen mit der Drehachse 126 frei gegenüber dem Statorring 108 und der ersten kreisförmigen Gehäusescheibe 102 drehbar ist.
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Durch den Gehäusering 130, der den Rotor 116 umgibt ohne ihn zu berühren, ist der Statorring 108 genauso wie der rotierende Rotor 116 gegenüber Umwelteinflüssen - also das komplette Innere des Scheibenmotors 100 geschützt. Dazu kann die äußere erste Gehäusescheibe 102 und eine zweite äußere Gehäusescheibe (hier nicht dargestellt, aber auf der linken Seite der Figur gedanklich ergänzt) mit dem Gehäusering 130 fest verbunden werden (zum Beispiel verschraubt). An dem Gehäusering 130 erkennt man außerdem äußere Kühlrippen, die vorteilhafterweise für eine Wärmeabfuhr sorgen können. Das Grundprinzip des Scheibenmotors 100 ist allerdings auch ohne diese Kühlrippen funktionsfähig.
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Die Drehung des Rotors 116 gegenüber dem Statorring 108 ist auch elegant möglich, weil die vertikalen und horizontalen Magnetströme den Rotor 116 zentrieren und stabilisieren. Ein vorteilhafter ruhiger und stabiler Lauf ist die Folge.
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Zusätzlich erkennt man elektrische Anschlüsse 132, welche isoliert durch die erste Statorscheibe 102 verlaufen und durch das Innere des Statorringes 108 elektrisch und selektiv mit den Spulen der Elektromagnete 112 verbunden sind. Weiterhin erstreckt sich von der äußeren Oberfläche der ersten Gehäusescheibe 102 eine beispielhafte Halterung 134, die mit einem fixen sich nicht drehenden Befestigungspunkt verbunden werden kann, sodass der Stator 108 sich nicht dreht. Bei dem Befestigungspunkt kann es sich im Falle des Scheibenmotors als Felgenmotors um eine entsprechende Halterung zum Beispiel am Bremssattel, an einer Achsaufhängung oder am Chassis handeln.
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2 zeigt eine perspektivische Detailansicht 200 eines Schnittes durch den Statorring 108. Man erkennt eindeutig den gekrümmten Kern 202 des Elektromagneten 112, der sich im Inneren des Statorringes 108 befindet. Der Elektromagnet 112 weist in dieser Darstellung zwei Enden auf, deren Oberflächen in einem Winkel von 90° zueinander liegen. Wenn Strom durch die Spule 204 des Elektromagneten fließt, weist also der eine Pol 206 (z.B. „Süd“) des Elektromagneten 112 zur äußeren Peripherie des Statorringes 108, während der andere Pol 208 (z.B. „Nord“) in das Innere des Scheibenmotors bzw. in Richtung des Rotors orientiert ist. Bei einer Umkehrung der Stromflussrichtung sind die N-S-Ausrichtungen der Pole vertauscht. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass die Aussparung 210 im Statorring 108 exemplarisch für unterschiedliche Ausgestaltungen des Rotorringes stehen. Wichtig ist allerdings, dass sich die Achse, die sich durch die Mitte des Rotorringes 108 erstreckt, drehbar gegenüber diesem gelagert ist.
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3 stellt den Rotor 116 bestehend aus der Drehachse 126, der Rotorscheibe 118 und dem Rotorring 120 sowie den Statorring 108 nochmals aus einer anderen Perspektive dar. Insbesondere erlaubt diese Darstellung einen Blick auf die innere Oberfläche des Statorringes 108 und dem zweiten Pol, der wegen seines gekrümmten Radius in Richtung der Rotorscheibe 118 orientiert ist. An dieser Darstellung wird auch klar, wie der Elektromagnet 112, von dem man nur die äußeren Pole sieht, innerhalb des Statorringes 108 eingebettet sind. Die sichtbaren Enden des Ankers der Mehrzahl der Elektromagnete 112 sind in Achsrichtung rund dargestellt, während sie zur Peripherie hin eckig dargestellt sind. Dies dient nur dazu aufzuzeigen, dass mehrere Möglichkeiten der Gestaltung bestehen. Beispielsweise könnten die Pole jeweils eckig sein, trapezförmig oder auch dreieckig oder oval, sie könnten jeweils geometrisch identisch geformte Pole aufweisen oder - wie hier dargestellt - können die beiden Pole eines Elektromagneten der Mehrzahl unterschiedliche geometrische Formen haben.
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Außerdem ist noch die zweite Gehäusescheibe 302 auf der linken Seite des Gehäuseringes 130 sichtbar. Auf diese Weise lässt sich das Innere des Scheibenmotors 100 komplett verschließen. Das Gehäuse besteht dann aus der ersten oder rechten Gehäusescheibe 102, dem Gehäusering 130 und der zweiten oder linken Gehäusescheibe 302. Die Drehachse 126 kann sich gelagert durch beide Gehäusescheiben 102, 302 erstrecken.
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4 stellt eine Erweiterung der Grundidee des bisher vorgestellten Konzeptes dar. Diese Erweiterung weist neben den bisher bereits beschriebenen Elementen des Scheibenmotors 100 zusätzlich einen zweiten Statorring 402 auf, der prinzipiell den gleichen Aufbau hat wie der erste Statorring 108. Er ist an der zweiten Gehäusescheibe 302 befestigt und weist auch eine Mehrzahl von Elektromagneten 404 auf, die auch jeweils einen gekrümmten Kern haben. Die beiden Pole der Elektromagnete erkennt man auf der äußeren Peripherie des zweiten Statorringes 402 sowie auf der Seite des Statorringes 402, der in Richtung des Rotors gerichtet ist. Für die Form der Pole dieser Elektromagneten 404 gilt genau das gleiche wie für die Pole der Elektromagnete des ersten Statorringes (hier nicht sichtbar, da er hinter der Gehäusescheibe 102 verborgen ist).
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Im Gegensatz zu dem vorangehend beschriebenen Scheibenmotors 100 unterscheidet er sich neben dem zweiten Stator 402 auch durch einen erweiterten Rotor 408. Der Teil 410 des Rotors 408, der in der 4 sichtbar ist, entspricht exakt der Version des Rotors 116 der vorangegangenen beschriebenen Figuren. Der (linke) Teil 412 des Rotors 408 hingegen ist zusätzlich vorhanden und baugleich mit dem Rotorring 120 der vorangegangenen Figuren. Folglich gibt es auf der Innenseite des Rotorringes/Rotorteils 412 auch eine Mehrzahl von Permanentmagneten, die der Anzahl der Permanentmagnete des Rotorringteiles 410 entspricht. Allerdings sind die sich abwechselnden Nord-/Südpole in dem Teil 412 des Rotors 408 jeweils um ein Segment verschoben, sodass in dem jeweiligen Kreisabschnitt, in dem die beiden Permanentmagnete des gesamten Rotorringes liegen, jeweils einer eine Südausrichtung in Richtung gedachter Drehachse 128 hat und der daneben liegende Permanentmagnet eine Nordausrichtung in Richtung der gedachten Mittelinie 128 der Drehachse 126 aufweist.
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Ein sich ergebender Vorteil aus dem so konstruierten Rotor 404 ist, dass die Permanentmagnete, die sich durch die Rotorscheibe 120 von der einen Oberfläche auf die andere Oberfläche erstrecken, sowohl für den ersten Teil 410 des Rotorringes im Zusammenspiel mit den Elektromagneten des ersten Stators wirksam sind, als auch für den zweiten Teil 412 des Rotors 408.
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Wenn das Gehäuse des Scheibenmotors 400 nun geschlossen wird, befindet sich der erste Stator 108, der zweite Stator 402 sowie der Rotor 408 mit seinen beiden Hälften 410 und 412 innerhalb. Die nach außen sichtbaren Teile bestehen nur noch aus der Gehäusescheibe 102, der Gehäusescheibe 302, und dem Gehäusering 130. Der innerhalb des Gehäuses frei drehbare Rotor 408 kann durch Drehlager (z.B. Kugellager oder Walzlager mit Dichtungen) stabil zwischen den Gehäusescheiben 102, 302 gehalten werden, sodass keine Verschmutzung in den Scheibenmotor 400 eindringen kann.
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5 zeigt nochmals eine Draufsicht auf den Rotor 116. Die zweite Hälfte 412 des Rotors 408 des doppelseitigen Scheibenmotors 400 würde quasi identisch aussehen. Nur die jeweiligen Nord-Süd Ausrichtungen wären jeweils um ein Segment verschoben, welches die Breite eines Magnetpaares hätte, von denen einer in der Rotorscheibe 118 liegen würde während der andere des Paares auf der Innenseite des Rotorringes 120 liegen würde. Im Bereich 502 sind exemplarisch nochmals die Positionierung und die Orientierungen der Permanentmagnete dargestellt.
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6 stellt den Scheibenmotor 100 gegenüber der Darstellung von 4 um ca. 90° gedreht dar. Man erkennt klar die Gehäusescheibe 102, den Stator 108, den Rotor 116, den Gehäusering 130 sowie die zweite Gehäusescheibe 302. Klar erkennbar ist hier, dass der Rotor 116, bestehend aus der Rotorscheibe 118 und dem Rotorring 120, auf der sichtbaren Seite keine erkennbaren Permanentmagnete aufweist. Dies liegt daran, dass die Permanentmagnete des Rotors 116 nicht zwingendermaßen durch die Rotorscheibe 116 geführt werden müssen, sodass sie auch von der nun sichtbaren Seite erkennbar sind. In diesem Falle wären die Permanentmagnete 124 nur in die nicht sichtbare Seite der Rotorscheibe 118 eingelassen oder anderweitig befestigt (nicht dargestellt, vgl. 1). Beide Konstruktionsvarianten sind möglich.
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7 stellt nun auf der rechten Seite eine Draufsicht auf die erste Felgenscheibe 102 des kompletten einseitigen Scheibenmotors 100 (vgl. 1) dar. Auf der Außenseite sind hier beispielhaft auch Kühlrippen dargestellt, die für eine größere Oberfläche des Gehäuses sorgen können, um der im Inneren durch die Stromflüsse in den Elektromagneten erzeugten Wärmeentwicklung entgegenzuwirken.
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Auf der linken Seite der Figur ist eine Schnittzeichnung 702 durch den gesamten einseitigen Scheibenmotor 100 entlang der Schnittebene A dargestellt. Man erkennt die beiden äußeren Gehäusescheiben 102 und 302 sowie den Gehäusering 130 wie auch den Schnitt durch den ersten Stator 108 mit einem der gekrümmten Elektromagnete 112 sowie die in dieser Stellung direkt gegenüberliegenden Permanentmagnete 122, 124. Gut erkennbar ist auch der Schnitt durch den Rotorring 120 und die Rotorscheibe 118. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass in dieser Darstellung die elektrischen Anschlüsse 132 und das Befestigungselement 134 im Vergleich zu 1 nach links weisen. Gut sichtbar ist auch die Leitungsführung 702 durch das Innere des Stator Ringes 108, mit dem die elektrischen Signale von den elektrischen Anschlüssen 132 direkt zu den Elektromagneten 112 transportiert werden.
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8 zeigt wiederum einen Querschnitt durch den Doppelrotor 802 gemäß der Darstellung von 4 entlang der Ebene A aus der Seitenansicht des Scheibenmotors 400. Sowohl der Teil 410 des Rotors 408 wie auch der Teil 412 des Rotors 408 ist gut erkennbar. Jetzt wird auch die Lage der Permanentmagnete 122, die sich jeweils durch die Rotorscheibe von der einen bis zur anderen Oberfläche erstrecken, sichtbar.
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Deutlich erkennbar ist nun die doppelte Ausführung der Elektromagnete 112 des ersten Stators 116 und des zweiten Stators 402. Außerdem ist die Lage der Permanentmagnete 122, die sich in der Rotorscheibe 118 befinden klar. 8 zeigt zwar die Rotorscheibe 118 in doppelter Ausführung. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich. Es kann auch nur eine einfache Rotorscheibe einer einfachen Dicke vorgesehen sein. Fertigungstechnisch würde sich aber die Konstruktion wie dargestellt mit zwei Rotorscheiben 118 anbieten, da in diesem Fall die gleichen Rotorscheiben verwendet werden können, egal ob es sich um einen einseitigen oder einen doppelseitigen Scheibenmotor handeln würde. Dies könnte Fertigungskosten reduzieren, da nur eine Art von Rotoren 116 erforderlich wäre. Allerdings könnte eine Verwendung nur einer Rotorscheibe 118 das spezifische Leistungsgewicht des Scheibenmotors reduzieren.
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9 zeigt eine perspektivische Detailansicht 900 (Teilexplosionszeichnung) einer Ausführung des Scheibenmotors als Innenläufer. In dieser Darstellung, gibt es bereits bekannte Elemente, insbesondere die äußere (rechte) Gehäusescheibe 102 und die zweite (linke) Gehäusescheibe 302. Außerdem erkennt man den Statorring 902. Dieser ist nun allerdings nicht mehr nahe der Achse 126 positioniert sondern in einem äußeren Bereich der Gehäusescheibe 102. Außerdem erkennt man Pole 904 und 906 der in dem Statorring 902 liegenden Elektromagnete (nicht dargestellt). Die Einbettung der Elektromagnete und deren Anschlüsse geschehen analog zum Außenläufer, wie in den vorangegangenen Figuren beschrieben. Auch hier weist jeweils ein Pol 904 der Elektromagnete in Richtung des Rotors 910. Dieser besteht aus der bekannten Rotorscheibe 118, einem Rotorringen 908 und der bereits bekannten Achse 126. Und auch hier weist die Rotorscheibe in diese eingelassene Permanentmagnete 912 auf, deren Orientierungen sich jeweils abwechseln. Außerdem sind auf der Außenseite des Rotorringes 908 - entsprechend der Orientierung des Außenläufers (vgl. 1 bis 8) - Permanentmagnete 914 angeordnet. Der Rotor 910 ist auch in diesem Fall frei drehbar zwischen dem Statorring 902 und der Gehäusescheibe 302 drehbar gelagert.
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10 zeigt eine die Innenläuferversion des Scheibenmotors von 9 mit einem Gehäusering 130. Dieser Gehäusering 130 ist bereits aus den vorangegangenen Darstellungen der Außenläuferversion des Scheibenmotors 1000 bekannt. Dadurch, dass das Innere des Scheibenmotors 1000 sich hermetisch gegenüber der Außenwelt durch ein (beispielsweise) Verschrauben des zweiten Gehäusedeckels 302, des Gehäuseringes 130 und der Gehäusescheibe 102 zusammen mit dem Statorringe 902 und dem innenliegenden Rotor abschließen lässt, ist auch diese Version des Scheibenmotors auf Dauer gegen Schmutz und andere Umwelteinflüsse geschützt. Im Allgemeinen ist zu erwarten, dass die Version des Innerläufers des Scheibenmotors eine noch höhere Laufruhe aufweist, da die beweglichen Massen - d.h. der Rotor - dichter an der Achse liegen und gewichtsmäßig weniger zum Gesamtgewicht des Scheibenmotors beitragen.
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Selbstverständlich lässt sich diese Form des Scheibenmotors auch mit einem zweiten Statorring, der analog zum ersten Statorring 902 an der zweiten Gehäusescheibe 302 befestigt ist und mit einer teilweise doppelten Ausführung des Rotors in Richtung des zweiten Stator Ringes 902 (spiegelbildlich zur in den 9 und 10 dargestellten Version), ausrüsten. Damit würde sich auch das Drehmoment dieses Scheibenmotors gegenüber der Verion mit nur einem Rotorring verdoppeln, ohne dass das Gewicht des Scheibenmotors sich auch verdoppeln müsste. Beispielsweise kann auch hier nur eine Rotorscheibe 118 genutzt werden, deren Magnete sowohl auf der eine Seite des Rotors wie auch auf der anderen Seite des Rotors wirken, da sich die Permanentmagnete 912 durch die Rotorscheibe erstrecken.
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Ergänzend sei noch erwähnt, dass sowohl die Version der Scheibenmotors als Außenläufer wie auch als Innenläufer geeignet ist, bestehende Fahrzeuge, die bereits eine andere Antriebsart verwenden - beispielsweise ein Verbrennungsmotor - mit den vorgestellten Scheibenmotoren zusätzlich auszurüsten. Auf diese Weise lassen sich elegant nachträglich aus Verbrennungsmotorfahrzeugen Hybridfahrzeuge herstellen. Ein entsprechendes Verfahren zur Umrüstung von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor zu einem Hybridfahrzeug würde also beispielsweise folgende Schritte aufweisen: (i) Montage des Scheibenmotors an eine Achse eines Rades des Fahrzeugs - vorteilhafter Weise innerhalb einer Felge eines Rades des Fahrzeuges - (ii) Verbinden des Befestigungselementes 134 mit einem Element am Chassis (oder Achsaufhängung oder Bremssattel) des Fahrzeugs und (iii) Verbinden der elektrischen Anschlüsse 132 mit einer geeigneten Steuerungselektronik. Auf diese Weise lassen sich zwei oder vier Achsen eines Fahrzeuges elegant und mit sehr begrenztem Aufwand zusätzlich mit Elektroantrieben ausrüsten.
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Zusammenfassend kann man sagen, dass ein elektrischer Scheibenmotor vorgestellt wird, bei dem das Innere gegenüber Umwelteinflüssen gekapselt ist und die Elektromagnete eine besondere Form - insbesondere viertelkreisförmig - aufweisen, wodurch eine erhöhtes Drehmoment und ein geringes Leistungsgewicht erreicht werden kann. Damit sind diese Scheibenmotoren für einen Einbau an Rädern oder in Felgen eines Fahrzeugs gut geeignet, ohne hierauf beschränkt zu sein. Dies gilt sowohl für die Version des Außenläufers wie auch die Version des Innenläufers des Scheibenmotors.
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Bezugszeichenliste:
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- 100
- Felgenmotor (einseitig
- 102
- Gehäusescheibe
- 104
- äußere Oberfläche der Gehäusescheibe
- 106
- innere Oberfläche der Gehäusescheibe
- 108
- Statorring, Stator
- 112
- erste Mehrzahl von Elektromagneten
- 114
- innere Oberfläche des Stator Ringes
- 116
- Rotor
- 118
- Rotorscheibe
- 120
- Rotorring
- 122
- Permanentmagnete
- 124
- Permanentmagnete
- 126
- Drehachse
- 128
- Mittellinie der Drehachse
- 130
- Gehäusering
- 132
- elektrische Anschlüsse
- 134
- Befestigungselement
- 200
- Detailansicht
- 202
- Anker oder Kern
- 204
- Wicklung
- 206
- zur Peripherie des Rotorringes weisen der Pol des Elektromagneten
- 208
- zweiter Pol des Elektromagneten
- 210
- Aussparung im Statorring
- 300
- anderer Ansicht des Felgenmotors
- 302
- zweite Gehäusescheibe
- 400
- zweiseitiger Felgenmotor
- 402
- zweiter Statorring
- 404
- Elektromagnete
- 408
- doppelter Rotor
- 410
- erster Teil des Rotors 408
- 412
- zweiter Teil des Rotors 408
- 500
- Seitenansicht des Rotors
- 502
- exemplarische Lage der Permanentmagnete
- 600
- andere perspektivische Darstellung des einseitigen Felgenmotors
- 700
- Seitenansicht des Gehäuses
- 702
- Schnittansicht durch den einseitigen Felgenmotor
- 800
- Seitenansicht des Gehäuses
- 802
- Schnittansicht durch den doppelten Rotor
- 900
- Innenläuferschiebenmotor
- 902
- Innenläuferschiebenmotor mit Rotorgehäusering
- 904
- Pol eines Elektromagneten
- 906
- anderer Pol des Elektromagneten
- 908
- Rotorring des Innenläufers
- 910
- Rotor des Innenläufers
- 912
- Permanentmagnete der Rotorscheibe
- 914
- Permanentmagnet auf dem Rotorring
- 1000
- Scheibenmotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014111234 A1 [0003]
