Beschreibung

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Elektromotor, insbesondere für einen Unterwasserantrieb. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Unterwasserantrieb mit einem entsprechenden Elektromotor. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Unterwasserantrieb mit hohem Wirkungsgrad und kompakter Bauform sowie einen druckneutralen, zweisträngigen, permanenterregten, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit Strangstromregelung und Trapezstroman- steuerung.

Unterwasserantriebe werden häufig als Gondelantriebe ausgeführt. Die Gondel besteht typischerweise aus einem Gehäuse mit einem umschlossenen Elektromotor und einem mit dem Elektromotor in Verbindung stehenden Propeller. Die Verbindung erfolgt über eine Welle.

Derartige Gondelantriebe werden sowohl für Oberflächenschiffe, wie z. B. Kreuzfahrtschiffe benutzt, kommen aber auch bei vielen Unterwasserfahrzeugen, insbesondere autonomen Unterwasserfahrzeugen zum Einsatz. Der Grund ist der einfache Aufbau und die gute Ma növrierfähigkeit, wenn man davon ausgeht, dass durch Drehung der Gondel auch gleichzeitig das Wasserfahrzeug gelenkt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht in der guten Skalierbarkeit der Leistung, da an einem Fahrzeug typischerweise mehr als eine Gondel angebracht werden kann, was beispielsweise bei einem Direktantrieb nur schwer möglich wäre.

Insbesondere im Tiefseeeinsatz stellt es eine technische Herausforderung dar, das Innere gegenüber dem Äußeren zu dichten. Hintergrund hierzu ist, dass im Tiefseeeinsatz eine hohe Druckdifferenz vorherrscht und somit alle Dichtungen, wie z. B. die Wellendichtung, mit dieser Druckdifferenz umgehen müssen. Diese Druckdifferenz liegt allerdings nicht konstant an, da das Fahrzeug in mehreren Höhen betrieben werden muss, zumindest für den Bergevorgang. Deshalb haben sich im Stand der Technik flüssigkeitsgefüllte Elektromaschinen durchgesetzt. Diese flüssigkeitsgefüllten Motoren ermöglichen kompressible Medien, wie z. B. Luft, aus dem Gehäuseinneren zu halten; über ein oder jnehrere Druckausgleichsmembranen kann dann der Innendruck dem Außendruck angeglichen werden. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in der DE 19623553 A1 beschrieben.

Weitere Ansätze finden sich in der lEEE-Veröffentlichung mit dem Titel„A small-scale ac- tuator with passive-compliance for a fine-manipulation deep-sea manipulator“ oder in der Veröffentlichung im Scientific World Journal mit dem Titel„Estimation of the iron loss in deep-sea permanent mag net motors considering seawater compressive stress“. Darüber hinaus sei auch noch auf die DE 102009032364 B4 verwiesen, die zahlreiche Komponenten offenbart, die druckneutral ausgeführt sind.

Alle Stand-der-Technik-Unterwassermotoren, die druckneutral ausgeführt sind, sind in Bezug auf ihre Effizienz nicht optimal oder weisen häufig einen großen Bauraumbedarf auf.

Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept für einen Unterwasserantrieb zu schaffen, der einen verbesserten Kompromiss aus Effizienz, Bauraum und Druckstabilität bietet.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst,

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Elektromotor mit einem Scheibenläufer sowie einem ersten und einem zweiten Ständer. Der Scheibenläufer weist eine Mehrzahl an entlang eines konzentrischen Kreises um eine Rotationsachse des Scheibenläufers angeordneten Magneten auf. Beispielsweise können es sechs x K Magnete sein (wobei K eine ganzzahlige Motorkonstante ist, K = 1 , 2, 3, ... ), die also im 60-Grad-Winkel entlang eines Kreises um die Rotationsachse angeordnet sind. Konzentrisch deshalb, weil der Scheibenläufer einen eigenen Durchmesser hat und diese Außendurchmesser konzentrisch gegenüber dem Kreis sind, auf welchem die Magneten angeordnet werden. Die zwei Ständer weisen z.B. jeweils mindestens 4 bzw. 4*K Spulen auf (Motorkonstant K siehe oben). Hier können z.B. die erste und dritte Spule (all ungeraden Spulen) und die zweite und vierte Spule (alle geraden Spulen) mit wechselnder Bestromungsrichtung zu einem Strang verbunden sein. Hierbei ist der erste Ständer auf einer entlang der Rotationsachse liegenden ersten Seite mit einem Spalt zwischen ihm und dem Scheibenläufer angeordnet, während der zweite Ständer auf einer zweiten entlang der Rotationsachse liegenden Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, wiederum mit einem Spalt zwischen Ständer und Scheibenläufer angeordnet ist. Durch die Definition 4*K Spulen und 6*K Magnete wird das Verhältnis von Spulen zu Magnete z.B. mit 4 zu 6 oder einem Vielfachen davon festgelegt.

Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch einen Scheibenläufer, der also eine limitierte Dicke hat mit beidseitig angeordneten Ständern, in welchen die Spulen angeordnet sind, es erreicht werden kann, dass Verwirbelungsverluste, z. B., wenn der Spalt mit einem Medium (Umgebungsmedium) bzw. Fluid gefüllt ist, reduziert werden. Die reduzierten Reibungsverluste sind insbesondere dadurch begründet, dass ein Scheibenläufer aufgrund seines flachen Aufbaus im Vergleich zu einem herkömmlichen Käfigrotor wesentlich weniger Verwirbelungen an der Oberfläche erzeugt. Durch die Verwendung zweier Statoren beidseitig werden die Magnete von jeder Ständer seite angetrieben. All diese Maßnahmen helfen die Effizienz zu steigern. Ausgehend von einem flachen Scheibenläufer wird auch der Bauraum reduziert. Insbesondere das Ausführungsbeispiel, entsprechend welchem das Motorinnere/die Spalte mit Fluid gefüllt sind, wird auch allen Anforderungen an Druckresistenz entsprochen. Ferner sei angemerkt, dass sich durch diesen Aufbau am Scheibenläufer die Anzugskräfte der Magneten zu den Eisenkernen beider Ständer aufheben. Durch die Verwendung zweier Statoren beidseitig werden die Magnete von jeder Ständerseite angetrieben.

Entsprechend einem Ausführungsbeispiel hat der Scheibenläufer sowohl aufseiten des ers ten als auch aufseiten des zweiten Ständers eine glatte Oberfläche. Hierzu können die Magneten mit dem Rotor vergossen sein, um den Scheibenläufer auszubilden.

Bezüglich der Anordnung der Magneten sei angemerkt, dass alle Magneten symmetrisch, d. h. rotationssymmetrisch um die Rotationsachse, entlang des konzentrischen Kreises verteilt sein können. Hierbei kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Mehrzahl der Magnete mit abwechselnder Polung entlang des konzentrischen Kreises angeordnet sein. Durch die ausschließliche Verwendung von Magneten in dem Scheibenläufer kann dieser eisenlos sein. Die Anzahl der Magnete ist entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen sechs, d. h. drei in die eine Richtung polarisiert und drei in eine entgegengesetzte Richtung polarisiert. Dem stehen entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen vier Spulen je Ständer gegenüber. Hierbei können jeweils zwei Spulen eines Ständers (d. h. jede zweite Spule) zu einem Strang kombiniert sein. Folgende Magnet-Spulen-Kombinati- onen weisen eine hohe Effizienz auf: K = ganzzahlig ( z.B. 1 , 2, 3, 4, usw.)

Anzahl der Magnete im Läufer = 6K (d.h. 6, 12, 18, 24, usw.)

Anzahl der Spulen im Ständer = 4K (d.h. 4, 8, 12, 16, usw.)

Hierbei sein angemerkt, dass bei gleicher Spulenfrequenz die Nenndrehzahl des Motors mit zunehmenden K sinkt, vergleichbar mit einer Untersetzung in einem Getriebe.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen nicht nur der Scheibenläufer mit der Mehrzahl der Magnete derart vergossen ist, dass die dem ersten und/oder zweiten Ständer zugewandte Oberfläche glatt ist bzw. eine entsprechende Ebene formt, sondern auch, dass die Ständer jeweils druckneutral, z. B. unter Verwendung eines Silikons oder eines Epoxidharzes vergossen sein können. Hierdurch wird dann auch eine glatte/ebene Oberfläche zugewandt zu dem Scheibenläufer geschaffen, was, wie oben bereits erläutert, die Verwirbelungsverluste im Spalt erheblich reduziert. Der Spalt weist beispielsweise eine Breite von 0,5 bis 2,0 mm oder von 0,8 bis 2,0 mm auf. Alternativ kann der Spalt 0,8 bis 4,0 mm oder 1 ,0 bis 4,0 mm betragen. Eine weitere bevorzugte Variante ist eine Spaltbreite von 1 ,5 bis 4,0 mm bzw. 1 ,5 bis 2 mm. Die Breite ist abhängig von dem jeweiligen Fluidmedium und der Dimensionierung der elektromagnetischen Komponenten gewählt.

Bezüglich der Ansteuerung der Spulen sei angemerkt, dass der Elektromotor entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine Ansteuereinrichtung aufweisen kann, die beispielsweise als stromgeregelte H-Brücke implementiert ist. Jeder Strang wir von einer H Brücke entsprechend der Lageerfassung angesteuert und fungiert entsprechend Ausführungsbeispielen als stromgeregelter Tiefseesteller (Strangstromregelung). Über den Stromsollwert kann das Antriebsmomente des Motors gestellt werden. Hierbei werden entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Spulen mit einem trapezförmigen Strom beaufschlagt, was einen sehr effizienten Betrieb ermöglicht.

Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Ansteuerungseinrichtung eine Lageerfassung aufweist, die ausgebildet ist, um eine Lage des Scheibenläufer zu erfassen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Bestromung der Stränge über die Stromregelung entsprechend vorgegebenem Stromsollwert sowie über die von eine Lageerfassung des Läufers gesteuerten Einschaltphase und Polarität für beide Stränge erfolgen. D.h. also, dass die Ansteuerungseinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Lage mittels Stromregelung entsprechend vorgegebenem Stromsollwert die beiden Stränge bezüglich Einschaltphase und/oder Polarität zu steuern. Hierbei kann die Drehrichtung des Läufers durch Polaritätswechsel der Strangströme in den Strängen gewechselt werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Unterwasserantrieb mit einem Elektromotor. Entsprechend Ausführungsbeispielen umfasst dieser Unterwasserantrieb ein druckneutral ausgeführtes Gehäuse.

Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Elektromotors gemäß einem Basisausführungsbeispiel;

Fig. 2a-2c schematische Darstellungen des Elektromotors im Querschnitt sowie einzelner Bauteile gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;

Fig. 3 eine schematische Anordnung der Magnete gegenüber den Spulen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;

Fig. 4a ein schematisches Diagramm zu Illustration der Bestromung der Spulen gemäß Ausführungsbeispielen; und

Fig. 4b-4e schematische Darstellungen zur Illustration der Relativposition von

Spule/Magnet bei entsprechender Bestromung gemäß Fig. 4a.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.

Fig. 1 zeigt einen Motor 10 mit einem ersten und einem zweiten Ständer 121 und 12r. Zwischen dem Ständer 12I und 12r ist ein Scheibenläufer 14 angeordnet, wobei ein erster Spalt 151 den Scheibenläufer 14 von dem Ständer 121 trennt und ein zweiter Spalt 15r den Scheibenläufer 14 von dem Ständer 12r. Der Scheibenläufer rotiert um eine Rotationsachse 16, die sich durch die zwei Ständer 121 und 12r erstreckt. Folglich findet die Rotation des Scheibenläufers 14 parallel zu den zwei Ständern 121 und 12r statt.

Der Scheibenläufer 14 weist eine Vielzahl von Magneten 14a bis 14f (hier sechs) auf, die entlang eines konzentrischen Kreises 14kk angeordnet sind. Der konzentrische Kreis 14kk hat seinen Mittelpunkt in der Rotationsachse 16 und ist konzentrisch zu dem Umfang des Scheibenläufers angeordnet. Umgekehrt heißt das aber nicht, dass der Scheibenläufer zwingend 100% rund sein muss und konzentrisch zu dem Kreis 14kk verläuft. Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die Magneten derart angeordnet, dass sich ihre Polung/Magnetfeldorientierung immer abwechselt. Das heißt also beispielsweise, dass die Magneten 14a, 14c und 14e (z.B. wechselnd) in Nord-Süd-Richtung und die Magneten 14b, 14d und 14f in Süd-Nord-Richtung ausgerichtet sind. Nord-Süd heißt beispielsweise, dass der Nordpol zu dem Ständer 121 zeigt, während der Südpol zu dem Ständer 12r zeigt. Umgekehrt heißt Süd-Nord, dass der Südpol zu dem Ständer 121 zeigt, während der Nordpol zu dem Ständer 12r zeigt. Bezüglich des Scheibenläufers sei an dieser Stelle auch noch angemerkt, dass dieser einen signifikant größeren Durchmesser hat als die Dicke des Scheibenläufers ist. Hierbei wird beispielsweise von einem Aspektverhältnis von mindestens 1 :2 oder sogar 1 :5 ausgegangen.

Sowohl der erste Ständer 12I als auch der zweite Ständer 12r weisen mindestens vier Spulen bzw. ganzzahlige vielfache von vier Spulen auf. Die Spulen sind mit dem Bezugszeichen 121a, 121b, 121c, 12ld bzw. 12ra, 12rb, 12rc, 12rd gekennzeichnet sind.

Bezüglich der Spalte 151 und 15r sei angemerkt, dass diese jeweils den Scheibenläufer 14 von dem zugehörigen Ständer 121 bzw. 12r separieren. Der Begriff„Spalt“ ist dahin gehend zu verstehen, dass dieser auch mit einem anderen Medium als Luft, wie z. B. mit einem Fluid gefüllt sein kann und deswegen auch als Fluidspalt bezeichnet wird. Bezüglich der Dimensionierung der Spalte sei angemerkt, dass diese bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel relativ groß, d. h. im Bereich von 1 ,0 bis 2,0 mm oder sogar 0,8 bis 4,0 mm ausgeführt sein können, um durch einen sicheren Verguss die Magnetkreisbauteile vor aggressiven Seewasser schützen zu können. Die Dicke des Spalts ist entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen im Bereich von 0,8 bis 2,0 mm in Verbindung mit extrem hoch magnetisierten Permanentmagneten im Läufer so ausgelegt, dass trotz großer Spaltmaße die Wirkung der magnetischen Kräfte durch die Ständer optimal ist.. Durch solche Maßnahmen (Scheibenform, Spaltdesign, ..) wie auch den Verguss des Scheibenläufers 14 mit der Mehrzahl an Permanentmagneten 14a bis 14d wird der Rotors / Läufer 14 hydrodynamisch und magnetisch optimiert ist.-Ferner-kann Der Scheibenläufer 14 ist eisenlos ausgelegt. Die Verwendung eines eisenloses Scheibenläufers/allgemein Rotors in der Mitte, der ^’ nur Permanentmagneten 14a-14d aufweist, reduziert die Masse, was einen sehr dynamischen Betrieb mit geringen Verlusten und insbesondere mit geringer Lagerbeanspruchung ermöglicht.

Nachdem nun die Struktur und die einzelnen Komponenten des Motors 10 erläutert wurden, wird nachfolgend auf die Funktionsweise eingegangen. Die Spulen werden über eine Ansteuerung (nicht dargestellt) derart angesteuert, dass der Scheibenläufer sich um die Rotationsachse 16 beispielsweise in Richtung 16r dreht. Hierzu wird mittels der Spulen 121a bis 12rb eine elektromagnetische Kraft durch Wechselwirkung mit den Magneten 14a bis 14d eingebracht. Die Wechselwirkung wird im Detail in den Fig. 4a-4e erläutert. Besonders vorteilhaft ist hier, dass die Spulen 121a und 121b in dem Ständer 121, die Spulen 12ra und 12rb in dem Ständer 12r sowie die Magnete 14a bis 14c in dem Rotationsläufer 14 planar eingebracht werden können, so dass also die Abstände zwischen den wirkenden Bauelementen im Bereich der Spalte 151 und 15r sehr klein sind und die zu den Spalten 151 und 15r hin gerichteten Oberflächen planar ausgeführt sein können. Dies hat einerseits den Vorteil, dass so die Breite des Spalts optimal an die elektromagnetische Wechselwirkung angepasst sein kann und auch Reibungsverluste in Form von mechanischen Verwirbelungen im Spalt 15I und 15r optimiert sein können. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Scheibenläufer 14, der typischerweise auf einer Welle oder Ähnlichem angeordnet ist, sehr einfach konzipiert sein kann, da hier keine weiteren Teile, wie z. B. Schleifer oder Ähnliches zur Einkoppelung von Strömen in den Läufer notwendig sind. Die Welle kann, z. B. gelagert (beispielsweise mittels Kugellagern, seewasserfesten Kugellagern oder Gleitlagern) direkt den Abtrieb bilden. Hierzu ist die Welle (nicht dargestellt) fix bzw. zumindest rotationssicher mit dem Scheibenläufer 14 verbunden.

Bezüglich der auf beiden Seiten des Läufers 14 angeordneten Ständer 121 und 12r sei angemerkt, dass diese entsprechend Ausführungsbeispielen druckneutral vergossen sein können. Dies hat den Vorteil, dass diese druckunabhängig kein Fluid (Seewasser) aufnehmen. Hierbei können beispielsweise die Spulen mit Vergussstegen gewickelt sein, um einen luftfreien Verguss zu ermöglichen. Ferner können die Spulen 121a, 121b, .. bzw. 12ra, 12rb, .. auch Eisenkerne umfassen, wie nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 2a bis 2c erläutert werden wird. Die Eisenkerne der Spulen 121a bis 12rd in den Ständern 121 und 12r können beispielsweise aus in Epoxidharz vergossenen Draht-Eisenkernen, wie z. B. aus einem weichmagnetischen Draht-Material bestehen bzw. dieses umfassen. Dies ist ein mit Zündspulen vergleichbarer Aufbau, der sehr gut im Hinblick auf verlustarme Magnetkreisbauteile ist.

Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Motor bzw. die nicht-vergossenen Bereiche flüssigkeitsgefüllt sein (beispielsweise mit einem speziellen Fluid oder einem Umgebungsmedium). Die gesamte Auslegung (Verguss, Dimensionierung, Spalte und Anordnung von Magneten und Spulen) ermöglicht selbst bei Ausfüllung mit Fluid einen dynamischen und effizienten Betrieb. Motorwirkungsgrade von oberhalb 80 % mit Wasser als Fluid wurden mit einem derartigen Aufbau erreicht.

Bezüglich der Ansteuerung der Spulen sei angemerkt, dass diese von einer externen Ansteuerungslogik entsprechend angesteuert werden. Diese bestromt die Spulen 121a, 121b, .. bzw. 12ra, 12rb, .. mit trapezartiger Ströme, wie in Fig. 4a dargestellt. Jeder Strang wird entsprechend Ausführungsbeispielen von einer H Brücke entsprechend der Lageerfassung angesteuert und fungiert als stromgeregelter Tiefseesteller. Die Bestromung der Stränge erfolgt über die Stromregelung entsprechend vorgegebenem Stromsollwert sowie über die von eine Lageerfassung des Läufers gesteuerten Einschaltphase und Polarität für beide Stränge. Die Drehrichtung des Läufers kann durch Polaritätswechsel der Strangströme in beiden Strängen erfolgen. Über den Stromsollwert kann das Antriebsmomente des Motors gestellt werden.

Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 2a bis 2c ein Konstruktionsbeispiel für den Motor erläutert.

Fig. 2a zeigt eine Schnittdarstellung durch den Motor. Hierbei sind die zwei Ständer mit den Bezugszeichen 12 und 12r‘ gekennzeichnet. Zwischen den zwei Ständern befindet sich durch die Spalte 15G und 15r‘ getrennt von den Ständern 12G und 12r‘ der Scheibenläufer/Rotor 14‘. Der Rotor 14‘ ist in Fig. 2b separiert gezeigt. Wie hierzu zu erkennen ist, weist der Rotor 14‘ einen Durchmesser von d14‘ auf und ist als Art Scheibe mit einer Dicke t14‘ ausgebildet. Die Scheibe 14‘ ist mit einer Welle 16w‘ verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise derart realisiert sein, dass ein Fortsatz/eine Kröpfung 16wk‘ der Welle 16w‘ in einen Kunststoffträger 14k‘ des Scheibenläufers 14 eingebettet bzw. vergossen ist. In diesem Kunststoffträger 14k‘ sind auch die mehreren Magnete, hier 6 Magnete 14a‘ bis 14f in das Kunststoff material 14k' eingebettet. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Verbindung zwischen den Magneten 14a‘ bis 14f selbstverständlich auch anders erfolgen.

Bezüglich der Welle 16w‘ sei angemerkt, dass diese mehrere Kröpfungen 14k' entlang der Welle 16w‘ aufweisen kann. Diese Kröpfungen 16k‘ dienen beispielsweise dazu, dass die Lageschalen entsprechend mit der Welle 16w‘ in Eingriff gebracht werden. Die Eingriff- nahme mit den Kugellagern 18k' ist in Fig. 2a gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist die Innenlagerschale der Kugellager 18k‘ mit der Welle 16w‘ bzw. den Kröpfungen 16k‘ in Eingriff, während die äußere Lagerschale der Kugellager 18k' mit dem Gehäuse 121g' bzw. 12rg' der Ständer 12G und 12r‘ in Eingriff ist. Die Gehäuse 121g' bzw. 12rg‘ tragen auch die Spulen 12la‘ bis 12ld‘ sowie 12ra‘ bis 12rd‘ auf der jeweiligen Seite des Ständers 121' bzw. 12r‘. Wie anhand der Bezugszeichen zu erkennen ist, sind je Ständer 121' und 12r‘ hier vier Spulen vorgesehen. Bezüglich der Anzahl der Spulen sei angemerkt, dass, wie auch noch Bezug nehmend auf Fig. 3 erläutert werden wird, vier Spulen je Ständer 121a' bis 12ld‘ und 12ra‘ bis 12rd‘ je Ständer 12G bzw. 12r‘ zusammen mit sechs Magneten 14a‘ bis 14f einen sehr effizienten Betrieb ermöglicht, wobei die Anzahl natürlich auch variieren (vgl. Bildungsgesetz Anzahl der Spulen = 4K, K ganzzahlig kann. Bezüglich der Darstellung aus Fig. 2a, 2b und 2c sei angemerkt, dass, aufgrund der Querschnittsdarstellung immer nur zwei Spulen 12la‘, 121c' bzw. 12ra‘ und 12rc‘je Seite und auf nur zwei Magneten 14a' und 14f dargestellt sind, während sich die anderen Spulen/Magneten in anderen Ebenen befinden.

Die Spulen 121a' bis 12ld‘ und 12ra‘ bis 12rd‘ sind mit dem jeweiligen Gehäuse 121g' bzw. 12rg‘ vergossen. Die jeweilige Vergussmasse ist mit dem Bezugszeichen 12lv‘ bzw. 12rv‘ markiert.

Bezüglich der Abmessungen der Statoren 121' und 12r‘ sei angemerkt, dass die Vergussmasse 12lv' bzw. 12rv‘ zusammen mit dem Gehäuse 121g' und 12rg‘ einen Durchmesser in etwa der Größe hat, wie der Durchmesser des Rotors (vgl. Bezugszeichen d14‘). Weiter sind die Spulen 121a' bis 12ld‘ und 12ra‘ bis 12rd‘ entsprechend einem Ausführungsbeispiel ebenfalls auf konzentrischen Kreisen um die Rotationsachse 16 angeordnet. Der Durchmesser dieser konzentrischen Kreise für die Anordnung der Spulen 12la‘ bis 12ld‘ und 12ra‘ bis 12rd‘ ist gleich dem Durchmesser des Kreises (bzw. vergleichbar), auf welchem die Magneten 14a' und 14f angeordnet sind. Hintergrund hierzu ist, dass so die elektromagnetische Kraft (induziert durch die Spulen bzw. die angesteuerten Spulen 12la‘ bis 12!d‘ und 12ra‘ bis 12rd‘) optimal in die Magnete 14a‘ bis 14f eingekoppelt werden kann.

Bezüglich der Dimensionierung des Scheibenläufers sei angemerkt, dass dieser signifikant dünner ist als der Durchmesser. Das heißt also, dass das Aspektverhältnis d14‘ zu t14‘ beispielsweise im Bereich von 5:1 , oder beispielsweise von größer 2:1 oder sogar größer 3:1 ausgebildet sein kann.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die Spulen 12la‘ bis 12ld‘ bzw. 12ra‘ bis 12rd‘ mit Eisenkernen 12le‘ bzw. 12re‘ ausgebildet sein. Wie hier dargestellt, verlaufen die Eisenkerne 12re‘ und 12le‘ innerhalb der Spulen, d. h. innerhalb der Erstreckungsrichtung der Spulen. Bezüglich der Spulen und damit auch bezüglich der Eisenkerne sei angemerkt, dass diese sich senkrecht zu dem Scheibenläufer 14a erstrecken. Allgemein ausgedrückt heißt das, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Erstreckungsrichtung der Spulen 12la‘ bis 12ld‘ bzw. 12ra‘ bis 12rd‘ senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht zu dem Scheibenläufer 14a‘ und damit auch parallel zu der Rotationsachse 16 verläuft. Dies gilt sowohl mit und ohne die optionalen Eisenkerne 12le‘ bzw. 12re‘. Bezüglich dieser Eisenkerne 12le‘ bzw. 12re‘ sei angemerkt, dass diese ebenfalls senkrecht zu dem Scheibenläufer 14a‘ und damit auch parallel zu der Achse 16 ausgerichtet sind.

Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen sind die Spulen über Rückschlussbleche 12lr‘ bzw. 12rr‘, die beispielsweise mit den Eisenkernen 12le‘ bzw. 12re‘ gekoppelt sind, miteinander verbunden um die Magnetkreise zu schließen. Eine exemplarische Konfiguration ist in Fig. 2c‘ gezeigt.

Fig. 2c‘ zeigt den Scheibenläufer 14‘ mit den Magneten 14a‘ bis 14f, der auf der Welle 16w‘ angeordnet ist. Seitlich zu dem Scheibenläufer 14‘ bzw. den Magneten 14a‘ bis 14f sind die Spulen 12la‘ bis 12ld‘ bzw. 12ra‘ bis 12rd‘ (hier dargestellt nur die Spulen 12la‘, 12lc‘, 12ra‘ und 12rc‘) angeordnet. Über die Rückschlussbleche 12lv‘ und 12rv‘ sind die jeweils gegenüberliegenden Spulen (gegenüberliegend heißt 180 Grad in Bezug auf den koaxialen Kreis) miteinander verbunden.

Im Detail: beispielsweise kann die Spule 12la‘ mit der Spule 12lc‘ über ein gemeinsames Rückschlussblech verbunden sein, während die Spule 12lb‘ mit der Spule 12ld‘ gekoppelt ist. In gleicher Weise können die gegenüberliegenden Spulen 12ra‘ und 12rc‘ sowie die Spulen 12rb‘ und 12rc‘ miteinander gekoppelt sein. Auch eine andere Kopplung wäre entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen denkbar. Bezüglich der Rückschlussbleche 12la‘ bzw. 12ra‘ sei angemerkt, dass diese, ebenso wie die Eisenkerne 12le‘ und 12re‘ den magnetkreis des Ständers bilden.

Bezug nehmend auf Fig. 3 wird nun die Lage der Magnete gegenüber den Spulen diskutiert. Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht auf das in Fig. 2a bis 2c erläuterte Ausführungsbeispiel. Hier sind zum einen die Spulen 12la‘ bis 12ld‘ des Ständers 12G dargestellt und andererseits auch die Magnete 14a‘ bis 14r‘ des Läufers 14‘ dargestellt (Siehe Erläuterung Funktionsweise in Fig. 4a-4e).

Die Spulen 12la‘, 12lb‘, 121c' und 12ld‘ sind entlang des konzentrischen Kreises 12kk‘, der sich um die Rotationsachse 16 erstreckt, angeordnet. Weiter sind die Spulen 14a‘ bis 14f gleichverteilt, d. h. also, dass die Spule 12la‘ bei 0 Grad bzw. 360 Grad angeordnet ist, die Spule 12lb’bei 90 Grad, die Spule 12lc‘ bei 180 Grad und die Spule 12ld‘ bei 270 Grad. Wie bereits oben erläutert, sind die Spulen 12la‘ und 12lc‘ miteinander gekoppelt, z. B. unter Zuhilfenahme der Rückschlussbleche 12lv‘, so dass sich hier jeweils zwei gegenüberliegende Pole, z. B. Nord-Süd oder Süd-Nord ausbilden. Das Gleiche gilt für die Spulen 12lb‘ und 12ld‘, die ebenfalls miteinander gekoppelt sind, so dass sich hier eine Nord-Süd bzw. Süd-Nord-Polung ausbildet. Diese Polung variiert selbstverständlich in Abhängigkeit von den an die Spulen angelegten Strömen.

In einem weiteren konzentrischen Kreis 12kk‘ bzw. dem gleichen konzentrischen Kreis 12kk‘ und 14kk‘ sind die Magnete 14a‘ bis 14f angeordnet. Diese sind also je nach Stellung mit den Spulen 12la‘ bis 12ld‘ in Deckung bringbar. Die Magnete 14a‘ bis 14f sind wiederum gleich verteilt entlang des Kreises 12kk‘ angeordnet, so dass sich immer zwischen zwei Magneten ein 60-Grad-Winkel einstellt. Hierdurch ergibt sich also folgende Anordnung, wenn man von einer Ruhelage ausgeht: 14a‘ -30 Grad bzw. 330 Grad, 14b‘ +30 Grad, 14c‘ 90 Grad, 14d‘ 150 Grad, 14e‘ 210 Grad, 14f 270 Grad. Entlang des Kreises wetzt sich entsprechend einem Ausführungsbeispiel die Polung der Magnete 14a‘ bis 14f ab, so dass beispielsweise die Magnete 14a‘, 14c‘ und 14e‘ einen Südpol auf der Seite des Stators 12G ausbilden, während die Magnete 14b‘, 14d‘ und 14f einen Nordpol aufseiten des Ständers 12l‘ ausbilden.

Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde von vier Spulen und sechs Magneten ausgegangen. Die Anzahl kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen variieren, z. B. acht Spulen und zwölf Magnete (vgl. Bildungsgesetzt). Ausgehend hiervon wäre dann auch der Winkel zwischen den Spulen nicht mehr wie hier dargestellt 90 Grad, sondern entsprechend angepasst (z.B. 45°), bevorzugt aber gleichbleibend. Auch der Winkel (60-Grad-Winkel) zwischen den Magneten 14a bis 14d würde entsprechend variieren (z.B. 30°).

Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel könnten z. B. 12 Magnete und 8 Spulen Verwendung finden. Bei den Magneten würde sich dann ein 30-Grad-Winkel einstellen, während bei den Spulen ein 45-Grad-Winkel ausgebildet wird.

Nachfolgend wird die Dimensionierungsvorschrift eines bevorzugten Ausführungsbeispiels allgemein erläutert:

• Anzahl der im Magnetkreis symmetrisch verteilten, in der Polung wechselnden Magneten = 6K,

• Anzahl der im Kernkreis symmetrisch verteilten, lagegesteuerten Spulen = 4K, jede zweite Spule in den Ständern gehört zu einem Strang. In jedem Strang wechseln die Spulen die Polung.

• K-ganzzahlige Motorkonstante (oben 1 , gern weiterer Ausführungsbeispiele 2, 3, 4, ··)

• über den Abstand der Magnete/Spulen kann Rastung und Gleichlauf gestaltet werden.

• Das Spulensystem mit Rückschlussblechen in den Ständern bildet mit den Permanentmagneten im Läufer einen optimierten Magnetkreis, in dem relativ große Fluidspalte (Spalte) im Bereich von 0,8 bis 2,0 mm vorhanden sind.

• Motor und H-Brückensteller bilden einen effizienten Energiewandler zur Anpassung an verschiedene hohe Versorgungsspannungen und zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie aus den bestromten Spulen vorrangig nach dem Tiefsetzstel- ler-Prinzip.

Bezüglich der Ansteuerung sei angemerkt, dass Motor und H-Brückensteller zusammen einen effizienten Energiewandler bilden, der eine Anpassung an verschieden hohe Versorgungsspannungen ermöglicht und gleichzeitig die Rückgewinnung der gespeicherten Energie aus den bestromten Spulen vorrangig nach dem Tiefsetzsteller-Prinzip durchführen kann. Fig. 4a zeigt zwei Diagramme für die Ansteuerungsströme der zwei Stränge in einer zeitlichen Gegenüberstellung. Die Diagramme sind mit„Stromstrang 1“ und„Stromstrang 2“ gekennzeichnet. Wie zu erkennen ist, handelt es sich bei beiden Ansteuerungsströmen um trapezförmige Ströme, die zueinander um 180° phasenversetzt sind. Beide trapezförmigen Ströme bilden an dem jeweiligen Minimum/an dem jeweiligen Maximum ein Plateau aus. Die Flanke kann beispielsweise bei dem Nulldurchgang eine Unstetigkeit aufweisen.

Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt die Bestromung der Stränge über Stromregelung entsprechend vorgegebener Sollstromwerte sowie über die von der Lageerfassung des Läufers gesteuerte Einschaltphase und Polarität für beide Stränge. Deshalb ist den Stromsträngen 1 und 2 die Lageerfassung LA1 , LA2, LA3 und LA4 gegenübergestellt. LA1 kann beispielsweise an der Spule 1 eine Lage erfassen, LA2 an der Spule 2, LA3 an der Spule 3, LA4 an der Spule 4.

Wie zu erkennen ist, ist der Stromstrang 2 im positiven Plateau während der positiven LA3- Werte, während der Stromstrang 2 sich im negativen Plateau während der positiven LA4- Werte befindet. Stromstrang 1 befindet sich im positiven Plateau während der positiven LA1 -Werte und im negativen Plateau während der positiven LA2-Werte. Insofern kann entsprechend einem Ausführungsbeispiel ausgehend von der Lageerfassung LA1 und LA2 der Stromstrang 1 gesteuert werden, während ausgehend von der Lageerfassung LA3 und LA4 der Stromstrang 2 gesteuert wird. Hierbei ist beispielsweise die Stromstrangsteuerung von dem Strängen 1 und 2 äquivalent.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen durch Polaritätswechsel der Stromstränge in beiden Strängen die Drehrichtung des Läufers gewechselt werden kann.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4b bis 4d die entsprechenden Ströme in den Stromsträngen in Relation zu den Relativpositionen von Magneten des Stators und den Spulen gesetzt.

Alle Fig. 4b bis 4c zeigen die kleinste Motorvariante (Grundmotor K = 1 , d. h. vier Spulen und sechs Magnete) in einem aufgeklapptem Zustand. Die Spulen sind mit den Bezugszeichen 121a bis 12ld gekennzeichnet, während die Magnete mit den Bezugszeichen 14a bis 14f gekennzeichnet sind. Darüber hinaus ist mittels N und S kenntlich gemacht, ob der Nordpol oder der Südpol der Magnete 14a bis 14f den jeweiligen Spulen gegenüberliegt. Ebenso mittels N und S ist die Bestromungsrichtung der Spulen kenntlich gemacht, wobei eine stromlose Spule eben weder mit N noch mit S gekennzeichnet ist.

In Fig. 4b und 4d ist der Läufer zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt kenntlich gemacht, um die Bewegung des Läufers 14 infolge der anziehenden/abstoßenden Kräfte darzustellen. Die anziehenden/abstoßenden Kräfte sind mittels Pfeilen kenntlich gemacht.

Ausgehend davon, dass in Fig. 4b und 4d bereits zwei Zeitpunkte (d. h. zwei unterschiedliche Relativpositionen zwischen Stator 12 und Läufer 14) darstellt, sind in den Fig. 4b bis 4e insgesamt sechs Relativpositionen illustriert. Diese sechs Relativpositionen sind alle zeitlich aufeinanderfolgend und repräsentieren die Bewegung eines Magneten (z. B. des Magneten 14b) von einer Spule, z. B. 121a (vgl. Fig. 4b) zu der nächsten Spule, z. B. 121b (vgl. Fig. 4e).

Bei der Position 1 aus Fig. 4b wird beispielsweise durch die Spule 121a (Nord-Bestromung) der Nordpol des Magneten 14d abgestoßen. Gleichzeitig wird der Südpol des Magneten 14c durch den Nordpol der Spule 121b angezogen. Ausgehend von der Süd-Bestromung der Spule 12lc erfolgt hier wiederum eine Abstoßung des Magneten 14e, während der Magnet 14f durch die„Süd-bestromte“ Spule 12ld angezogen wird.

Bei der in Fig. 4c dargestellten Situation ist nur noch die Spule 121a„Nord-bestromt“, während die Spule 12lc„Süd-bestromt“ ist. Hierdurch entsteht an den bestromten Spulen gleichzeitig eine Anziehung des Südpols 14a sowie eine Abstoßung des Nordpols 14b bzw. eine Anziehung des Nordpols 14d und eine Abstoßung des Südpols 14e.

Bei der in Fig. 4d dargestellten Situation sind die Spulen 121a und 12ld„Nord-bestromt“, während die Spulen 121b und 121c„Süd-bestromt“ sind. Die entsprechende Anziehung und Abstoßung der Magnete 14a, 14c, 14d und 14f ist entsprechend dargestellt.

Bei der in Fig. 4e dargestellten Situation sind die Spulen 121b (Süd) und 12ld (Nord) bestromt. Durch 121b wird der Nordpol von 14b angezogen und der Südpol von 14c abgestoßen. Durch 12ld wird der Südpol 14e angezogen und der Nordpol 14f abgestoßen Die entsprechenden Positionen 1 , 1 ', 2, 3, 3‘, 4, zugehörig zu den Fig. 4b bis 4e, sind in dem Stromdiagramm aus Fig. 4a kenntlich gemacht. Die Polaritäten wechseln von Stromstrang 1 zu Stromstrang 2 entsprechend der„Nord-“ bzw.„Süd-Bestromung“. Eine Spule wird immer zu dem Zeitpunkt nicht bestromt, zu dem sich der entsprechende Zeitpunkt 1 , 1 ', 2, 3, 3‘, 4 an einem entsprechenden Nulldurchgang bzw. Nullplateau befindet. Ein Beispiel hierfür ist Zeitpunkt 2 und Strang 2.

Bezüglich der Zug- bzw. Abstoßungskräfte sei allgemein angemerkt, dass außerhalb von Stromlücken jede Spule zwei Magneten antreibt (zieht bzw. schiebt), während in einer Stromlücke (zur Polumschaltung der Spule) in dem anderen Strang die maximale Kraft auf zwei Magneten ausgeübt wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen der oben erläuterten Motoren 10 oder 10‘ mit einem entsprechenden Gehäuse, dass druckneutral, z. B. unter Verwendung von Silikonen, geschlossen ist. Dieses Gehäuse kann entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem Fluid gefüllt sein.

Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Welle aus dem Gehäuse herausragen, so dass hier ein Propeller oder ein weiteres anzutreibendes Modul angekoppelt werden kann.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass obige Ausführungsbeispiele nur illustrativ sind, wobei der Schutzbereich durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird.