Einleitung

Hier wird eine elektrische Scheibenläufermaschine beschrieben, die zum Beispiel für einen Einsatz in einem Fahrzeug, als Antrieb in einem Roboterarm oder zur Positionierung z.B. von Maschinenteilen und dergl. mehr geeignet und vorgesehen ist. Dabei kann es sich auch um eine elektrische Maschine handeln, die als Hilfs- oder Nebenaggregat in dem Fahrzeug oder Fluggerät geeignet und vorgesehen ist.

Hintergrund

Elektrische Maschinen werden in einer Vielzahl von Industrie-, Mobilitäts- und Komfort / Sicherheitsanwendungen eingesetzt. Dabei besteht oft die Anforderung nach einer kompakten, leichtgewichtigen Maschine die mit minimaler Verzögerung eine Drehbewegung von wenigen hundert Grad bis zu mehreren (etwa zehn) Vollumdrehungen mit hohem Drehmoment ausführt. Eine weitere Forderung besteht nach guter Eignung zum Betrieb der Maschine mit einem mehrphasigen leistungselektronischen Stellglied (Umrichter oder Wechselrichter). Bisher sind Scheibenläufer, insbesondere Permanentmagnet-Maschinen, meist in Spezialanwendungen wie getriebelosen, langsam laufenden Drehmomentmaschinen anzutreffen. Außerdem werden Scheibenläufermaschinen vor allem eingesetzt, wenn ein kleines Längen-Durchmesser-Verhältnis gefordert ist.

Zugrundeliegendes Problem

Die zu lösende Aufgabe ist eine elektrische Maschine mit kostengünstigem Aufbau, einfacher Herstellung und effizientem, sicherem Betrieb.

Kurzfassung der hier vorgestellten Lösung

Eine elektrische Scheibenläufermaschine ist ausgestattet mit wenigstens einem Läufer und wenigstens einem zumindest teilweise korrespondierenden Ständer, wobei der wenigstens eine Läufer und der wenigstens eine Ständer jeweils eine einander zugewandte Stirnseite haben, wobei der wenigstens eine Läufer eine eisenlose Trägerscheibe aufweist, die Feldspulen oder Permanentmagnete trägt, zwischen der Trägerscheibe jedes Läufers und der

Trägerscheibe jedes Ständers jeweils ein Luftspalt ausgebildet ist, die Feldspulen und/oder die Permanentmagnete derart ausgerichtet und an der Trägerscheibe jedes Läufers bzw. der Trägerscheibe jedes Ständers angeordnet sind, dass die Feldspulen im stromdurchflossenen Zustand und/oder die Permanentmagnete zumindest zeitweilig gleich- oder gegensinnige Magnetfelder hervorrufen, die eine Dreh- oder Längs-Relativbewegung des Läufers zum Ständer bewirken.

Die hier vorgestellte Scheibenläufermaschine ist gegenüber herkömmlichen Scheibeniäufer- maschinen in der Lage, für kurze Zeitintervalle von wenigen Millisekunden (2 - 10 ms, zum Beispiel 5 ms) bis zu wenigen Sekunden (2 - 10 s, zum Beispiel 5 s) mit einer deutlich gesteigerten Kraftdichte zu arbeiten.

Dabei ist die hier vorgestellte Scheibenläufermaschine in der Lage, je kürzer die Betriebszeit, ein umso höheres Drehmoment bereitzustellen. Dies erlaubt die hier vorgestellte Scheibenläufermaschine aufgrund ihrer Bauart, für kurze Zeitintervalle, nahezu beliebig zu überlasten. Gegenüber herkömmlichen Scheibenläufermaschine ist die die hier vorgestellte um wenigstens den Faktor 5 überlastbar. Heutige Scheibenläufermaschinen sind zum Beispiel in der Lage, eine Flächenschubdichte von etwa 10N/cm ² bereitzustellen. Eine hier vorgestellte Scheibenläufermaschine mit vergleichbaren Abmessungen ist in der Lage,

für 5ms eine 70 fache Flächenschubdichte, also 700N/cm ² bereitzustellen, oder

für 50ms eine 20 fache Flächenschubdichte, also 200N/cm ² bereitzustellen, oder

für 500ms eine 7 fache Flächenschubdichte, also 70N/cm ² bereitzustellen, oder

für 5000ms eine 2 fache Flächenschubdichte, also 20N/cm ² bereitzustellen.

Wesentlich ist hierbei, dass praktisch keine magnetische Überlastungsbeschränkung besteht. Lediglich eine thermische Überlastung könnte auftreten, wenn die verwendeten Materialen Wärmekoeffizienten haben, die eine ausreichend schnelle Wärmeabfuhr beeinträchtigen.

Insbesondere bei Anwendungen, in denen die Maschine in der Regel im unteren Belastungs ^¬ bereich betrieben wird, und nur gelegentlich, oder einmal oder wenige Male im oberen Lei ^¬ stungsbereich in Betrieb genommen wird, bietet die hier beschriebene Scheibenläufermaschine Vorteile. So ist zum Beispiel ein Kurzzeitbetrieb mit Anlaufzeiten im Millisekundenbereich bei sehr hoher Beschleunigung und einer sehr hohen Drehmomentdichte aufgrund des geringen benötigten Bauraums möglich. Diese hier beschriebenen Scheibenläufermaschinen sind sehr geräuscharm und funktionssicher, da sie kein Getriebe benötigen. Außerdem er ^¬ lauben sie eine einfache und sensorlose Drehwinkel- oder Wegerfassung in der Maschine; ihre Drehzahl / ihr Weg lässt sich sehr effizient regeln. Da sich zwischen den Spulen / Permanentmagneten vorzugsweise kein Eisen befindet, ist ein maximaler Kupfereinsatz zur Minimierung der ohmschen Verluste möglich; außerdem gibt es keine Platzkonkurrenz zwischen einem Eisenkreis und den Feldspulen. Des Weiteren ist keine Begrenzung der Ströme durch Eisensättigung möglich; es gibt nur die Superposition der magnetischen Felder. Anfallende Verlustleistung kann während der kurzen Betriebsdauer in den Leitern der Feldspulen aufge- nommen und in der anschließenden Ruhephase abgegeben werden; somit ist keine externe Kühlung erforderlich. Ein besonderer Vorteil der hier beschriebenen Scheibenläufermaschinen ist auch die Eignung zum mehrfachen Überlastbetrieb in sehr geringen zeitlichen Abständen.

Ausgestaltungen, Varianten und Eigenschaften

Die hier beschriebenen Scheibenläufermaschinen können entweder als Innen- oder als Außenläufermaschine realisiert sein. Diese Scheibenläufermaschinen können sowohl als elektrischer Motor als auch als elektrischer Generator betrieben werden. Sie kommen insbesondere als Drehmaschine zum Einsatz; aber auch eine Implementierung als Linearmaschine ist möglich. Die Scheibenläufermaschinen der hier beschriebenen Art können entweder fremd- oder selbsterregt ausgestaltet sein. Bei fremderregten Maschinen sind eine oder mehrere Erregerwicklungen für die Erregung vorgesehen. Die Erregerwicklung wird z. B. durch eine gesteuerte Stromquelle mit Energie gespeist. Bei einer selbsterregten Scheibenläufermaschine treten Permanentmagnete an die Stelle der Erregerwicklungen.

Eine fremd- oder selbsterregte Scheibenläufermaschine kann als permanent erregte Maschine ausgestaltet sein. Schleifringe zum Speisung mit elektrischer Leistung und Ankerwicklung (en) können dabei als gedruckte Schaltung auf einer dünnen Kunststoff- oder Keramikscheibe realisiert sein. Der elektrische Strom wird im einfachsten Fall über Kohlebürsten direkt auf die die Schleifringe an der Scheibe zugeführt. Die Scheibe trägt somit die Schleifringe und die Läufer-Wicklung(en) und läuft in einem engen Luftspalt zwischen Ständerspulen oder Permanentmagneten. Zur Sicherstellung der mechanischen Funktion können auch Gleitfolien in den/ die Luftspalt/e zwischen die Scheibe/n und Ständerspulen oder Permanentmagnete/n angeordnet sein.

Eine Scheibenläufermaschine mit Permanentmagneten (Magnetläufer oder - Ständer) ist zwar etwas kostenintensiver wegen der Kosten der Permanentmagnete, hat aber die geringsten (Wärme-)Verluste. Es ist auch möglich, die Scheibenläufermaschine als Asynchronläufer oder Wirbelstromläufer zu realisieren. Diese Variante ist zwar relativ kostengünstig, hat aber relative hohe Verluste und einer gesteigerten Aufwand bei der Steuerelektronik.

Ein nutenloser Ständer kann eine oder mehr Leiterplatten haben, die als Feldspulen- und / oder Elektronikträger für die Wechselrichter dienen, und einen magnetischen Rückschluss. Dieser magnetische Rückschluss kann aus massivem Eisenmaterial, aus Sintermaterial oder geblecht ausgeführt sein; letztere Varianten halten die Ummagnetisierungsverluste klein. Insbesondere bei Ausführungen für niedrige Drehzahlen und kleinen Induktionen kann der Rückschluss aus massiven Eisen gefertigt sein. Ein selbsterregter oder permanenterregter Läufer kann eine weichmagnetische Trägerscheibe, zum Beispiel aus weichmagnetischem Stahl haben, an der beidseitig in axialer orientierte Magnetscheibensegmente z.B. aus Ferrit oder kunststoffgebundenem NdFeB angebracht sind. Alternativ dazu kann der selbsterregte oder permanenterregte Läufer als durchgehende Magnetscheibe realisiert sein, die polweise axial alternierend orientiert magnetisiert ist.

Für größere Leistungsdichten wird die hier vorgestellte Scheibenläufermaschine als Doppelscheibenläufer mit Zwischenständer ausgeführt, der z.B. mit Seltenerden-Magnetsegmenten oder entsprechenden Ständerwicklungen versehen und. So entfallen die bei einer Einschei- benläuferausführung auftretenden axialen Zugkräfte.

Scheibenläufermaschinen der hier vorgestellten Art haben durch ihre eisenfreien Läufer eine hohe Dynamik bei einem geringen Gewicht. Die Läufer sind entweder Anordnungen von (Sel- ten-Erden-)Permamentmagnetelemente oder haben geeignet gestaltete Feldspulen. Das den Scheibenläufermaschinen zugrundeliegende physikalische Prinzip führt zu einem direkt proportionalen Verhältnis zwischen Spannung und Drehzahl sowie Strom und Drehmoment.

Da die Ständer- (und ggf. Läufer-)Spulen eisenfrei sind, entfallen auch etwaige Eisenverluste. Auch die Spuleninduktivität kann nennenswert reduziert sein. Die Läufermasse und da ^¬ mit deren translatorisches und rotatorisches Trägheitsmoment sind ebenfalls reduziert. Die Maschinen haben eine geringe Störabstrahlung, eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), und sie haben keine Reluktanzmomente. Schließlich haben die Scheibenläufermaschinen eine geringe axiale Länge. Im Ständer auftretende Verlustwärme kann ebenfalls relativ einfach nach außen abgeführt werden.

Die Läufer- und/oder Ständer-Wicklungen können als gedruckte, gestanzte oder geätzte Lei ^¬ terbahnen auf/in ein- oder mehrlagigen Leiterplatten realisiert sein. Auch die Einbettung von vorgefertigten Luftspulen aus (Kupfer-, Aluminium- oder dergl.) Draht- oder Blechmaterial in (faserverstärktes) -Kunststoffmaterial (Epoxy, Keramik, PTFE, Polyimid) ist vorgesehen. Die Ständer- und Läuferscheiben mit den Spulen können mittels reibungserhöhenden oder rei- bungsverringernden, isolierenden Beschichtungen versehen sein.

Durch den Aufbau der Ständer-Feldspulen als Multilayerplatinen ist ein hoher Kupferfüllfaktor bei großer mechanischer Festigkeit möglich; Die erforderliche Windungszahl kann durch Implementierung der Feldspulen in mehreren Multilayerlagen realisiert werden. Die Abstände der Leiterbahnen kann auf die doppelte Leiterbahndicke begrenzt sein; dies reduziert den Totraum auf und in den Trägerscheiben. Im Übrigen kann der mehrlagige Spulenaufbau mittels Durchkontaktierungen in Form von vias realisiert sein. Zusätzliche Wärmekapazität in den Trägerscheiben kann durch dünne Alu-, Kupfer- oder Prepreglagen realisiert sein.

Insbesondere bei der Gestaltung der Ständer-Feldspulen als Multilayerplatinen ist es möglich, den bei den Ständerspulen unvermeidlichen Wickelkopf in axialer Richtung der Maschine auszugestalten. Dabei hat in einer Variante die Ständer-Feldspule eine auf einer (oder wenigen, zum Beispiel zwei, drei, vier bis etwa zehn) Lagen strukturierte Feldspule, die sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckt.

Dazu ist wenigstens eine Ständer-Feldspule an wenigstens einer Ständerscheibe vorgesehen, die auf einer oder wenigen Lagen strukturiert, sich entlang des Umfangs des Ständers mäan- derförmig erstreckt und im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckende Abschnitte der Feldspule sowie sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Ständers orientierte Wickelköpfe der Feldspule aufweist. Jeder der Wickelköpfe hat eine radiale Erstreckung, die nur einem Bruchteil einer Querabmessung des radial verlaufenden Abschnitts der Feldspule entspricht. Unter Querabmessung der Wickelköpfe ist hier die Abmessung des Wickelkopfes in radialer Richtung verstanden, während unter Querabmessung des radial verlaufenden Abschnitts der Feldspule dessen Abmessung in tangentialer oder in Umfangsrichtung verstanden ist.

In radialer Richtung innen und/oder außen baut die Multilayerplatine zu einer oder beiden axialen Seiten der sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden Abschnitte der Feldspule die Platine um mehrere Lagen dicker als der Bereich der Platine, der die radialen Abschnitte der Feldspule trägt. Der dicker bauende Bereich der Platine weist zumindest einen Teil der Wickelköpfe der Feldspule auf. Dazu umfasst dieser in axialer Richtung vorstehende, vorzugsweise etwa ringförmige Multilayer-Bereich sich abschnittsweise in Umfangsrichtung erstreckende Leiterbahnen. Diese Leiterbahn-Abschnitte sind mit den sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitten der Feldspule jeweils mittels einer oder mehreren Durchkontaktierungen elektrisch verbunden.

Wenn zum Beispiel der radial verlaufende Abschnitt der Feldspule auf zwei Lagen der Multilayerplatine verteilt ist (oberhalb und unterhalb einer Epoxydharzschicht) und die Querabmessung der Wickelköpfe in radialer Richtung ein Viertel der Querabmessung des radial verlaufenden Abschnitts der Feldspule in tangentialer oder in Umfangsrichtung beträgt, hat der dicker bauende Bereich der Platine drei zusätzliche Lagen auf jeder Seite der Platine.

Dies erlaubt eine bessere Ausnutzung des auf einen größeren Teil der Gesamtfläche des Ständers erstreckten, magnetisch wirksamen, radial orientierten Abschnitts der Feldspule. Dies gilt insbesondere für den radial außen liegenden Bereich, da die Spulenfläche mit dem Quadrat des Radius zunimmt. In radialer Richtung innen und/oder außen baut die Multilayerplatlne zu einer (oder beiden) Seiten des Bereichs der Multilayerplatine mit der Feldspule um mehrere (zwei bis etwa zwanzig) Lagen dicker. Diese in axialer Richtung vorstehenden Multi- layer(-ringe) enthalten in Umfangsrichtung sich erstreckende Leiterbahnen. Sie sind mit den sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitten der Feldspule jeweils mittels einem oder mehreren Durchkontaktierungen elektrisch verbunden und bilden jeweils einen Wickelkopf. Diese Maßnahme hält die ohmschen - und damit auch thermischen - Verluste in der Ständerspule minimal und gleicht die verringerte radiale Erstreckung der Wickelköpfe aus.

Damit bildet jede Lage des Ständers einen einseitigen oder zweiseitigen, an seiner Deckfläche und/oder seiner Bodenfläche offenen kreiszylindrischen Ring. Dieser Ring ist in radialer Richtung durch die Multilayerplatine(n) mit dem radialen Abschnitt der Ständer-Feldspulen in axialer Richtung mittig unterteilt. Somit ist auch stirnseitig / bodenseitig offener Raum für Permanentmagnete der Läufer geboten, welche jeweils in die offenen kreiszylindrischen Ringe eintauchen können.

Die Permanentmagnete der Läufer können als Ringsegmente gestaltet sein, die in Umfangsrichtung facettiert sind. D.h. sie sind in einer Einfassung gehalten, die benachbarte Ringsegmente zueinander starr orientiert und beabstandet.

Diese Ausgestaltung verlängert die axiale Erstreckung der Maschine kaum. Im Übrigen lässt sich durch diese Maßnahme die Polteilung größer dimensionieren, so dass die Effektivität der Permanentmagnete gegenüber einer kleinen Polteilung gesteigert ist.

Der Aufbau der Maschine ist sehr einfach und kostengünstig zu realisieren, da auf die Lamel- lierung der Rückschlüsse verzichtet werden kann, keine Nuten vorhanden sind und die Materialien effizient genutzt werden.

Mit der hier vorgestellten Scheibenläufermaschine kann auf mechanische Kraftübertragungskomponenten wie Getriebe oder Gesperre verzichtet werden. Damit ist die elektrische Maschine einfach in die angetriebene Ausrüstung integrierbar. Die Trägerscheibe jedes Läufers und/oder die Trägerscheibe jedes Ständers können als einlagige oder als mehrlagige Platine ausgebildet sein. Die Feldspulen können in die Trägerscheibe jedes Läufers oder jedes Ständers eingebettete oder zumindest teilweise frei liegende, einphasige oder mehrphasig ausgestaltete, Leicht- oder Buntmetall (insbesondere Aluminium, Kupfer, oder dergl.) enthaltende Leiterbahnzüge, ggf. mit Durchkontaktierungen aufweisen. Bei Varianten der Scheibenläufermaschine mit Permanentmagneten können in die Trägerscheibe jedes Läufers oder jedes Ständers eingebettete oder zum Luftspalt hin zumindest teilweise frei liegende Permanentmagnete vorgesehen sind, die in axialer Richtung etwa 0.5 bis 3-mal, vorzugsweise ein- bis zweimal so hoch wie die Abmessung des Ständers in axialer Richtung sein können. Die Permanentmagnete sind hierbei vorzugsweise als Selten-Erde-Magnete mit einer hohen Remanenzinduktion und/oder mit einer hohen

Koerzitivfeldstärke ausgestaltet.

Die Trägerscheibe jedes Läufers kann drehfest und in axialer Richtung beweglich auf einer Maschinenwelle aufgenommen sein. Die Trägerscheibe/n des Läufers und die Trägerscheibe/n des Ständers können in axialer Richtung beweglich zueinander angeordnet sein.

Zwischen oder in den Feldspulen befindlicher Raum des Läufers und/oder des Ständers kann bei einer Variante der Scheibenläufermaschine eisenlos ausgestaltet sein.

Der Ständer kann drei- oder höherphasig ausgestaltete Ständerspulen aufweisen, die mit entsprechenden Läufern zu mehreren gekoppelten einphasigen Maschinen konfiguriert sein können. Alternativ oder zusätzlich kann jeder Läufer der Scheibenläufermaschine als vorzugsweise einphasiger Wirbelstromläufer oder als Magnetläufer ausgestaltet sein.

Bei einer Variante können an beiden Stirnseiten der Maschine eisenhaltige Abdeckungen vorgesehen sein, die zur Aufnahme hoher magnetischer Axialkräfte ausgestaltet sein können. Diese Axialkräfte können aus zum Beispiel 5 - 20 bar magnetischem Axialdruck im Betrieb resultieren. Dazu können die eisenhaltigen Abdeckungen zum Beispiel durch Verstärkungsrippen ausreichend verwindungs- und biegesteif gestaltet sein. Alternativ oder zusätzlich kann jede oder nur eine der eisenhaltigen Abdeckungen zur Magnetfluss-Rückführung ausgestaltet sind. Diese Maßnahmen führen zur Reduzierung der ohmschen Verluste, solange noch keine magnetischen Sättigungseffekte auftreten.

In einer anderen Variante kann die Scheibenläufermaschine aus einer geraden Zahl symmetrischer Maschinen gebildet ist, die axial hintereinander angeordnet sind. Hierbei kann die Magnetfluss-Rückführung und / oder die Strom-Rückführung einer geradzahligen Maschine im Ständer einer ungeradzahligen Maschine erfolgen. Mit anderen Worten wird bei einer Anordnung aus zwei oder mehr Maschinen der Strom der zweiten Maschine im Ständer der ersten Maschine zurückgeführt. Das reduziert den Bauraumverlust der Wickelköpfe deutlich

In einer weiteren Variante kann der Läufer in einer ersten Bewegungs- oder Dreh-Richtung durch eine Federanordnung vorgespannt sein. Dies erlaubt insbesondere bei Ausführungen, deren Drehwinkel begrenzt ist, eine effiziente Betriebsweise, da die Betriebs-Ansteuerung der Maschine nur in eine Richtung erfolgen muss. In die entgegengesetzte Richtung stellt die Federanordnung die Maschine zurück oder unterstützt die Maschine.

In einer besonderen Ausgestaltung kann die Federanordnung auch als Feldspulen-Stromzuführung des Läufers ausgestaltet ist. Dazu ist die Federanordnung einerseits mit einer elektrischen Leistungsversorgung gekoppelt und andererseits mit der/den Feldspule/n des Läufers schleifend oder festverbunden. Dies ist eine besonders effiziente, betriebssichere und kostengünstige Variante. Dabei kann die Federanordnung parallel zueinander geschaltete, nebeneinander oder mehrlagige, gegeneinander isolierte Spiralfedern haben, die insbesondere aus Federstahl oder Federbronze geformt sind. Diese Spiral-Federanordnung kann dabei um die Maschinenwelle geschlungen sein.

Die Trägerscheiben der Läufer und/oder der Ständer können mit einer reibungserhöhenden oder reibungsverringernden Beschichtung versehen sein. Auf die Trägerscheiben der Läufer und der Ständer kann auch bei solchen Varianten eine Einrichtung zur Ausübung von Zug ^¬ oder Schubkraft wirken. Diese Einrichtung kann insbesondere eine oder mehrere Zug- oder Schubfedern umfassen. Dies erlaubt die Realisierung sehr effizienter, getriebeloser selbsthemmender oder freilaufender Maschinen. Weiterhin können im Betrieb der Scheibenläufer- maschine elektrische Ströme durch die Ständerspulen mit vorbestimmter Phasenlage gegenüber der Position der Spulen oder Permanentmagnete der Läufer eine anziehende oder abstoßende Kraft zwischen Läufer- und Ständerscheiben bewirken. Hierdurch lasst sich sowohl eine Reibungsbremswirkung oder eine Arretierfunktion realisieren, als auch eine berührungsfreie Rotation der Läufer- gegenüber dem Ständerscheiben unterstützt wird.

Ein Beispiel für den Einsatz der hier vorgestellten Scheibenläufermaschine ist ein voll elektronisch gesteuerten Gurtretraktor zum Einsatz in einem Fahrzeuginsassen-Rückhaltesystem, sowohl für Front- und Fond- Passagiere. Herkömmliche Gurtstraffer sind nach ihrer Art der örtlichen Unterbringung in Schlossstraffer und Aufrollstraffer unterteilt. Der Schlossstraffer strafft das Gurtband an Schulter- und Beckengurt gleichzeitig. Beim Aufrollstraffer wird zunächst das Schultergurtband und danach zeitlich verzögert der Beckengurt verkürzt. Ein Auf- roilstraffer benötigt für das Straffen der gleichen Länge an Gurtlose mehr Zeit als ein

Schlossstraffer.

Die zum Aufrollen / Straffen des Gurts erforderliche Energie wird konventionell entweder mechanisch oder pyrotechnisch bereitgestellt. Ziel ist dabei, in kurzer Zeit (5 bis 30 ms) nach dem Fahrzeugaufprall den Sicherheitsgurt zu straffen, um den Insassen in die gewünschte aufrechte Position zu bringen. Pyrotechnische Gurtstraffer enthalten eine Treibladung, deren Festtreibstoff etwa 1 bis 2 Gramm Nitrocellulose enthält. Die pyrotechnische Energiespeiche- rung wird bei Schlossstraffern und bei Auf rol Istraffern verwendet. Im Auslösefall wird die Treibladung im Gasgenerator gezündet. Die dabei freiwerdende Gasladung wirkt auf einen im Zylinder befindlichen Kolben, der über ein Drahtseil mit dem Gurtschloss beim Schlossstraffer bzw. der Gurtwickelspule des Gurtautomaten beim Aufrollstraffer verbunden ist und somit das Gurtband strafft. Pyrotechnische Gurtstraffer sind gefährlicher und haben eine höhere Störanfälligkeit. Außerdem können sie den Gurt im Bedarfsfall nicht nachstraffen.

Ein Vorteil eines intelligenten Gurtsystems mit einer hier vorgestellten

Scheibenläufermaschine ist das Fehlen solcher pyrotechnischen Einrichtungen. Des Weiteren bietet eine solche Scheibenläufermaschine eine Vielzahl von Vorteilen in einem solchen gesteuerten Gurtsystem. Der gesteuerte Gurtretraktor hat keine Kupplung zwischen der Scheibenläufermaschine und der Gurtwickelwelle. Vielmehr erlaubt die

Scheibenläufermaschine im Normalbetrieb einen Freilauf gegen eine im Gurtretraktor befindliche Gurtwickelfederanordnung, wobei sich der Läufer der Scheibenläufermaschine frei durchdreht.

Der Gurtretraktor besteht aus den vom Gesetzgeber geforderten Komponenten: Fahrzeugsensor, Gurtbandsensor, das Gurtband aufnehmende Wickelwelle, auf einen Basiskraftbegrenzer wirkende Wellenverriegelung. Im stromlosen Zustand der Scheibenläufermaschine wickelt die Gurtwickelfederanordnung das Gurtband die Wickelwelle auf.

Im gesteuerten Gurtretraktor wird die vorliegende Scheibenläufermaschine bei Gurtauf- und -abwickelvorgängen elektronisch im Direktbetrieb angesteuert. So ist das vom angegurteten Insassen wahrgenommene Spannverhalten des Gurts durch direkte Einflussnahme auf das Drehmoment und die Drehgeschwindigkeit der Wickelwelle zu realisieren. Dieser Direktbetrieb gliedert sich in drei Bereiche: (i) einen normalen Benutzerbetrieb, (ii) einen Unfallvorstufenbetrieb (Umfeldsensoren des Kraffahrzeugs erkennen eine kritische Verkehrssituation) und (iii) einen Unfallbetrieb (Ein Unfallgeschehen tritt in diversen Varianten ein (Frontalaufprall, Seitenaufprall, Fahrzeugüberschlag und Kombinationen davon)). Die Ansteuerung der Wickelwelle ist sehr einfach durch den Verlauf des Stroms und der Spannung für die Scheibenläufermaschine zu implementieren, welche der hier vorgestellten Scheibenläufermaschine eingespeist werden.

Für kurzzeitige Höchstleistungen der Scheibenläufermaschine in einem Crashfall können Energiespeicher vorgehalten werden, die entweder im Batteriemanagement bei Hochvolt- Fahrzeugbatterien enthalten sind oder in der Ansteuerungselektronik der Scheibenläufermaschine integrierte Ultracaps sind. Bei reinen Elektrofahrzeugen oder bei

Hybridantriebsfahrzeugen können zusätzliche Energiespeicher entfallen.

Weitere Anwendungen der Scheibenläufermaschine sind Stellantriebe mit den genannten Eigenschaften der Scheibenläufermaschine, wie Verstelleigenschaften in Fahrzeugen im Crashfall.

Als Bewegungsprofile können dem Fahrer / Insassen aber auch noch andere Informationen bereitgestellt werden. Um einen Fehler anzuzeigen, kann die Steuerung des Gurtsystems z.B. mit entsprechendem Ruckeln der Wickelwelle bei jedem Angurtvorgang die Notwendigkeit einer Werkstattfahrt signalisieren. Sollte der Gurtautomat einen Unfall durchlaufen haben, bei dem die Kraftbegrenzung aktiv war, so lässt sich dieser Gurtautomat nicht mehr in einen Normalmodus zurücksetzen und zeigt dem Fahrer an, dass er ausgewechselt werden muss, auch wenn eine sichere Werkstattfahrt noch möglich wäre.

Weitere Merkmale, Eigenschaften, Vorteile und mögliche Abwandlungen dieser elektrischen Maschine werden anhand der nachstehenden Beschreibung verdeutlicht, in der auf die bei ^¬ gefügten Zeichnungen Bezug genommen ist.

Die hier beschriebenen Varianten der Scheibenläufermaschine sowie deren Funktions- und Betriebsaspekte dienen lediglich dem besseren Verständnis ihrer Struktur, Funktionsweise und Eigenschaften; sie schränken die Offenbarung nicht etwa auf die Ausführungsbeispiele ein. Die Fig. sind teilweise schematisch, wobei wesentliche Eigenschaften und Effekte zum Teil deutlich vergrößert dargestellt sind, um die Funktionen, Wirkprinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmale zu verdeutlichen. Dabei kann jede Funktionsweise, jedes Prinzip, jede technische Ausgestaltung und jedes Merkmal, welches/welche in den Fig. oder im Text offenbart ist/sind, mit allen Ansprüchen, jedem Merkmal im Text und in den anderen Fig., anderen Funktionsweisen, Prinzipien, technischen Ausgestaltungen und Merkmalen, die in dieser Offenbarung enthalten sind oder sich daraus ergeben, frei und beliebig kombiniert wer- den, so dass alle denkbaren Kombinationen den beschriebenen Vorrichtungen zuzuordnen sind. Dabei sind auch Kombinationen zwischen allen einzelnen Ausführungen im Text, das heißt in jedem Abschnitt der Beschreibung, in den Ansprüchen und auch Kombinationen zwischen verschiedenen Varianten im Text, in den Ansprüchen und in den Fig. umfasst und können zu Gegenstad weiterer Ansprüche gemacht werden. Auch die Ansprüche limitieren nicht die Offenbarung und damit die Kombinationsmöglichkeiten aller aufgezeigten Merkmale untereinander. Alle offenbarten Merkmale sind explizit auch einzeln und in Kombination mit allen anderen Merkmalen hier offenbart.

Der hier beschriebene Scheibenmotor für Kurzzeitbelastungen hat ein sehr geringes

Leistungsgewicht und eine minimale Läuferträgheit. Der einfach strukturierte Aufbau erfordert sehr wenige Komponenten und ist sehr einfach skalierbar. Außerdem ist er sehr einfach in Serienfertigung zu realisieren.

In einer Variante sind mehrere Statoren in axialer Richtung gestapelt, wobei auch mehrere Stapel phasengleich bestromt werden können. Diese Variante hat in axialer Richtung den magnetischen Flussweg geringster Länge und maximaler magnetischer Erregung.

Mit der hier vorgestellten Maschine ist ein direktantreibender getriebeloser Scheiben-Kurzzeitmotor realisierbar, der für Anwendungen bestimmt ist, die kurzzeitig, extrem schnell bereitgestellte, sehr hohe Momente benötigen. So ist es mit der hier vorgestellten Maschine möglich, nicht zuletzt wegen der geringen Läufermassen, hohe Winkelbeschleunigungen von bis 300/min/ms bereitzustellen.

Soi ist der direktantreibende getriebelose Scheiben-Kurzzeitmotor dazu geeignet und bestimmt, zum Beispiel Sicherheitsfunktionen für extrem schnelle Bewegungen zu realisieren. So kann dieser Motor als mechanischer Ersatz für Treibiadungsaktuatoren dienen. Ebenso ist der Motor bei Prozesssteuerungen und -regelungen, Sicherheitseinrichtungen, und Ventile geeignet. So ist dieser Motor im Automotive-Bereich als Sitzverstellung, als Sicherheitsschließantrieb für KFZ-Schiebedächer oder als mechanischer Aktuator für weitere Funktionen mit hoher Dynamik und hoher Drehmomentanforderung im msec-Bereich einsetzbar.

Kurzbeschreibunq der Figuren

Fig. 1 zeigt eine als Scheibenläufermaschine gestaltete elektrische Maschine in einer schematischen teilweise geschnittenen Seitenansicht. Fig. 2 zeigt einen Läufer der Scheibenläufermaschine aus Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht.

Fig. 3 zeigt einen Ständer der Scheibenläufermaschine aus Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht.

Fig. 4 zeigt eine teilweise Detailansicht einer Feldspule des Läufers zwischen zwei Ständer Feldspulen.

Fig. 5 zeigt eine teilweise Draufsicht einer Feldspule des Ständers zwischen zwei Läufer- Permanentmagneten.

Fig. 5a zeigt eine teilweise Schnittansicht der Feldspule des Ständers zwischen zwei Läufer- Permanentmagneten.

Detailbeschreibung mehrerer Varianten

In den Fig. ist eine elektrische Maschine in Gestalt einer Scheibenläufermaschine 10 gezeigt. Diese Scheibenläufermaschine 10 hat einen Läufer 14 und einem zumindest teilweise korres ^¬ pondierenden Ständer 16. Der Läufer 14 und der Ständer haben 16 im vorliegenden Beispiel fünf bzw. sechs jeweils eisenlose Trägerscheiben 14\ 16\ Diese Trägerscheiben 14 ^λ , 16' tragen in dieser gezeigten Variante jeweils Feldspulen 20. In anderen, hier nicht im Detail dargestellten Varianten können an die Stelle der Feldspulen 20 des Läufers oder des Ständers auch Permanentmagnete <- treten.

Der Läufer 14 und der Ständer 16, genauer gesagt deren jeweilige Trägerscheiben 14\ 16 ^λ haben jeweils eine einander zugewandte Stirnseite 14a, 14b; 16a, 16b. Dabei ist zwischen der Läufer-Trägerscheibe 14 ^λ und einer benachbarten Ständer-Trägerscheibe W jeweils ein Luftspalt 18 ausgebildet.

Die Feldspulen 20 oder die Permanentmagnete 22 sind derart ausgerichtet und an der Trägerscheibe 14 jedes Läufers 14 bzw. der Trägerscheibe 16" jedes Ständers 16 angeordnet sind, dass die Feldspulen 20 im stromdurchflossenen Zustand und/oder die Permanentmagnete 22 zumindest zeitweilig gleich- oder gegensinnige Magnetfelder hervorrufen, die eine Dreh- oder Längs-Relativbewegung des Läufers 14 zum Ständer 16 bewirken.

Die Scheibenläufermaschine 10 hat an beiden Stirnseiten der Maschine eisenhaltige Abdeckungen 22, die zur Aufnahme magnetischer Axialkräfte ausgestaltet sind. In den Ab- deckungen 22 sind Lager 22a zur Aufnahme einer Maschinenwelle 26 vorgesehen. Außerdem sind die eisenhaltige Abdeckungen 22 als Magnetfluss-Rückführung ausgestaltet.

Die Trägerscheibe 14' jedes Läufers 14 und die Trägerscheibe 16' jedes Ständers 16 sind in der veranschaulichten Variante als mehrlagige Platinen aus glasfaserverstärktem Epoxid ausgebildet. Die Feldspulen 20 sind hier in die Trägerscheibe 14' jedes Läufers 14 oder jedes Ständers 16 eingebettete mehrphasig ausgestaltete, Kupfer enthaltende Leiterbahnzüge mit Durchkontaktierungen 20a. Zwischen oder in den Feldspulen 20 befindlicher Raum des Läufers 14 und/oder des Ständers 16 ist eisenlos. Die in Fig. 3 gestrichelt gezeigten Abschnitte der Feldspulen 20 sind in die Unterseite der Trägerscheibe 16' jedes Ständers 16 eingebettet, die durchgehend veranschaulichten Abschnitte der Feldspulen 20 sind in die Oberseite der Trägerscheibe 16' jedes Ständers 16 eingebettet. In Fig. 3 sind die einzelnen Phasen der Feldspulen 20 des Ständers 16 mit unterschiedlichem Radius veranschaulicht. Dies dient lediglich der besseren Anschaulichkeit; in der Realität haben sie alle den gleichen Radius. Details der Feldspulen 20 des Ständers 16 und des Läufers sind in Fig. 4 veranschaulicht. Hier sind die Trägerscheiben 14', 16' des Ständers 16 und des Läufers 14 der besseren Übersichtlichkeit weggelassen. Damit ist die Durchkontaktierung der Ständer-Feldspulen gut erkennbar. So fluchten die mehreren Phasen der Ständer-Feldspulen, von denen in Fig. 4 nur jeweils eine ober halb und unterhalb der der Läufer-Feldspulen gezeigt ist, räumlich dicht gepackt mit den dazwischen liegenden der Läufer-Feldspulen.

Die Maschinenwelle 26 hat einen gezahnten Abschnitt, auf dem die Trägerscheiben 14' jedes Läufers 14 drehfest und in axialer Richtung beweglich aufgenommen sind. Die Ständer-Trägerscheiben 16' sind auf vier Zapfen 22b an einer der Abdeckungen 22 drehfest und ebenfalls längsverschieblich aufgenommen. Damit sind die Läufer-Trägerscheiben 14' des Läufers 14 die Ständer-Trägerscheiben 16' in axialer Richtung entlang der Maschinenwelle 26 beweglich zueinander angeordnet.

Der Ständer 16 hat in einer hier veranschaulichten Variante dreiphasig ausgestaltete Ständerspulen 20, die mit entsprechenden Läufern 14 zu mehreren gekoppelten einphasigen Maschinen konfiguriert sind.

Der Läufer 14 ist in einer ersten Bewegungs- oder Dreh-Richtung durch eine Federanordnung 24 in Form einer Spiralblattfeder vorgespannt, die um die Maschinenwelle 26 geschlungen ist. In dieser Variante ist die Federanordnung 24 auch als Feldspulen-Stromzuführung des Läufers 14 ausgestaltet. Dazu hat hier die Federanordnung 24 parallel zueinander geschaltete, nebeneinander angeordnete gegeneinander elektrisch isolierte Spiralfederab- schnitte 24a, 24b aus Federbronze. Die einzelnen Spiralfederabschnitte 24a, 24b der Federanordnung 24 sind einerseits mit einer elektrischen Leistungsversorgung 30 elektrisch gekoppelt und andererseits mit der/den Feldspule/n 20 des Läufers 14 über entsprechende Kontaktleitungen 24c elektrisch verbunden. In ähnlicher Weise sind - wenn auch in Fig. 1 nicht im Einzelnen veranschaulicht - auch die Feldspulen 20 der Ständer 16 mit der elektrischen Leistungsversorgung 30 elektrisch verbunden.

Die Läufer- und die Ständer-Trägerscheiben 14\ 16' sind mit einer nicht weiter veranschaulichten reibungserhöhenden Beschichtung versehen. Alternativ oder zusätzlich ist außen an einer (oder beiden) Abdeckungen 22 eine Schubfeder 22c angeordnet, welche die Läuferund Ständer-Trägerscheiben 14', 16' - im stromlosen Zustand der Scheibenläufermaschine - zusammendrängt. Damit sind die Scheibenläufermaschine und ihre Maschinenwelle 20 gegen Verdrehen gesperrt, ohne dass es eines Gesperres bedarf. Durch geeignete Phasenlage der Ständerströme gegenüber der Läuferposition bei der Bestromung der Ständerwicklungen kann eine abstoßende Kraft zwischen Läufer- und Ständerscheiben hervorgerufen werden, welche die Federbelastung und damit die Bremswirkung aufhebt.

Die Elektrische Scheibenläufermaschine 10 hat in einer in den Fig. 5, 5a gezeigten weiteren Variante einen Aufbau, bei dem die Ständer-Feldspulen 20 der Ständer-Trägerscheiben wie nachstehend beschrieben gestaltet sind. Die Ständer-Feldspulen 20 sind in einer

Multilayerplatine auf einer oder wenigen Lagen strukturiert. Sie erstrecken sich entlang des Umfangs der Ständerscheiben mäanderförmig. Dabei hat jede Ständer-Feldspule 20 sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckende Abschnitte 20r sowie sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung des Ständers orientierte Wickelköpfe 20w. Jeder der Wickelköpfe 20w hat eine radiale Erstreckung EW, die nur einem Bruchteil einer (mittleren) Querabmessung des radial verlaufenden Abschnitts ES der Ständer-Feldspule 20 entspricht. Im gezeigten Beispiel beträgt dieses Verhältnis EW/ES etwa 1/3. In radialer Richtung innen und außen, also im Bereich der Wickelköpfe 20w baut die Multilayerplatine zu beiden axialen Seiten (in Fig. 5a oben und unten) der sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckenden Abschnitte 20r der Feldspule 20 um mehrere Lagen dicker als der Bereich der Platine, der die radialen Abschnitte der Feldspule 20 trägt. Die innen und außen liegenden, dicker bauenden Bereiche der Platine umfassen die Wickelköpfe 20w der Feldspule 20. Dazu bilden diese Bereiche des in axialer Richtung vorstehenden ringförmigen Multilayers sich abschnittsweise in Umfangsrichtung erstreckende Leiterbahnen 201. Diese sich in Umfangsrichtung erstreckenden Leiterbahnen 201 sind mit den sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitten der Feldspule 20r jeweils mittels einer oder mehreren Durchkontaktierungen 20a elektrisch verbunden. Aus dem Verhältnis EW/ES von 1/3 ergibt sich, dass jeweils an der Oberseite und an der Unterseite zwei zusätzliche sich in Umfangsrichtung erstreckende Leiterbahnen 201 vorgesehen sind, so dass insgesamt der Leiterbahnquerschnitt im Bereich des Wickelkopfes 20w in etwa dem Leiterbahnquerschnitt im Bereich des sich in radialer Richtung

erstreckenden Abschnitts 20r der Feldspule 20 entspricht.

So bildet bei der Scheibenläufermaschine eine Lage des Ständers einen in dieser gezeigten Variante zweiseitigen, an seiner Deckfläche und seiner Bodenfläche offenen

kreiszylindrischen Ring. Dieser Ring ist durch die Multilayerplatine(n) mit dem radialen Abschnitt 20r der Ständer-Feldspulen20 in axialer Richtung unterteilt. Dadurch ist ein stirnseitig und bodenseitig offener Raum Ru, Ro für die Permanentmagnete <- der Scheiben des Läufers 14' gebildet, welche jeweils in die offenen kreiszylindrischen Ringe eintauchen (siehe Fig. 5a).

Die Permanentmagnete des Läufers sind als Ringsegmente gestaltet, die in Umfangsrichtung facettiert sind, so dass die benachbarte Ringsegmente zueinander starr orientiert und beabstandet sind.

Anstelle der in den Fig. 5, 5a gezeigten Variante mit dem Multilayer, der innen und außen axial höher / dicker baut, können auch in Umfangsrichtung orientierte metallische

Leiterstücken vorgesehen sein, welche zu einer oder beiden axialen Seiten sich im

Wesentlichen in radialer Richtung erstreckende Abschnitte der Feldspule verbindet. So baut die Platine mit den in Umfangsrichtung orientierten Leiterstücken ebenfalls dicker als der Bereich der Platine, der die radialen Abschnitte der Feldspule trägt. Dabei bilden die mit in Umfangsrichtung orientierten metallischen Leiterstücke zumindest einen Teil der Wickelköpfe der Feldspule, indem diese Leiterstücke in axialer Richtung vorstehen und mit den sich in radialer Richtung erstreckenden Abschnitten der Feldspule jeweils elektrisch verbunden sind.

Mit einer elektrischen Scheibenläufermaschine dieser Art ist ein elektronisch gesteuerter, treibladungsloser Gurtautomat eines Fahrzeuginsassenrückhaltesystems zu realisieren. Dabei ist die Scheibenläufermaschine 10 direkt und getriebelos mit einer Gurtwickelwelle in Form einer verlängerten Maschinenwelle 20 gekoppelt. Der elektrischen Leistungsversorgung 30 ist dabei eine elektronische Steuerung 30 zugeordnet. In dieser elektronischen Steuerung 30 sind in Abhängigkeit von unterschiedlichen Bewegungsprofilen jeweilige Gurtbandpositionen, Gurtbandauf- und/oder abrollgeschwindigkeiten und Gurtbandauf- und/oder abrolldrehmo- mente abgespeichert sind. Basierend auf unterschiedlichen Bewegungsprofilen und in Abhängigkeit von entsprechenden Sensorsignalen (Sitzbelastungssensor, Pre-crash-Sensor, Fahrzeugaufprallsensor, etc.) ist die elektrische Scheibenläufermaschine anzusteuern.