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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem scheibenförmigen Stator und einem scheibenförmigen Rotor.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Bauformen elektrischer Maschinen bekannt. So offenbart die Druckschrift
DE 10 2015 102 804 A1 eine rotierende elektrische Maschine in Scheibenläufer- und axialflussbauweise, bei der ein Stator zwischen zwei Rotorscheiben, die Permanentmagnete aufweisen, angeordnet ist. Zwar ermöglichen derartige Maschinen einen zuverlässigen Betrieb, jedoch sind die erzielbaren Drehmomente noch optimierbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine vorzuschlagen, die derartig aufgebaut ist, dass ein möglichst effizienter Betrieb mit optimierten Drehmomenten möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Eine elektrische Maschine weist mindestens einen scheibenförmigen Stator mit mindestens einer Wicklung eines elektrisch leitfähigen Drahts und mindestens einen gegenüber dem Stator drehbaren Rotor auf. Der Rotor ist mit einem ersten Permanentmagneten und mindestens einem zweiten Permanentmagneten versehen, die derart angeordnet sind, dass ein Nordpol des ersten Permanentmagneten und ein Südpol des zweiten Permanentmagneten in Richtung des Stators weisen. Die Wicklung ist radial umlaufend in Mäanderform mit jeweils abwechselnden in radialer Richtung angeordneten Abschnitten und in tangentialer Richtung angeordneten Abschnitten auf dem scheibenförmigen Stator derart angeordnet, dass auf zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des scheibenförmigen Stators angeordnete Schlaufen der Wicklung nur in ihren in radialer Richtung angeordneten Abschnitten zumindest bereichsweise oder in ihren in tangentialer Richtung angeordneten Abschnitten nur bereichsweise übereinander liegend geführt sind. Die Wicklung kann abwechselnd auf einer der beiden Oberflächen des scheibenförmigen Stators angeordnet sein oder auf jeder der Oberflächen des scheibenförmigen Stators ist jeweils eine Wicklung des Drahts angeordnet.
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Unter dem Begriff „scheibenförmig“ soll im Rahmen dieser Schrift insbesondere verstanden werden, dass ein entsprechendes Bauteil eine Länge und eine Breite aufweist, die wesentlich größer als seine Dicke sind. Typischerweise sind sowohl die Länge als auch die Breite eines scheibenförmigen Bauteils mindestens doppelt so groß wie dessen Dicke. Insbesondere soll unter dem Begriff „scheibenförmig“ ein zylinderförmiges Bauteil fallen, dessen Radius oder Durchmesser mindestens doppelt so groß wie seine Höhe ist. Indem die Wicklung in Draufsicht auf den Stator mäanderförmig angeordnet ist, ergibt sich durch die Anordnung auf verschiedenen Oberflächen, typischerweise eine zweiseitige Anordnung, mit den in radialer Richtung angeordneten Abschnitten, die bereichsweise bzw. abschnittsweise parallel zueinander geführt sind (und insbesondere in Draufsicht fluchtend übereinander liegend angeordnet sein können), oder den in tangentialer Richtung angeordneten Abschnitten, die auf den beiden Seiten nicht vollständig, sondern nur bereichsweise übereinander liegend angeordnet sind, ein Aufbau, bei dem in Draufsicht zwei auf den einander gegenüberliegenden Oberflächen des scheibenförmigen Stators angeordnete Schlaufen des Mäanders sich zu einer geschlossenen Schleife ergänzen, so dass bei Anlegen eines elektrischen Stroms durch eine Stromquelle bzw. eine Spannungsquelle aufgrund der Lorentzkraft sich ein entsprechend gerichtetes Magnetfeld ausbildet, das mit den Permanentmagneten wechselwirken kann. Durch die beschriebene Anordnung wird eine Dichte dieser geschlossenen Schleifen über den Umfang des Stators erhöht, so dass auch ein entsprechend höheres Drehmoment generiert werden kann. Es ergibt sich somit eine bürstenlose elektrische Maschine, typischerweise ohne Eisenrückschluss, die in effizienter Weise betrieben werden kann. Die Oberflächen, auf denen die Wicklung aufgebracht ist, weisen typischerweise in Richtung des Rotors bzw. sind, bei einer zylinderförmigen Scheibe, die Zylinderoberflächen.
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Es kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Schlaufen auf einer der beiden Oberflächen des Stators als mehrfache Windung des elektrisch leitfähigen Drahts ausgebildet ist. Indem eine der Schlaufen mehrfach umlaufen wird (und somit eine Schleife bildet), kann die Lorentzkraft entsprechend verstärkt werden und somit das Drehmoment eingestellt werden.
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Typischerweise ist der auf verschiedenen Oberflächen des scheibenförmigen Stators angeordnete, die Wicklung bildende Draht räumlich beabstandet von dem Draht auf der jeweils anderen Seite angeordnet. Durch den räumlichen Abstand wird sichergestellt, dass es nicht zu elektrischen Kurzschlüssen kommt. Der Draht ist vorzugsweise ohnehin mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen, durch vorsehen der Statorscheibe zum Einstellen eines räumlichen Abstands wird die Sicherheit jedoch nochmals erhöht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass auch bei einem Wechsel des Drahts von einer Seite auf die andere Seite ein räumlicher Abstand eingehalten wird.
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Der Rotor kann mindestens zwei Scheiben aufweisen, die koaxial zueinander angeordnet sind und zwischen denen jeweils eine Scheibe des Stators angeordnet ist. Der Rotor und der Stator sind hierbei räumlich zueinander beabstandet angeordnet, d. h. jede der Scheiben des Rotors ist von einer benachbarten Scheibe des Stators beabstandet. Hierdurch ergibt sich eine kompakte, aber dennoch effizient wirkende Bauform. Typischerweise sind mehrere Scheiben des Rotors auf einer Welle angeordnet, die mittig in der Scheibe des Stators bzw. in den Scheiben des Stators gelagert ist. Der Rotor und der Stator sind also vorzugsweise in einer koaxialen Anordnung vorgesehen, wobei jeweils eine Rotorscheibe am Anfang und am Ende der Welle vorgesehen sein kann. Die Rotorscheiben sind hierbei an der Welle befestigt, während die Statorscheiben an einer Grundplatte und bzw. oder einem Gehäuse befestigt sein können. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Statorscheiben an der Welle befestigt sind und die Rotorscheiben an der Grundplatte und bzw. oder an dem Gehäuse angebracht sind.
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Die Permanentmagnete auf dem Rotor sollten in einem Abstand zum Mittelpunkt der Rotorscheibe angeordnet sein, in dem auch die Wicklung auf dem Stator angeordnet ist, so dass die Permanentmagnete und die Wicklung korrespondieren. Die Rotorscheibe selbst kann aus einem Werkstoff sein, der nicht ferromagnetisch ist. Typischerweise ist der Werkstoff ein Kunststoff und die Rotorscheibe wird durch ein Spitzgussverfahren hergestellt. Die mindestens zwei Permanentmagnete sind typischerweise auf der Rotorscheibe angeordnet oder in die Rotorscheibe eingebracht. Eine Oberseite eines der Permanentmagnete kann hierbei bündig mit einer Oberfläche der Rotorscheibe abschließen.
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Vorzugsweise sind die Permanentmagnete auf mindestens einer Kreisbahn auf der Rotorscheibe angeordnet und weisen einen identischen Abstand zu einem Mittelpunkt auf. Sofern mehr als zwei Permanentmagnete vorgesehen sind, können die Permanentmagnete auch auf zwei, drei oder mehr Kreisbahnen angeordnet sein.
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Um einen elektrischen Motor auszubilden, können drei Rotorscheiben vorgesehen sein, die koaxial zueinander angeordnet sind und zwischen denen jeweils eine Scheibe des Stators angeordnet ist. Hierdurch wird eine mehrphasige, vorzugsweise dreiphasige Ansteuerung ermöglicht. Da bei konventionellen Motoren oder Generatoren zur Verstärkung eines Magnetfelds ein Eisenrückschluss vorgesehen ist, der bei der vorliegenden Erfindung gerade entfällt, ist ein Leistungsgewinn größer, wenn ein durch den Eisenrückschluss bedingtes zusätzliches Gewicht durch eine Statorscheibe und Rotorscheibe geringeren Gewichts ersetzt wird. Vorzugsweise umfasst der Rotor mindestens vier Scheiben, die koaxial zueinander angeordnet sind und zwischen denen jeweils eine Scheibe des Stators angeordnet ist, so dass ein elektrischer Generator bzw. Motor realisiert wird. Durch diesen modularen Aufbau wird eine Variabilität der elektrischen Maschine erhöht. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete des Rotors auf einzelnen, kreisförmigen oder ringförmigen Modulen angeordnet sind, wobei einzelne der Module sich zu einer kompletten Rotorscheibe kombinieren lassen. Dies ermöglicht es, beliebige Kombinationen von Permanentmagneten für den Rotor schnell einstellen zu können und somit die Leistung der elektrischen Maschine anzupassen.
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Vorzugsweise sind die Permanentmagnete nur, d. h. ausschließlich auf dem Rotor angeordnet und der Stator ist frei von Permanentmagneten. Hierdurch kann ein Magnetfeld am Stator ausschließlich durch die Wicklung ausgebildet werden. Rotor und Stator sind typischerweise räumlich zueinander beabstandet angeordnet, damit der Rotor sich gegenüber dem Stator drehen kann.
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Vorzugsweise verfügt die elektrische Maschine über eine elektrische Stromquelle und bzw. oder eine elektrische Spannungsquelle, an die der elektrisch leitfähige Draht angeschlossen werden kann bzw. ist. Der elektrisch leitfähige Draht wird typischerweise derart an die Stromquelle bzw. die Spannungsquelle angeschlossen, dass die in radialer Richtung angeordneten, auf verschiedenen Seiten zumindest bereichsweise übereinander liegenden Abschnitten in mindestens einem dieser, typischerweise in allen dieser Abschnitte jeweils in gleicher Richtung von dem elektrischen Strom durchflossen werden, so dass sich eine entsprechend gerichtete Lorentzkraft ausbildet.
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Die elektrische Stromquelle bzw. die elektrische Spannungsquelle kann gepulst betrieben werden, so dass die Wicklung von Pulsen des elektrischen Stroms durchflossen wird. Es kann auch eine Steuereinheit an dem elektrischen Motor vorgesehen sein. Diese Steuereinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, die Pulse des elektrischen Stroms derart zu steuern, dass der elektrische Strom in der Wicklung minimiert wird, wenn die in radialer Richtung angeordneten Abschnitte fluchtend über den Permanentmagneten liegen, während der elektrische Strom hinsichtlich seiner Stromstärke begrenzt wird, wenn die in radialer Richtung angeordneten Abschnitte keinen der Permanentmagneten in Draufsicht überdecken.
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Typischerweise sind bei Vorsehen von drei Statorscheiben die Wicklungen dieser Statorscheiben derart mit der elektrischen Stromquelle bzw. Spannungsquelle verbunden, dass ein Phasenwinkel eines elektrischen Stroms in einer der Wicklungen der drei Scheiben des Stators jeweils eine Differenz von 120° gegenüber einem elektrischen Strom, der in einer Wicklung einer der anderen Scheiben des Stators fließt, aufweist. Hierdurch kann ein dreiphasiger Betrieb ermöglicht werden.
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Die Permanentmagnete können alle eine identische Form und bzw. oder Größe aufweisen, aber auch zumindest paarweise verschieden sein. Insbesondere kann zumindest einer der Permanentmagnete eine von den übrigen Permanentmagneten abweichende Form bzw. Größe aufweisen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die elektrische Stromquelle zum Versorgen der Wicklungen des Stators mit elektrischem Strom vorgesehen ist und die Wicklung auf einer Oberfläche des Stators einen Phasenwinkel aufweist, der gegenüber dem elektrischen Strom, der in der auf der anderen Oberfläche des Stators angeordneten Wicklung fließt, eine Differenz des Phasenwinkels von zwischen 80° und 100°, vorzugsweise 90° aufweist.
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Die Wicklung kann derart angeordnet sein, dass ein dem Mittelpunkt der Statorscheibe am nächsten liegender Punkt der einen Wicklung radial unterhalb eines in Bezug auf diesen Mittelpunkt mittig zwischen dem am nächsten liegenden Punkt und dem am weitesten entfernt liegenden Punkt liegenden Punkt der Wicklung auf der anderen Oberfläche angeordnet ist. Als Definition für einen Phasenwinkel von 360° kann im Rahmen dieser Schrift gelten, dass ein Abstand zwischen zwei oder drei der in radialer Richtung angeordneten Abschnitte der Wicklung dem Phasenwinkel von 360° entsprechen sollen.
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Typischerweise ist die Wicklung aus mindestens zwei einzelnen, auf einer der Oberflächen parallel zueinander verlaufenden Drähten aufgebaut. Hierdurch kann ein elektrischer Stromfluss entsprechend eingestellt werden und dennoch eine kompakte Bauform realisiert werden.
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Die Wicklung kann aus einem Flachdraht aufgebaut sein. Der Flachdraht ist hierbei derart angeordnet, dass eine breitere seiner Flächen parallel zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine verläuft, um die der Rotor drehbar gelagert ist. Als Flachdraht soll hierbei insbesondere jeder Draht aufgefasst werden, der im Querschnitt, also parallel zu seiner Längsachse einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist, bei dem typischerweise eine Breite größer ist als eine Dicke. Vorzugsweise ist die Breite wenigstens doppelt so groß wie die Dicke. Der Flachdraht kann aus Aluminium, vorzugsweise eloxiertem Aluminium, Kupfer oder aus einer anderen elektrisch leitfähigen Legierung oder einem Metall ausgebildet sein. Der Flachdraht wird vorzugsweise knickfrei gewickelt, um die Wicklung auszubilden, so dass der elektrische Widerstand minimal ist und ein Ausbilden elektrischer Wirbelströme möglichst unterbunden wird. Es kann auch vorgesehen sein, den Flachdraht (der typischerweise zwischen 2 mm und 10 mm, vorzugsweise 5 mm breit ist) mehrlagig zum Ausbilden der Wicklung aufzubringen.
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Typischerweise ist die Wicklung in einer Aussparung des Stators fixiert. Indem die Statorscheibe eine Aussparung zur Aufnahme des die Wicklung bildenden Drahts aufweist, kann der Draht auch mehrlagig und somit kompakt aufgebracht werden. Die Fixierung kann hierbei eine mechanische Fixierung durch mindestens eine Klemme oder einen Vorsprung, um den der Draht geführt wird, aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch die Aussparung durch ein Harz oder einen Klebstoff gefüllt werden, um den Draht ortsfest zu halten.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Wicklung mindestens vier Schleifen ergibt, indem auf jeder der Seiten der Statorscheibe zwei Schlaufen angeordnet sind, die sich in Draufsicht zu den vier Schleifen verbinden.
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Die mäanderförmige Wicklung kann eine periodische Form aufweisen, das heißt, dass sich eine Struktur der Wicklung in vorgegebenen räumlichen Abständen wiederholt. Vorzugsweise ist jede der Schleifen des Mäanders identisch aufgebaut, so dass eine rotationssymmetrische Anordnung der Wicklung auf dem Stator gegeben ist, die in anderen Worten eine Wellenform aufweist.
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Ein Wechsel der Wicklung von einer Seite des Stators zu der anderen Seite erfolgt typischerweise durch einen Durchbruch oder mehrere Durchbrüche in der Statorscheibe. Diese Durchbrüche können in unterschiedlichem Abstand zum Mittelpunkt des scheibenförmigen Stators angeordnet sein. Vorzugsweise ist wenigstens ein Durchbruch an einer Position angeordnet, an der die Wicklung einen minimalen Abstand zu dem Mittelpunkt oder einen maximalen Abstand zu dem Mittelpunkt aufweist. Der Durchbruch kann aber auch mittig zwischen den beiden letztgenannten Positionen angeordnet sein. In bevorzugter Weise erfolgt ein Wechsel der Seite periodisch, typischerweise nach jeder Schlaufe oder jeder Schleife der Wicklung.
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In bevorzugter Weise ist die Wicklung abwechselnd auf einer der beiden Oberflächen des Stators angeordnet, wobei die beiden Oberflächen jeweils einen Wickelkörper aufweisen, auf dem die Wicklung aufgewickelt ist. Die Wicklung ist hierbei typischerweise von einer Oberfläche mindestens einmal radial durch einen Durchbruch der Aussparung geführt und auf dem Wickelkörper der gegenüberliegenden Oberfläche gewickelt.
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Die beschriebene elektrische Maschine kann in Scheibenläuferbauweise und bzw. oder in Axialflussbauweise ausgeführt sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Wicklung genausoviele Schlaufen aufweist, wie Permanentmagnete am Rotor vorgesehen sind. Alternativ kann auch eine Zahl der Schlaufen ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl der Permanentmagnete sein oder die Zahl der Permanentmagnete ein ganzzahliges Vielfaches der Zahl der Schlaufen der Wicklung. Alternativ kann das Verhältnis auch 3:4 oder ein ganzzahliges Mehrfaches davon sein. Die Zahl der Schlaufen der Wicklung und die Zahl der Permanetmagnete soll hierbei paarweise für jeweils eine Statorscheibe und eine benachbarte Rotorscheibe betrachtet werden, falls mehrere Rotorscheiben und bzw. oder mehrere Statorscheiben vorgesehen sind. Die Rotorscheiben können jeweils einen identischen Aufbau, d. h. insbesondere eine gleiche Anzahl an Permanentmagneten, aufweisen, es kann aber auch vorgesehen sein, dass mindestens eine der Rotorscheiben einen von den anderen Rotorscheiben verschiedenen Aufbau, beispielsweise eine reduzierte oder erhöhte Anzahl der Permanentmagneten aufweist. In gleicher Weise können auch alle Statorscheiben identisch aufgebaut sind, insbesondere im Hinblick auf die Anzahl der Schlaufen, es können aber auch mindestens eine der Statorscheiben einen von den anderen Statorscheiben verschiedenen Aufbau aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 bis 16 erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische seitliche Ansicht einer elektrischen Maschine;
- 2 eine Draufsicht auf einen Rotor;
- 3 eine 2 entsprechende Ansicht eines Stators;
- 4 eine 3 entsprechende Ansicht eines Stators, bei dem eine Wicklung abwechselnd auf verschiedenen Seiten verläuft;
- 5 eine 3 entsprechende Ansicht eines Stators, bei dem eine Wicklung mehrfach umlaufend auf einer Schlaufe eines Mäanders angeordnet ist;
- 6 eine 3 entsprechende Ansicht eines Stators, bei dem zwei Wicklungen versetzt zueinander auf verschiedenen Seiten angeordnet sind;
- 7 eine 3 entsprechende Ansicht eines Stators, bei dem Wicklung in einer Aussparung einer Statorscheibe befestigt ist;
- 8 eine 2 entsprechende Ansicht eines Rotors mit unterschiedlich geformten Permanentmagneten;
- 9 eine 3 entsprechende Ansicht eines Stators mit zwei auf verschiedenen Seiten verlaufenden Wicklungen;
- 10 eine schematische Ansicht einer Mehrfachwicklung;
- 11 eine schematische Ansicht einer periodischen Wicklung;
- 12 eine 11 entsprechende Ansicht einer periodischen Wicklung mit einem Wechsel der Seiten;
- 13 eine Draufsicht auf einen Draht, der über einem Permanentmagneten angeordnet ist;
- 14 eine 13 entsprechende Ansicht des Drahts, der neben dem Permanentmagneten angeordnet ist;
- 15 eine Draufsicht auf einen Stator mit Wickelkörpern und
- 16 eine Schnittansicht des Stators mit aufgewickeltem Flachdraht.
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In 1 ist in einer schematischen Ansicht eine bürstenlose elektrische Maschine ohne Eisenrückschluss in Scheibenläufer- und Axialflussbauweise dargestellt. In einem Gehäuse 6, das aus einem Kunststoff oder einem Metall ausgebildet sein kann, ist auf Kugellagern 5 eine Welle 4 geführt. Auf der Welle 4 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel insgesamt vier scheibenförmige Rotoren 2 parallel zueinander befestigt. An jedem der Rotoren 2 sind mindestens zwei Permanentmagnete 31 und 31 in wechselseitiger Ausrichtung angeordnet, d. h. dass mindestens ein Nordpol eines der Permanentmagnete 31, 32 und mindestens ein Südpol eines der Permanentmagnete 31, 32 in verschiedene Richtungen weisen. Zwischen den Rotorscheiben 2 ist jeweils ein scheibenförmiger Stator 1 angebracht, der mit dem Gehäuse 6 verbunden. In jeder der Statorscheiben 1 ist eine Wicklung eines elektrisch leitfähigen Drahts geführt, die bei Anlegen eines elektrischen Stroms durch die Lorentzkraft mit den Permanentmagneten 31, 32 in Wechselwirkung tritt und somit die Rotoren 2 sich gegenüber dem Stator 1 und dem Gehäuse 6 drehen. Die Statorscheiben 1 sind ebenfalls parallel zueinander und parallel zu den Rotorscheiben 2 angeordnet. Die Statorscheiben 1 und die Rotorscheiben 2 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Kunststoff, können aber auch aus anderen Werkstoffen aufgebaut sein. Vorzugsweise werden jedoch Werkstoffe verwendet, die keine ferromagnetischen Eigenschaften zeigen. In weiteren Ausführungsbeispielen können auch die Statorscheiben 1 und die Rotorscheiben 2 zwischen zwei Scheiben aus Mu-Metall auf der Welle 4 angeordnet sein.
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Auch wenn in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier Rotoren 2 verwendet werden, so kann, beginnend mit wenigstens einem einzigen Rotor 2 eine beliebige Anzahl an Rotoren 2 und ebenso eine beliebige Anzahl an Statoren 1 in weiteren Ausführungsbeispielen vorgesehen sein. Um einen dreiphasigen elektrischen Motor bereitzustellen, sind drei Rotorscheiben 2 parallel zueinander angeordnet. Bei Hinzufügen einer vierten Rotorscheibe 2 kann ein elektrischer Generator gebaut werden. Die Wicklungen der Statorscheiben 1 sind vorzugsweise identisch zueinander aufgebaut und in Draufsicht fluchtend übereinander liegend, um ein generiertes Magnetfeld zu bündeln.
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Lediglich schematisch ist eine Steuereinheit 13 in 1 dargestellt, die eine Stromquelle bzw. eine Spannungsquelle umfasst, mit der die Wicklung des Stators 1 mit einem gepulsten elektrischen Strom versorgt werden kann.
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2 zeigt einen der Rotoren 2 in Draufsicht. Wiederkehrende Merkmale sind in dieser Figur wie auch in den folgenden Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel einer Rotorscheibe 2 ist zylinderförmig, d. h. in Draufsicht kreisförmig und umlaufend um die Welle 4, auf der der Rotor 2 befestigt ist, sind in einem jeweils identischen Abstand zu einem Mittelpunkt der Rotorscheibe 2 mehrere Permanentmagnete 31 und 32 mit wechselnder Polarität angeordnet. Ein Paar benachbarter Permanentmagnete 31, 32 weist somit jeweils einen Nordpol und einen Südpol auf, die in Richtung einer der Statorscheiben 1 weisen.
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In weiteren Ausführungsformen können die Permanentmagnete 31, 32 auch in unterschiedlichem Abstand zum Mittelpunkt der Rotorscheibe 2 angeordnet sein.
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Eine Statorscheibe 1 mit der Wicklung 7 des elektrisch leitfähigen Drahts ist in 3 in Draufsicht dargestellt. Die Statorscheibe 1 ist ebenfalls zylinderförmig, also in Draufsicht kreisförmig. Auf der Statorscheibe 1 ist umlaufend um den Mittelpunkt der Scheibe die Wicklung 7 in Mäanderform aufgebracht. Hierbei bildet der Mäander mehrere Schlaufen 10 aus, die jeweils aus zwei in radialer Richtung verlaufenden Abschnitten 8 und einem in tangentialer Richtung verlaufendem Abschnitt 9 bestehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein einzelner Draht zum Ausbilden der Wicklung 7 auf einer ersten Oberfläche 33 bzw. Seite der Statorscheibe 1 angeordnet sowie räumlich getrennt von der Wicklung 7 auf einer zweiten Oberfläche 34, die der ersten Oberfläche 33 gegenüberliegt. Die erste Oberfläche 33 und die zweite Oberfläche 34 stehen hierbei senkrecht auf einer Rotationsachse des Rotors 2. Eine durchgezogene Linie der Wicklung 7zeigt hierbei die Wicklung 7 auf einer einem Betrachter zugewandten Seite an, während eine gestrichelte Linie die Wicklung 7 auf einer dem Betrachter abgewandten Seite kennzeichnet.
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Wie in 3 gezeigt, ergänzen sich die auf den verschiedenen Seiten der Statorscheibe 1 angeordneten Wicklungen 7 derart, dass in Draufsicht geschlossene Schleifen an den Schlaufen 10 ausgebildet werden, an denen sich ein jeweils von Schleife zu Schleife unterschiedlich gerichtetes Magnetfeld bei Anlegen eines elektrischen Stroms ausbildet, so dass eine Wechselwirkung mit den Permanentmagneten 31, 32 des Rotors 2 möglich ist. Hierzu verlaufen die auf verschiedenen Seiten angeordneten Wicklungen 7 zumindest bereichsweise in radialen Abschnitten 8 parallel zueinander und sind insbesondere fluchtend übereinander angeordnet. Eine Anzahl der ausgebildeten Schleifen entspricht hierbei vorzugsweise einer Anzahl der Permanentmagneten 31, 32. Generell können alle Statorscheiben 1 der in 1 wiedergegebenen elektrischen Maschine und alle Rotorscheiben 2 jeweils identisch aufgebaut sein, es kann aber auch zumindest eine der Statorscheiben 1 und bzw. oder eine der Rotorscheiben 2 eine von den anderen Scheiben abweichende Konfiguration aufweisen. Die Statorscheibe 1 und bzw. oder Rotorscheibe 2 ist hierbei vorzugsweise aus einem Kunststoff oder einem anderen nicht ferromagnetischen Werkstoff ausgebildet.
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In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Statorscheibe 1 dargestellt, bei der die Statorscheibe 1 Durchbrüche 12 aufweist, an denen der die Wicklung 7 bildende Draht von einer Seite der Statorscheibe 1 auf die andere Seite der Statorscheibe 1 geführt wird. Die Wicklung 7 ist periodisch aufgebracht und auch die Durchbrüche 12 sind periodisch angeordnet, im dargestellten Ausführungsbeispiel stets mittig an einem von dem Mittelpunkt der Statorscheibe 1 einen maximalen Abstand aufweisenden tangentialen Abschnitt 9. 4 ist eine schematische Darstellung, bei der die Wicklung 7 nur bereichsweise eingezeichnet wurde, aber natürlich wiederum umlaufend ausgebildet ist. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Durchbrüche 12 aber auch an anderen Positionen angeordnet sein, beispielsweise mittig an einem einen minimalen Abstand aufweisenden tangentialen Abschnitt 9 oder an einem radialen Abschnitt 8.
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Wie in 5 wiederum in einer schematischen Abbildung wiedergegeben, kann zumindest eine der Wicklungen 7 wenigstens eine der Schlaufen 10 des Mäanders mehrfach umlaufen, so dass sich bereits auf einer Seite der Statorscheibe 1 eine Schleife ausbildet. Die Wicklung 7 ist auch in diesem Ausführungsbeispiel vollständig umlaufend, jedoch aus Übersichtsgründen nur bereichsweise eingezeichnet. In bevorzugter Weise sind alle Schlaufen 10 des Mäanders mehrfach durchlaufen, wobei der die Wicklung 7 bildende elektrische Draht nach einer Schlaufe 10 jeweils die Seite wechselt.
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Um ein hohes anfängliches Drehmoment zu generieren, können die Wicklungen 7 auf den beiden Seiten der Statorscheibe 1 auch zueinander versetzt angeordnet sein, wie in 6 in einer 3 entsprechenden Draufsicht gezeigt ist. Hierbei sind die in radialer Richtung angeordneten Abschnitte 8 der einen Wicklung 7 nicht mit den entsprechenden Abschnitten 8 der anderen Wicklung 7 übereinanderliegend ausgeführt, aber die in tangentialer Richtung angeordneten Abschnitte sind zumidnest bereichsweise übereinander liegend. Hierdurch kann eine Differenz der Phasenwinkel von 90° zwischen auf verschiedenen Oberflächen der Statorscheibe 1 angeordneten Wicklungen 7 erreicht werden, so dass stets ein Drehmoment wirkt und ein Anfahren der Maschine erleichtert wird. Auch in 7 ist aus Gründen einer erleichterten Übersicht die Wicklung 7 nicht vollständig umlaufend eingezeichnet.
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Der die Wicklung 7 bildende Draht ist bevorzugt rein mechanisch durch Klemmen in einer Aussparung 11 in der Statorscheibe 1 geführt und befestigt. In weiteren Ausführungsbeispielen kann der Draht aber auch in die Aussparung 11 eingeklebt oder auf einer Statorscheibe 1 ohne Aussparung 11 durch Klemmen oder Kleben befestigt sein. Eine Führung in der Aussparung 11 ist allerdings insbesondere dann sinnvoll, wenn die Wicklung 7 aus mehreren einzelnen, parallel zueinander geführten Drähten aufgebaut ist. 7 ist eine schematische Darstellung, die Aussparung sowie die Wicklung sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Realität vollständig umlaufend auf der Statorscheibe 1 ausgebildet.
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Der Draht selbst ist typischerweise ein Flachdraht aus eloxiertem Aluminium, dessen breitere Seite parallel zu der Welle 4 geführt ist. Durch diese Anordnung kann eine knickfreie Wicklung auf beliebigen Seiten der Statorscheibe 1 realisiert werden.
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Die Rotorscheibe 2 kann auch modular aus mehreren einzelnen, bündig ineinander einsetzbaren Scheiben aufgebaut sein, wie in 8 in Draufsicht gezeigt. Die Permanentmagnete 31 und 32 müssen auch keine identische Form aufweisen, sondern können in Draufsicht kreisförmig, rechteckig, insbesondere quadratisch oder kreisbogenförmig sein. Die Permanentmagnete 31 und 32 sind hierbei derart in der Statorscheibe 1 gelagert, dass ihre Oberfläche bündig mit der Oberfläche der Statorscheibe 1 abschließt, sie können aber in weiteren Ausführungsbeispielen auch aus der Statorscheibe 1 herausragen.
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9 zeigt zum Verdeutlichen des Wirkprinzips eine Rotorscheibe 2 mit jeweils einer Wicklung 7 auf verschiedenen Seiten. Jede der Wicklungen 7 weist lediglich zwei Schlaufen 10 auf, die in den durch die Pfeile angedeuteten Richtungen von einem elektrischen Strom durchflossen werden. Da ein Stromfluss in den radialen Abschnitten 8 in jeder der beiden Wicklungen 7 gleichgerichtet ist, bildet sich in jeder der Schleifen ein Drehmoment aus, das mit den Permanentmagneten 31, 32 wechselwirken kann und eine Drehmomentdichte wird erhöht bei reduziertem Materialeinsatz und entsprechender Gewichtseinsparung.
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In den 10 bis 12 sind in einer schematischen Draufsicht nochmals verschiedene Konfigurationen der Wicklung 7 gezeigt. In 10 ist jede Schlaufe 10 mehrfach von dem Draht umwickelt, was mit dem bereits beschriebenen Flachdraht besonders einfach geht, bevor der Draht durch einen Durchbruch 12 auf eine andere Seite der jeweiligen Statorscheibe 1 geführt wird.
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Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wicklungen 7 mäanderförmig und um 180° zueinander versetzt auf verschiedenen Seiten der der Statorscheibe 1 angeordnet. Auch wenn der verwendete Draht in der Regel mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen ist, so sind beachbarte, in radiale Richtung weisende Abschnitte 8 des Drahts voneinander beabstandet, also nicht in unmittelbar berührendem Kontakt.
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12 schließlich zeigt eine periodische Anordnung der Wicklungen 7 auf verschiedenen Seiten der Statorscheibe 1, wobei an den Durchbrüchen 12 jeweils ein Wechsel des Drahts von einer Seite auf die nächste erfolgt.
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In den 13 und 14 ist in Draufsicht ein Teil des die Wicklung 7 bildenden elektrisch leitfähigen Drahts in verschiedenen Relativpositionen zu einem der Permanentmagnete 32 gezeigt. Während in 13 der Draht mittig oberhalb des Permanentmagneten 32 liegt, wird der Permanentmagnet 31, 32 in 14 gar nicht mehr von dem Draht überdeckt. Die Steuereinheit 13 kann derart eingestellt sein, dass sie bei der in 13 gezeigten Situation, in der ein in dem Draht induzierter Strom maximal ist, keinen elektrischen Stromfluss im Draht erlaubt, während sie bei einem Weiterbewegen des Drahts in die in 14 gezeigte Position den Stromfluss erhöht bis er bei der in 14 gezeigten Position sein Maximum erreicht.
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15 zeigt in einer perspektivischen Ansicht die Statorscheibe 1 mit den zwei Oberflächen 34 und 35 sowie einem Wicklungskörper 35, auf den die Wicklung eingebracht ist. Der Wicklungskörper 35 ist ein Grundkörper der Statorscheibe 1, in den Aussparungen 11 zum Aufnehmen der Wicklung 7 eingebracht sind.
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In 16 ist eine Schnittansicht der Scheibe des Stators 1 gezeigt, bei der in Aussparungen 11 ein Flachdraht als Wicklung 7 aufgebracht ist. Durch einen Durchbruch 7 wird der Flachdraht von einer der Oberflächen 33 auf die andere der Oberflächen 34 geführt. Eine im Querschnitt längere Seite des Flachdrahts ist hierbei parallel zu einer Längsachse bzw. einer Drehachse der elektrischen Maschine angeordnet.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015102804 A1 [0002]
