DE102020127172A1

DE102020127172A1 - Elektrischer Scheibenmotor zum Antreiben einer Felge

Info

Publication number: DE102020127172A1
Application number: DE102020127172.7A
Authority: DE
Inventors: Heinz Georg Russwurm; Daniel Kerschgens
Original assignee: Individual
Current assignee: KERSCHGENS, OLIVER, AT; RUSSWURM, HEINZ GEORG, AT
Priority date: 2020-10-15
Filing date: 2020-10-15
Publication date: 2022-04-21
Also published as: CN116670987A; WO2022079088A1; US20230396138A1; EP4229743A1; JP2023545583A

Abstract

Es wird ein Scheibenmotor vorgestellt. Er weist einen Stator und einen Rotor auf. Elektromagnete des Stators sind gekrümmt ausgeführt und wirken gleichzeitig auf zwei Permanentmagnete des Rotors, die in einem Winkel zueinander stehen. Der Rotor weist eine Rotorscheibe auf, die eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist. Außerdem weist die Innenseite eines Rohrabschnittes an der Peripherie der Rotorscheibe zusätzlich eine Mehrzahl von Permanentmagneten auf. Durch die Grundform lassen sich Scheibenmotoren mit innen liegenden Rotoren und außen liegenden Rotoren herstellen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Scheibenmotor, der sich für einen Betrieb direkt in einer Felge eines Fahrzeugs eignet.
Die zunehmende E-Mobilität der Gesellschaft auf der Basis von elektrisch betriebenen Fahrzeugen - beispielsweise im Automobilbau, Motorradbau, E-Bikes, E-Roller etc. - nimmt kontinuierlich zu. Damit nehmen auch die Anforderungen an die elektrischen Antriebe zu. Bisher setzt man überwiegend auf zentrale Elektroantriebe, die über ein Getriebe auf eine oder mehrere Achsen wirken. Diese Antriebsstränge sind klassischen verbrennungsmotorbasierten Antriebskonzepten nachempfunden. Sie bieten aber nicht immer ein optimales Gewicht-/Leistungsverhältnis. Elektromotore, welche direkt an oder in einzelne angetriebene Räder integriert sind, bilden bisher die Ausnahme. Dies liegt unter anderem auch an der bisherigen Bauweise und der begrenzten Effizienz der eingesetzten Konstruktionen.
Beispielsweise beschreibt das Dokument DE 10 2014 111 234 A1 einen Scheibenläufermotor mit mindestens einem Stator, der wenigstens eine elektrische Statorwicklung und Statorzähne aufweist, die einen Zahnhals aus einem weichmagnetischen Pulververbundstoff ausbilden. Darüber hinaus gibt es wenigstens einen scheibenförmigen Rotor, der ausschließlich durch Ferritmagnete gebildete permanentmagnetische Pole wenigstens zur Drehmomentbildung aufweist. Dieser Scheibenläufermotor weist zwar eine relativ kompakte Bauform auf, kann aber in Bezug auf das zur Verfügung gestellte Drehmoment nur bedingt überzeugen.
Es besteht daher ein Bedarf für einen kompakten Scheibenmotor, welcher ein höheres Drehmoment als traditionelle Scheibenläufermotoren entwickeln kann.
Dieser Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Scheibenmotor vorzustellen, der sowohl die Anforderungen in Bezug auf Kompaktheit sowie ein hohes Drehmoment erfüllt.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die oben genannte Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.
Gemäß einem ersten Aspekt wird ein elektrischer Scheibenmotor vorgestellt, der zum Betrieb in einer Felge eines Fahrzeugs geeignet ist.
Der elektrische Scheibenmotor weist einen ersten Rotor und einen ersten Statorring auf. Der erste Rotor weist einen Rotorring auf, der wiederum eine erste ringförmige Oberfläche und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche aufweist, die sich jeweils senkrecht zu einer gedachten Drehachse, die durch einen Mittelpunkt des Rotorringes verläuft, erstrecken.
Der Rotorring weist auch eine erste Mehrzahl von regelmäßig auf einer Kreisbahn in entsprechenden Kreissegmenten_angeordneten Permanentmagnete auf, die sich durch den Rotorring von der ersten Oberfläche in Richtung zur zweiten Oberfläche erstrecken. Dabei verläuft eine Nord-Süd-Ausrichtung der Permanentmagnete der ersten Mehrzahl jeweils parallel zur gedachten Drehachse und jeweils benachbarte Permanentmagnete weisen um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen auf.
Der Rotorring weist weiterhin einen ersten Rohrabschnitt auf, der sich von einer äußeren Peripherie des Rotorringes konzentrisch zur gedachten Drehachse von der ersten ringförmigen Oberfläche weg erstreckt. Dabei weist der erste Rohrabschnitt eine zweite Mehrzahl von regelmäßig auf einer Innenseite des ersten Rohrabschnittes angeordneten Permanentmagneten auf, wobei die erste Mehrzahl zahlenmäßig gleich der zweiten Mehrzahl ist. Eine Nord-Süd-Ausrichtung der Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl verläuft jeweils senkrecht zur gedachten Drehachse und benachbarte Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl weisen jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen auf. Jeweils unterschiedliche Pole der entsprechenden Permanentmagnete der ersten Mehrzahl und der zweiten Mehrzahl im jeweiligen Kreissegment liegen in einem vordefinierten Winkel zueinander. Der Winkel kann 90° oder mehr betragen, z.B. bis ca. 135°.
Der elektrische Scheibenmotor weist weiterhin einen ersten Statorring auf, der eine erste ringförmige Oberfläche und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche aufweist, die sich jeweils senkrecht zu der gedachten Drehachse, die durch einen Mittelpunkt des ersten Statorringes und des Rotors verläuft, erstreckt. Dabei sind die gedachten Drehachsen des ersten Statorringes und diejenige des Rotors identisch.
Der Statorring weist weiterhin eine dritte Mehrzahl von Elektromagneten innerhalb des ersten Statorringes auf, wobei die dritte Mehrzahl zahlenmäßig kleiner als die erste Mehrzahl ist. Die Elektromagnete weisen einen gekrümmten Kern - beispielsweise um 90° oder mehr gekrümmt - auf. Normalvektoren auf den Polen können einen Winkel zueinander aufweisen, der dem vordefinierten Winkel entspricht.
Ein Pol eines der jeweiligen Elektromagnete weist in Richtung einer äußeren umlaufenden Peripherie des ersten Statorringes, und ein entsprechend anderer Pol des jeweiligen Elektromagnetes ist in Richtung der ersten Oberfläche des ersten Statorringes gerichtet.
In dem elektrischen Scheibenmotor befindet sich zwischen den zur Peripherie des Statorringes weisenden jeweiligen Polen der Elektromagnete und der zweiten Mehrzahl der Permanentmagnete auf einer Innenseite des ersten Rohrabschnittes des Rotors ein erster Spalt. Außerdem befindet sich zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche weisenden Polen der Elektromagnete und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten, die einer Ebene der entsprechenden Pole der Elektromagnete gegenüberliegt, ein zweiter Spalt. Damit kann der Rotor frei gegenüber dem Statorring drehbar - zum Beispiel auf einer Achse - sein. Dies ist auch elegant möglich, weil sich die vertikalen und horizontalen Magnetströme den Rotor zentrieren und stabilisieren. Ein ruhiger und stabiler Lauf ist die Folge.
Der vorgestellte Scheibenmotor weist eine Reihe von technischen Effekten und Vorteilen und Verbesserungen auf: Gegenüber traditionellen Scheibenläufermotoren, die in der Regel horizontal ausgerichtete Elektromagnete im Stator aufweisen, kann durch das hier vorgestellte Konzept der gekrümmten Kerne und Wicklungen der Elektromagnete des Stators der Wirkungsgrad des hier vorgestellten Scheibenmotors signifikant erhöht werden. Dies liegt daran, dass, obwohl nur ein Stator und ein Rotorelement verwendet werden, ein Elektromagnet des Stators gleichzeitig auf zwei Permanentmagnete des Rotors, die in einem Winkel zueinander angeordnet sind, wirken kann. Prinzipiell lässt sich damit eine doppelte Leistungsdichte, d.h. ein doppelt so hohes Drehmoment im Vergleich zu gleich großen und ansonsten vergleichbaren Scheibenläufermotoren erreichen. Damit verbessert sich auch das Verhältnis der Kosten der Herstellung im Vergleich zum erzielten Drehmoment.
Gemäß einem anderen Aspekt können im Vergleich zu herkömmlichen Scheibenläufermotoren einfachere Permanentmagnete verwendet werden, die ggfs. auch ohne teure Seltene Erden auskommen, aber auch nur eine geringe Magnetisierung aufweisen. Dies liegt daran, dass gegenüber herkömmlichen Konzepten die doppelte Anzahl von Magneten vorhanden ist und die Elektromagnete sowohl über ihren jeweiligen Nordpol auch über ihren jeweiligen Südpol gleichzeitig Drehmoment erzeugen können. Die kann die Wirtschaftlichkeit des vorgestellten Scheibenmotors signifikant beeinflussen.
Durch die Basis der vorgeschlagenen Konstruktion ergeben sich auch weitere Vorteile wie beispielsweise eine effiziente Kühlung durch die Luftschaufeln auf Innenseiten des Rotors - insbesondere auf der ersten Oberfläche der Rotorscheibe und der Innenseite des Rohrabschnittes der sich von der Rotorscheibe weg und über den Stator erstreckt.
Im Gegensatz zu üblichen Scheibenläufermotoren zeichnet sich das hier vorgestellte Konzept durch sein verbessertes Anlaufverhalten aus. Die zusätzliche Ausrichtung der vertikalen Magnete erleichtert den Anlauf, da sie in Drehrichtung ausgerichtet sind. Herkömmliche Scheibenläufermotoren werden deshalb für eine gute Steuerung mit HallSensoren ausgestattet, was hier entfallen kann. Hallsensoren haben eine begrenzte Lebensdauer und können temperaturempfindlich sein. Dieses Problem wird sicher umgangen.
Die zusätzliche Magnetausrichtung verbessert auch ein mögliches Rekuperationsverhalten, falls der Scheibenmotor bei Bremsvorgängen als Generator eingesetzt wird. Außerdem können durch die vorgestellte Konstruktion herkömmliche Fahrzeuge mit dem hier vorgestellten Konzept nachgerüstet werden, falls auch eine entsprechende Felge genutzt wird. Auf diese Weise ließen sich normale Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor zu Hybridfahrzeugen umrüsten.
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele des elektrischen Scheibenmotors beschrieben:
Gemäß einem weiterentwickelten Ausführungsbeispiel kann der elektrische Scheibenmotor auch einen Abstandsrohrabschnitt aufweisen, der sich zwischen den Elektromagneten und einem Innendurchmesser des ersten Statorringes konzentrisch weg von der ersten Oberfläche des Statorringes erstreckt. Außerdem kann ein zweiter Statorring, der parallel zum ersten Statorring konzentrisch an dem Abstandsrohrabschnitt befestigt ist, vorhanden sein. Dabei kann der zweite Statorring einen Aufbau entsprechend dem ersten Statorring aufweisen, und die erste Oberfläche des ersten Statorringes kann der ersten Oberfläche des zweiten Statorringes gegenüberliegen. Dabei kann der Rotorring zwischen den beiden ersten Oberflächen liegen. Der zweite Statorring wäre also spiegelbildlich zu dem ersten angeordnet.
Weiterhin kann ein zweiter Rohrabschnitt, der sich konzentrisch und symmetrisch zum ersten Rohrabschnitt von der zweiten Oberfläche des Rotors erstreckt und entsprechende Permanentmagnete aufweist, vorhanden sein. Dabei können sich Polausrichtungen der Permanentmagnete auf der Innenseite des ersten Rohrabschnittes und der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes im gleichen Kreissegment jeweils abwechseln, d.h. N-S-N-S-N-S-....
Zusätzlich kann zwischen den zur Peripherie des zweiten Statorringes weisenden jeweiligen Polen der Elektromagnete und der Mehrzahl der Permanentmagnete auf der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes des Rotors ein dritter Spalt vorhanden sein. Außerdem kann zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche weisenden Polen der Elektromagnete des zweiten Statorringes und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten, die einer Ebene der Pole der Elektromagnete des zweiten Statorringes gegenüberliegt, ein vierter Spalt vorhanden sein, sodass der Rotor frei gegenüber den Statorringen drehbar ist.
In diesem Ausführungsbeispiel kann sich der Rotor, der eigentlich aus einer linken und einer rechten Hälfte, die aber fest miteinander verbunden sind, zwischen den beiden Statorelementen, die durch den Abstandsrohrabschnitt voneinander beabstandet sind, drehen (innen laufender Rotor).
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors weist dieser ein erstes Drehlager auf einer Außenseite des Abstandsrohrabschnittes zur Aufnahme einer Innenseite der zur Drehachse weisenden Seite des Rotors auf. An dieser Stelle kann beispielsweise auf dem Abstandsrohrabschnitt ein Rollenlager - oder ein oder mehrere Kugellager - vorgesehen sein, sodass der Rotor drehbar am Abstandsrohrabschnitt gelagert ist.
Gemäß einem alternativen weiterentwickelten Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann dieser zusätzlich einen zweiten Statorring aufweisen, der einen zum ersten Stator identischen Aufbau besitzt, wobei der erste und der zweite Statorring über ihre zweiten Oberflächen fest miteinander verbunden sind. Dabei kann ein Verbindungsring zwischen beiden vorhanden sein oder die beiden zweiten Oberflächen sind direkt miteinander verbunden. Außerdem könnten die beiden Statorringe auch über Stege miteinander verbunden sein, sodass Luft zwischen ihnen hindurchströmen kann, was gut für eine zusätzliche Wärmableitung wäre. Die beiden Statorringe sollten prinzipiell aber spiegelbildlich zueinander angeordnet sein, sodass die Kerne der Elektromagnete jeweils nach außen gerichtet in die jeweils ersten Oberflächen weisen.
Außerdem kann dieses alternative weiterentwickelte Ausführungsbeispiel einen zweiten Rotor aufweisen, der einen zum ersten Rotor identischen Aufbau besitzt, wobei ein peripheres Ende des jeweiligen ersten Rohrabschnittes des ersten Rotors und des zweiten Rotors fest miteinander verbunden ist, sodass ein so entstehender Verbund aus dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor den ersten Stator und den zweiten Stator in einem äußeren Bereich, in dem die beiden ersten Rohrabschnitte miteinander verbunden sind und im Bereich der Peripherie der Statorringe diese umschließen.
In diesem Fall würde der Stator bzw. die beiden Statorhälften innerhalb der beiden Hälften des Rotors, die aber fest miteinander verbunden sind und somit eine Einheit bilden, liegen (außen laufender Rotor). Dabei sei angenommen, dass die Begriffe „Statorring“ und „Stator“ synonym verwendbar sind.
Gemäß einem ergänzenden Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der Rotorring auf einer Oberfläche des Rotorringes, die zum gedachten Mittelpunkt des Rotorringes weist, zusätzlich erste Luftschaufeln aufweisen. Diese können für eine gute Innenbelüftung des elektrischen Scheibenmotors sorgen und ihn so vor einer Überhitzung schützen.
Gemäß einem weiteren ergänzenden Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der Rotorring neben oder zwischen den Permanentmagneten der ersten Mehrzahl zweite Luftschaufeln aufweisen, die sich innerhalb des ersten Spaltes von der ersten Oberfläche des Rotorringes weg erstrecken. Auch diese können für eine zusätzliche gute Innenbelüftung des elektrischen Scheibenmotors sorgen, so dass möglichst viel der heißen Luft, die sich zwischen den Spalten des Scheibenmotors bilden kann, aus dem Scheibenmotor heraus befördert wird.
Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann ein zweites Drehlager - beispielsweise als Rollen- oder Doppelkugellager - auf der Innenseite des Rohrabschnittes vorhanden sein, wobei das zweite Drehlager zur Aufnahme einer, in dem zweiten Drehlager drehbar gelagerten, Nabe angepasst ist. Diese Nabe kann zum Beispiel zu einer Felge eines Fahrzeugs gehören. Die Nabe könnte dann mit einer am Fahrzeug vorhandenen Bremsscheibe fest verbunden werden.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann sich die dritte Mehrzahl zur ersten Mehrzahl wie 3 zu 4 verhalten. Dies würde heißen, dass die Anzahl der Permanentmagnete im Rotor gegenüber der Anzahl der Elektromagnete im Stator höher wäre. So könnten beispielsweise 28 Permanentmagnete im Rotor vorhanden sein, während nur 21 Elektromagnete im Stator vorhanden wären. Dieses Verhältnis hat sich als praktisch für die Funktionsweise des elektrischen Scheibenmotors erwiesen. Allerdings sind auch andere Mehrzahlverhältnisse möglich.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der erste Statorring - beispielsweise auf seiner zweiten Oberfläche - elektrische Anschlüsse - zum Beispiel drei Anschlüsse - aufweisen, die über innerhalb des ersten Statorringes verlaufenden elektrischen Verbindungen mit jeweils ausgewählten der Elektromagneten verbunden sein, sodass z.B. jeweils jeder dritte Elektromagnet gleichzeitig aktivierbar ist. Dabei kann auf ein bekanntes Verfahren zur effektiven elektrischen Verbindung der Elektromagnete und einer entsprechenden Ansteuerung untereinander zurückgegriffen werden.
Gemäß einem zusätzlichen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der Abstandsrohrabschnitt isolierte Durchkontaktierungen aufweisen, die die in dem ersten Statorring und dem zweiten Statorring liegenden elektrischen Verbindungen selektiv miteinander verbinden. Dazu können an dem Abstandsrohrabschnitt und in den Oberflächen der Statorringe beispielsweise Steckverbindungen vorgesehen sein. Auf diese Weise würden sich innerhalb des elektrischen Scheibenmotors keine freiliegenden elektrischen Kabel befinden. Trotzdem wäre ein modularer Aufbau möglich.
Gemäß einem praktikablen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann der erste und/oder der zweite Statorring aus Aluminium, Stahl, Kunststoff inklusive Carbon-Material oder anderen Verbundmaterialien bestehen, in die die Spulen (mit den Kernen) der Elektromagnete und isolierte elektrische Verbindungen einbettbar sind. Beispielsweise könnten die Elektromagnete auf einer ihrer Seiten mit ihren jeweiligen Kernen auf eine vorgegebene Oberfläche fixiert werden. Das jeweilige tragende Material des jeweiligen Stator könnte dann um die Elektromagnete herumgegossen werden. Außerdem ist es möglich, die tragenden Teile des Stators und des Rotors in einem 3D-Druckverfahren herzustellen. In jedem Fall sollte der Stator aus einem Material ausreichender Güte bestehen, um den auftretenden Kräften widerstehen zu können und gleichzeitig Abwärme gut ableiten zu können. Im Gegensatz dazu können die Rotorteile leichtgewichtig dimensioniert werden, da sie durch die potenziell um sie herumliegende Felge zusätzlich stabilisiert werden können. Allerdings ist es auch bei den Rotoren erforderlich, dass die Verbindung zu den jeweiligen - z.B. aufgeklebten oder eingelassenen - Magneten stabil ist, um ein Ablösen der Magnete von den Oberflächen der Rotoren zu verhindern.
Gemäß einem weiterentwickelten Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann ein Befestigungselement, welches sich weg von einer der Oberflächen des Statorringes erstreckt, vorhanden sein, dessen äußerer Anlagepunkt an dem Statorring einen kleineren Abstand zur Drehachse aufweisen sollte als ein innerer Durchmesser eines Rotorringes, und dessen innerer Anlagepunkt an dem Statorring einen größeren Abstand zur Drehachse aufweist als der innere Durchmesser eines Rotorringes. Damit ließe sich das Befestigungselement komplett mit der jeweiligen zweiten Oberfläche des Statorringes verbinden.
Außerdem kann das Befestigungselement so ausgestaltet sein, dass es geeignet ist, mit einem Element eines Fahrzeugs - beispielsweise dem Bremssattel - fest oder wieder lösbar verbunden zu werden. Der Bremssattel könnte eine entsprechende Aufnahmevorrichtung aufweisen.
Dementsprechend und gemäß einem weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann das Befestigungselement geeignet sein, in eine Nut, eine Nase oder eine Bohrung eines Bremssattels einzugreifen, wodurch eine Drehung des Stators oder der Statoren gegenüber dem Bremssattel verhindert wird. Alternativ können auch andere Elemente an einer jeweiligen Achse eines Fahrzeuges dazu genutzt werden, eine Drehung des Stators im aktiven Betrieb zu verhindern. Außerdem könnten die elektrischen Anschlüsse durch oder über das Befestigungselement mit entsprechenden Anschlüssen am Bremssattel oder einem anderen Anschlusspunkt der jeweiligen Achse des Fahrzeuges verbunden sein. Durch eine Führung der elektrischen Anschlüsse innerhalb des Befestigungselementes wären auch an dieser Stelle keine freiliegenden elektrischen Kabel vorhanden.
Durch das einfache Einschieben oder Einstechen des Befestigungselementes in eine entsprechende Nut im Bremssattel kann ein Radwechsel im herkömmlichen Verfahren durchgeführt werden. Außerdem wäre vorstellbar, dass die Felgen vollständig mit den Scheibenmotoren ausgeliefert wurden. Der jeweilige Motor müsste nur über einen Stecker mit der Fahrzeugelektrik/-elektronik verbunden werden.
Gemäß einem besonderen Ausführungsbeispiel kann sich das Befestigungselement senkrecht weg von einer der Oberflächen des Statorringes erstrecken. Alternativ sind auch Befestigungselemente denkbar, welche sich unter vordefinierten Winkeln von der Oberfläche des Startorringes weg erstrecken. „Senkrecht weg erstrecken“ muss nicht zwangsläufig „parallel zur Drehachse“ bedeuten. Das Befestigungselement sollte immer so gestaltet sein, dass ein möglichst großes Drehmoment zwischen dem Stator und dem Bremssattel - oder eines anderen stationären Teils eines Fahrzeuges - übertragen werden kann. Dabei können auch konstruktive Merkmale des Fahrzeuges eine Rolle spielen.
Gemäß einem praktischen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann dieser ein drittes Drehlager - beispielsweise in Form eines Rollenlagers oder Doppelkugellagers - auf einer zur Drehachse weisenden Seite des ersten Rotorringes aufweisen, wobei das dritte Drehlager angepasst ist zur Aufnahme einer, in dem dritten Drehlager drehbar gelagerten, Nabe. Die Nabe kann beispielsweise zu einer Felge gehören, die typischerweise schraubbar an einem Element einer Bremsscheibe befestigt ist. Damit würde eine feste Verbindung zwischen der Felge und der Bremsscheibe bestehen. Der Scheibenmotor würde sich zwischen der Nabe und einer Innenseite des Felgenteils, der den Reifen aufnimmt, befinden.
Dementsprechend und gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann also die Nabe eine Nabe einer Felge sein. Alternativ kann die Nabe ein zum Stator orientierter achssymmetrischer Fortsatz einer Bremsscheibe sein. In beiden Fällen kann der Effekt des Antriebes der Felge durch den Scheibenläufermotor erreicht werden.
Gemäß einem weiteren praktischen Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann eine radiale Oberfläche eines jeweiligen ersten Rohrabschnittes eine oder mehrere Nuten oder Nasen aufweisen (z.B. parallel zur Drehachse), die angepasst sein können, in entsprechende Nasen und Nuten einer Felgeninnenseite einzugreifen. Damit würde sich der Scheibenläufermotor quasi innerhalb der Felge befinden, wobei die Felge mit der Nabe durch die Mitte des Scheibenläufermotors geführt würde und die äußere Peripherie des oder der Rotors/Rotoren in entsprechende Elemente (Nasen, Nuten etc.) der Felge eingreifen.
Gemäß einem ergänzenden Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors sollten jeweilige Kerne und/oder Spulen der jeweiligen Elektromagnete bündig mit den Oberflächen, an die sie angrenzen, abschließen. Damit wird sichergestellt, dass Teile der Elektromagnete nicht über die Oberflächen herausstehen, aus denen sie austreten. Auf diese Weise wird es möglich, möglichst schmale Spalte zwischen den sich bewegenden Teilen zu gewährleisten, wodurch eine hohe Effizienz des Scheibenmotors erreicht wird.
Gemäß einem weiteren ergänzenden Ausführungsbeispiel des elektrischen Scheibenmotors kann das Befestigungselement angepasst sein, elektrische Anschlüsse des jeweiligen Stators aufzunehmen und mit einem Fahrzeug verbindbar zu machen. Die elektrischen Anschlüsse der Elektromagnete des Stators/der Statoren können im Innern des Befestigungselementes geführt werden. Die elektrischen Anschlüsse können als Stecker (oder Buchse) ausgeführt sein und über das Befestigungselement in ein Gegenstück am Fahrzeug (Buchse/Stecker) - beispielsweise am Bremssattel - zum Stromübertrag verbunden werden. Damit ließe sich der Scheibenmotor ohne eine weitere Schraubverbindung nach dem Entfernen der Felge einfach, sowohl von der Felge als auch der Bremsscheibe abziehen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere können einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen, und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrenshinweisen, beschrieben worden sein. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung unmittelbar klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ eines Erfindungsgegenstandes gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnungen dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
Figurenliste

1 stellt eine Grundform des Scheibenmotors mit einem Rotorring und einem Statorring, die voneinander getrennt sind, dar.
2 zeigt ein Schnittbild durch einen Stator mit einem gekrümmten Elektromagneten.
3 stellt den zusammengesetzten Scheibenmotor dar.
4 stellt einen Halbschnitt durch den zusammengesetzten Scheibenmotor gemäß 3 dar.
5 zeigt den Stator zusammen mit einem Abstandsrohrabschnitt.
6 zeigt einen Verbund der beiden Statoren, die durch den Abstandsrohrabschnitt miteinander verbunden sind.
7 zeigt den erweiterten Rotor mit einem zweiten Rohrabschnitt, der sich konzentrisch und symmetrisch zum ersten Rohrabschnitt von der zweiten Oberfläche des Rotors erstreckt.
8 zeigt einen zusammengesetzten Scheibenmotor bestehend aus dem Doppelstator gemäß 6 und dem Rotor gemäß 7.
9 zeigt einen Halbschnitt durch Statoren gemäß einem Ausführungsbeispiel.
10 zeigt zwei aneinander liegende Statoren.
11 zeigt eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels mit einem Rotorteil eines außen liegenden Rotors.
12 zeigt eine Ausführungsform des Scheibenmotors mit außen liegendem Rotor
13 zeigt einen Halbschnitt 1300 des Ausführungsbeispiels des Scheibenmotors mit einem außen laufenden Rotor gemäß 12.
14 zeigt ein Beispiel für Luftschaufeln auf einer Rotorinnenseite.
15. zeigt einer Detailabbildung für Luftschaufeln.
16 zeigt einen Scheibenmotor, dessen Rotor an seiner Außenseite ein Beispiel für eine Verzahnung aufweist.
17 zeigt den Scheibenmotor gemäß 16 eingebaut in eine Felge in Halbschnittdarstellung.
18 zeigt einen Scheibenmotor mit Befestigungselement und einer getrennten Bremssattel/Bremsscheiben-Kombination.
19 zeigt ein an einem Bremssattel eingerastetes Befestigungselement.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Folgende Begriffe und Ausdrücke werden in diesem Dokument genutzt:
Der Begriff „Rotor“ beschreibt den drehbaren Teil eines Elektromotors. Bei dem hier vorgestellten Scheibenmotor in seiner Basisform besitzt der Rotor im Wesentlichen die Form einer Scheibe, die mit Permanentmagneten bestückt ist. Zusätzlich weist der Rotor an der Peripherie der Rotorscheibe einen achssymmetrischen Fortsatz auf, der sich von der Rotorscheibe weg erstreckt und auf seiner Innenseite auch mit Permanentmagneten bestückt sein kann.
Der Begriff „Felge eines Fahrzeugs“ beschreibt einen Reifen tragenden Teil eines Fahrzeugs, z.B. eines PKWs, eines Transporters oder eines LKWs. Denkbar sind aber auch Fahrräder (E-Bikes), E-Roller oder E-Motorräder. Die Felge ist typischerweise mit einem drehbaren Teil am Fahrzeug verbunden, das in oder an der Radaufhängung über die Nabe der Felge gelagert ist. Der Scheibenmotor kann sich innerhalb der Felge befinden und von dieser umschlossen werden. Die Innenseite der Felge kann den Rotor passgenau in sich aufnehmen. Eine Verzahnung kann dafür sorgen, dass eine Kraftübertragung bzw. Drehmomentübertragung vom Scheibenmotor auf die Felge erfolgen kann.
Der Begriff „Rotorring“ beschreibt den inneren Teil eines Rotors des Scheibenmotors. Er kann eine erste und eine zweite Oberfläche besitzen. Permanentmagnete können in regelmäßigen Abständen bzw. regelmäßigen Kreissegmenten in die Oberfläche des Rotorrings eingelassen sein. Die Orientierung der Permanentmagnete wechselt sich zwischen benachbarten Permanentmagneten ab.
Der Begriff „Permanentmagnet“ beschreibt ein Element aus einem ferromagnetischen Material. Das Material der Permanentmagnete, die im vorgestellten Scheibenmotor Verwendung finden, sollte eine hohe Dauermagnetisierung aufweisen, wie es hartmagnetische Materialien von Legierungen aus Eisen, Kobalt, Nickel, Ferriten und anderen Seltenerden der Fall ist.
Der Begriff „Rohrabschnitt“ beschreibt einen Teil eines Rohres, dessen Schnittflächen im Wesentlichen senkrecht zur Längssymmetrie des Rohres verlaufen. Dabei kann die Länge des Rohrabschnittes kleiner sein als sein Durchmesser.
Der Begriff „Statorring“ - in Kurzform Stator - beschreibt ein Grundelement eines Stators des Scheibenmotors. Im Gegensatz zum Rotor steht der Stator fest. Der Statorring kann die gekrümmten Elektromagnete aufnehmen, sodass Pole der Elektromagnete einerseits zur Peripherie des Statorringes weisen und andererseits zu einer Seitenfläche oder einer ersten Oberfläche des Statorringes. Das Material des Statorringes kann z.B. Aluminium oder eine Alaufweisende Legierung oder auch Carbon-Verbundstoffe aufweisen. Der Statorring sollte auch die Fähigkeit haben, Wärme abzuleiten. Es sind auch Materialkombinationen denkbar, in denen die Elektromagnete in größere Öffnungen der Statorscheibe eingelegt werden und dann mit einem Verbundstoff eingegossen werden.
Der Begriff „Abstandsrohrabschnitt“ beschreibt einen Rohrabschnitt, der zur Beabstandung zweier Statoren oder Statorscheiben einsetzbar ist. Er kann auch Bohrungen oder Gewinde aufweisen, mit denen die Statorscheiben an dem Abstandsrohrabschnitt befestigt werden können. Außerdem können durch das Material des Abstandsrohrabschnittes isolierte elektrische Leitungen von einer Statorscheibe zur anderen geführt werden und somit die Elektromagnete selektiv elektrisch verbinden.
Der Begriff „Elektromagnet“ beschreibt hier einen geometrisch besonders gestalteten Elektromagneten. Der Kern des Elektromagneten ist dabei nicht linear gestreckt sondern verläuft auf einer gekrümmten Bahn, z.B. einem Viertelkreis. Damit liegen Oberflächen der Enden des Kerns des Elektromagneten in einem Winkel von z.B. 90° zueinander. Es sind auch andere Winkel möglich, z.B. bis ca. 140°. Insbesondere muss der nach außen zur Peripherie des Statorringes weisende Pol nicht parallel zur Mittelachse des Statorringes verlaufen. Allerdings sollte in einem solchen Fall die Innenseite des Rohrabschnittes des Rotors auch gegenüber der Drehachse gekippt sein, sodass ein weitgehend konstanter Spalt zwischen der Polfläche des Elektromagneten und den Magneten auf der Innenseite des Rohrabschnittes des Rotorringes entsteht. Allerdings könnten auch nur die Oberflächen der Permanentmagnete geneigt sein.
Durch die Mehrzahl der Elektromagnete ist eine effektive Ansteuerung der Elektromagnete erforderlich, um auf möglichst effektive Art den Rotor des Scheibenmotors anzutreiben. Dazu können handelsübliche Steuerungen verwendet werden. Diese können mehrere - insbesondere ausgewählte - der Mehrzahl der Elektromagnete des Statorringes gleichzeitig aktivieren. Typischerweise sind die Elektromagnete elektrisch innerhalb des Statorringes so miteinander verbunden, dass nur drei äußere Anschlüsse erforderlich sind.
Zusätzlich weisen die Elektromagnete Wicklungen auf, die allerdings der Krümmung des gekrümmten Kerns folgen müssen.
Es wird darauf hingewiesen, dass Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten der Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, weitgehend mit den gleichen Bezugszeichen oder mit einem anderen Bezugszeichen versehen sind, welches sich lediglich in seiner ersten Ziffer von dem Bezugszeichen eines (funktional) entsprechenden Merkmals oder einer (funktional) entsprechenden Komponente unterscheidet. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
Ferner wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter Weise miteinander zu kombinieren, sodass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.
1 stellt eine Grundform des Scheibenmotors mit einem Rotorring 116 und einem Statorring 120, die voneinander getrennt sind, dar. Der Rotorring 102 weist eine erste ringförmige Oberfläche 102 und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche 106, die sich jeweils senkrecht zu einer gedachten Drehachse durch einen Mittelpunkt 110 des Rotorringes erstrecken, und eine erste Mehrzahl von regelmäßig auf einer Kreisbahn in entsprechenden Kreissegmenten angeordneten Permanentmagnete 114 (nicht alle Permanentmagnete durch das Bezugszeichen sind gekennzeichnet), die sich durch den Rotorring 102 von der ersten Oberfläche 104 in Richtung zur zweiten Oberfläche 106 erstrecken, auf. Die Permanentmagnete 114 können bis zur zweiten Oberfläche 106 reichen oder auch nur auf der ersten Oberfläche mit dieser bündig abschließen. Dabei verläuft eine Nord-Süd-Ausrichtung der Permanentmagnete 115 der ersten Mehrzahl jeweils parallel zur gedachten Drehachse, und jeweils benachbarte Permanentmagnete 114 weisen jeweils zueinander um 180° gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen auf. D.h., ihre Nord-Süd-Richtung wechselt sich zwischen benachbarten Permanentmagneten 114 jeweils ab.
Außerdem ist an dem Rotorring 102 ein erster Rohrabschnitt 116 befestigt, der sich von einer äußeren Peripherie des Rotorringes 102 konzentrisch zur gedachten Drehachse von der ersten ringförmigen Oberfläche 102 weg erstreckt (in 1 von links nach rechts). Der Rohrabschnitt 116 weist dabei eine zweite Mehrzahl von regelmäßig auf einer Innenseite des ersten Rohrabschnittes 116 angeordneten Permanentmagneten 118 auf. Es sei außerdem darauf hingewiesen, dass das Bezugszeichen 116 auf einer äußeren Peripherie des Rohrabschnittes 116 und damit des Rotorringes 102 dargestellt ist.
Die erste Mehrzahl ist zahlenmäßig gleich der zweiten Mehrzahl; d.h., dass die Anzahl der Permanentmagnete 118 auf der Innenseite des Rohrabschnittes 116 und diejenigen in der ersten Oberfläche 104 des Rotorringes 102 identisch sind und sich jeweils paarweise im gleichen Kreissegment befinden.
Für die Permanentmagnete 118 gilt, dass die Nord-Süd-Ausrichtungen der Permanentmagnete 118 der zweiten Mehrzahl jeweils senkrecht zur gedachten Drehachse verlaufen und benachbarte Permanentmagnete 118 der zweiten Mehrzahl jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen aufweisen. D.h., dass sich die Ausrichtungen von benachbarten Permanentmagneten 118 regelmäßig abwechseln. Außerdem liegen jeweils unterschiedliche Pole der entsprechenden Permanentmagnete 114 der ersten Mehrzahl und der zweiten Mehrzahl (Permanentmagnete 118) im jeweiligen Kreissegment in einem Winkel von beispielsweise 90° zueinander.
Außerdem weist der Scheibenmotor den ersten Statorring 120 auf. Dieser hat eine erste ringförmige Oberfläche 122 und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche (nicht dargestellt), die sich jeweils senkrecht zu der gedachten Drehachse durch einen Mittelpunkt 110 des ersten Statorringes 120 und des Rotors 100 erstrecken, wobei die gedachte Drehachse des ersten Statorringes 120 und diejenige des Rotors 100 identisch sind.
Der Stator 120 weist weiterhin eine dritte Mehrzahl von Elektromagneten (hier nicht direkt sichtbar, da im Inneren des Stators 120 liegend) innerhalb des ersten Statorringes 120 auf. Dabei ist die dritte Mehrzahl zahlenmäßig kleiner als die erste Mehrzahl. Das heißt, dass die Anzahl der Elektromagnete in dem Stator 120 eine geringere Anzahl als die Anzahl der Permanentmagnete in der Oberfläche 104 des Rotorringes 102 (bzw. auf der Innenseite des Rohrabschnittes 116 hat; also praktisch hat sich ein Verhältnis von 3:4 erwiesen, zum Beispiel 21:28. Allerdings sind auch andere Verhältnisse möglich.
Die Elektromagnete weisen einen gekrümmten Kern (z.B. 90° oder auch Winkel bis herunter auf ca. 45°) auf. Ein Pol 126 eines jeweiligen Elektromagneten weist in Richtung einer äußeren umlaufenden Peripherie 124 des ersten Statorringes 120, und ein entsprechender anderer Pol 128 des jeweiligen Elektromagnetes ist in Richtung der ersten Oberfläche des ersten Statorringes 120 ausgerichtet.
So befindet sich zwischen den zur Peripherie 124 des Statorringes 120 weisenden jeweiligen Pole 126 der Elektromagnete und der zweiten Mehrzahl der Permanentmagnete 118 auf der Innenseite des ersten Rohrabschnittes 116 des Rotors 100 ein erster Spalt. Zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche 102 weisenden Polen der Elektromagnete und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten 114, die einer Ebene der entsprechenden Pole der Elektromagnete gegenüberliegt, befindet sich ein zweiter Spalt, sodass der Rotor 100 frei gegenüber dem Statorring 120 drehbar ist.
2 zeigt ein Schnittbild 200 durch einen Stator 120 mit einem gekrümmten Elektromagneten 202. Jeder der Elektromagnete 202 weist einen gekrümmten Kern 204 und eine ihn umgebende entsprechende Wicklung in üblicher Weise auf. Ein jeweiliger Pol 126 der Elektromagnete 202 weist damit in Richtung der äußeren Peripherie 124 des Statorringes 120 und damit in Richtung der Permanentmagnete 118 des Rotors, wenn der Rotor über den Stator geschoben ist. Der andere Pol 128 der Elektromagnete 202 weist dann in Richtung der Permanentmagnete 114, die in die erste Oberfläche 104 des Rotorringes 102 integriert sind.
Der Rotorring kann außerdem abschnittsweise Durchbrüche 208 aufweisen. Diese können für eine bessere Innendurchlüftung des Scheibenmotors sorgen und außerdem eine Gewichtsreduktion bei voller Funktionsfähigkeit gewährleisten.
3 stellt den zusammengesetzten Scheibenmotor 300 dar, der aus dem Rotorring 100 und dem Stator/Statorring 120 - wie oben beschrieben - besteht. Außerdem erkennt man elektrische Anschlüsse 302, die in üblicher Weise innerhalb des Stators mit den Elektromagneten verbunden sind. Die innere Peripherie 304 des Stators 120 kann ein Lager (nicht dargestellt) aufweisen, durch das eine Nabe gesteckt werden kann, die z.B. zu einer Felge oder einer anderen Achse gehört, die durch den Rotorring 100 durch z.B. gegenseitige Verzahnung angetrieben werden kann. Auf diese Weise erübrigt sich ein eigenes Lager für den Rotor 100 (Gewichtsersparnis).
4 stellt einen Halbschnitt 400 durch den zusammengesetzten Scheibenmotor 300 gem. 3 dar. Gut erkennbar ist der 1. Spalt 402 zwischen dem einen Pol des gekrümmten Elektromagneten 202 und den Magneten 118 auf der Innenseite des Rohrabschnittes 116 des Rotors und der 2. Spalt 404 zwischen dem anderen Pol der Elektromagnete 202 und den Permanentmagneten 114 der Rotorscheibe 102.
5 zeigt den Stator 120 zusammen mit einem Abstandsrohrabschnitt 502, der konzentrisch zur Mittelachse des Stators/Statorring 120 mit diesem fest verbunden ist. Dazu kann der Statorring z.B. durch Bohrungen durch den Stator mit Gewinden in den Bohrungen 504 des Abstandsrohrabschnittes 502 verbunden werden.
6 zeigt einen Verbund der beiden Statoren 120 und 602, die durch den Abstandsrohrabschnitt 502 miteinander verbunden sind. Die Bohrung 604 kann als Durchführung für eine Schraubverbindung zum Abstandsrohrabschnitt 502 genutzt werden. Der Abstandsrohrabschnitt 502 kann auch die elektrischen Leitungen für den Stator 120 im Inneren des Abstandsrohrabschnittes 502 aufnehmen. Steckverbindungen 506 können den jeweiligen Stator 120, 602 mit den Leitungen im Inneren des Abstandsrohrabschnittes (z.B. über Buchsen) verbinden.
Der Abstandsrohrabschnitt 502 erstreckt sich zwischen den Elektromagneten und einem Innendurchmesser des ersten Statorringes 120 konzentrisch weg von der ersten Oberfläche des Statorringes.
Der zweite Statorring 602 ist parallel zum ersten Statorring 120 konzentrisch an dem Abstandsrohrabschnitt 502 befestigt. Der zweite Statorring 602 weist einen Aufbau entsprechend dem ersten Statorring 120 auf. Die erste Oberfläche des ersten Statorringes 120 liegt der ersten Oberfläche 120 des zweiten Statorringes 602 gegenüber. Dabei liegt der Rotorring zwischen den beiden ersten Oberflächen der beiden Statoren 102 und 602 (hier noch nicht dargestellt).
Zusätzlich weist - in 7 - nun der erweiterte Rotor 700 einen zweiten Rohrabschnitt 702, der sich konzentrisch und symmetrisch zum ersten Rohrabschnitt 116 von der zweiten Oberfläche 106 des Rotors 100 erstreckt, und entsprechende Permanentmagnete auf, wobei sich Polausrichtungen der Permanentmagnete auf der Innenseite des ersten Rohrabschnittes und der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes 702 im jeweilig gleichen Kreissegment jeweils abwechseln können.
Auch hier liegt zwischen den zur Peripherie des zweiten Statorringes weisenden jeweiligen Polen der Elektromagnete und der Mehrzahl der Permanentmagnete auf der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes des Rotors 100 ein dritter Spalt. Zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche weisenden Pole der Elektromagnete des zweiten Statorringes und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten, die einer Ebene der Pole der Elektromagnete des zweiten Statorringes gegenüberliegt, befindet sich ein vierter Spalt, sodass der Rotor frei gegenüber dem Statorring drehbar ist.
Dieses Ausführungsbeispiel des Rotors ist also symmetrisch zur Rotorscheibe aufgebaut.
Die Permanentmagnete 114 sollten in diesem Ausführungsbeispiel von der einen Oberfläche des Rotorringes zur anderen weisen. Außerdem müssen entsprechende Permanentmagnete in gleichen Kreissegmenten des ersten und des zweiten Rohrabschnittes des Rotors 100 unterschiedliche Pole aufweisen, die jeweils zum Mittelpunkt des Rotors 100 weisen. Damit liegen sich z.B. in einem Winkel von z.B. 90° (andere Winkel s.o.) abwechselnde Pole der Permanentmagnete (114, vgl. 1) der Rotorscheibe und Permanentmagnete (118, vgl. 1) auf Innenseiten der jeweiligen Rohrabschnitte an der Peripherie des Rotors gegenüber.
Zwar ist es möglich, zwei identische Rotoren 100 gemäß 1 mit jeweils einer Rotorscheibe zu nutzen, wie es dargestellt ist; aber praktisch ist auch eine Nutzung einer gemeinsamen Rotorscheibe durch die die Permanentmagnete 114 von einer Oberfläche 104 (vgl. 1) der Rotorscheibe auf die andere (106, vgl. 1) hindurchreichen.
8 zeigt einen zusammengesetzten Scheibenmotor 800 bestehend aus dem Doppelstator 600 gemäß 6 in der Mitte und dem erweiterten Rotor 700 gemäß 7. Ein Zusammenbau des Scheibenmotors 800 ergibt sich als logische Folge: (i) Bereitstellen eines Stators mit einem Abstandsrohrabschnitt, (ii) Aufsetzen des Rotor von einer Seite, (iii) Aufsetzen des zweiten Stators von der gleichen Seite und Verbinden des Stators mit dem Abstandsrohrabschnitt.
Auch hier kann der Rotor durch eine Innenseite einer Felge gehalten werden, sodass die erforderlichen Spalte eingehalten werden und der Rotor frei drehbar bleibt. Die dazu praktischen Nuten auf der Peripherie des Rotors sind nicht dargestellt. Alternativ kann der Rotor auf einem Lager auf dem Abstandsrohrabschnitt laufen
9 zeigt nochmals einen Halbschnitt 900 durch die Statoren, die Lage der gekrümmten Elektromagnete der Statoren 120 und 602 und die beiden Rohrabschnitte 116 und 702 des Rotors 100. Der Rotor dieses Ausführungsbeispiels, der hier aus zwei zueinander symmetrischen Teilrotoren, jeweils bestehend aus dem Rotorring und dem zugehörigen Rohrabschnitt mit den entsprechenden Permanentmagneten, hergestellt werden könnte, kann in seiner Grundstruktur auch einstückig hergestellt sein. Er würde dann aus einer Rotorscheibe und einen im Vergleich zu einem dazugehörigen Rohrabschnitt doppelt breiten Rohrabschnitt, der mittig mit der Rotorscheibe fest verbunden ist, bestehen. In diesem Fall würde die in 9 dargestellte Mittelwand 902 zwischen den beiden Teilrotoren entfallen. Auf diese Weise könnte die Mittelwand in ihrer Dicke auf die Dicke einer einzelnen Rotorscheibe reduziert werden. In diesem Fall wäre für die Rotorscheibe nur die Hälfte der Permanentmagnete in der Rotorscheibe erforderlich. Diese würden sich von der ersten Oberfläche der Rotorscheibe zur zweiten Oberfläche der Rotorscheibe erstrecken. Damit wären weitere Kosten- und Gewichtseinsparungen möglich.
Es ist offensichtlich, dass diese Version des vorgestellten Scheibenmotors als innenlaufende Version bezeichnet wird, da der Rotor sich zwischen den beiden Teilstatoren dreht. Auch hierfür gilt, dass die Zentrierung des Rotors über die Nabe und Felge eines Rades erfolgen kann.
Eine alternative Bauform wird durch außen liegende Rotorelemente beschrieben, die in den folgenden Figuren dargestellt ist. 10 zeigt zwei aneinander liegende Statoren 120 und 602. Der zweite Statorring 602 besitzt einen zum ersten Stator 120 identischen Aufbau. Beide Statorteile des gekoppelten Stators 1000 sind über Ihre jeweils zweiten Oberflächen miteinander verbunden. Jeder der beiden Statoren 120 und 602 weist eine Mehrzahl von gekrümmten Elektromagneten auf, die einerseits aus der jeweiligen umlaufenden Peripherie und andererseits aus einer jeweiligen Außenseite der aneinander liegenden Statoren 120 und 602 austreten. Typischerweise würden die nebeneinanderliegenden und zur Peripherie gerichteten Pole der Elektromagnete jeweils die gleichen Pole aufweisen. Die in 10 Elektromagnetflächen, die mit „N“ und „S“ bezeichnet sind, stellen nur einen temporären Zustand von zwei der Elektromagneten dar, da diese über eine jeweilige Steuerschaltung entsprechend einem vorher festgelegten Schema ein- und ausgeschaltet werden, um den jeweiligen Rotor durch die magnetische Anziehung (oder Abstoßung) zwischen entsprechenden Elektromagneten und Permanentmagneten in Rotation zu versetzen.
11 stellt eine Ansicht 1100 eines Ausführungsbeispiels mit einem Rotorteil 100 eines außen liegenden Rotors dar. Der bereits in 10 vorgestellte Doppelstator 1000 wird in dieser Figur durch einen Rotor 100 halb verdeckt. In 12 verdeckt auch ein zweiter Rotorteil den zweiten Statorteil des Doppelstators 1000. Die beiden Teilrotoren sind entsprechend 1 aufgebaut und können fest miteinander verbunden sein. Alternativ können Sie aber auch durch an der Peripherie verlaufende Nuten oder Verzahnungen durch die Innenseite einer sie umschließenden Felge zentriert gehalten werden.
13 zeigt einen Halbschnitt 1300 durch das Ausführungsbeispiel des Scheibenmotors mit einem außen laufenden Rotor, der aus zwei Teilrotoren 100 besteht. Man erkennt auch deutlich zwei der Mehrzahl der gekrümmten Elektromagnete 202 des Doppelstators 1000, die jeweils auf ein Paar von Permanentmagneten wirken. Einer der Permanentmagnete des Paares befindet sich dabei auf einer der Rotorscheiben und der zugehörige andere Permanentmagnet des Paares befindet sich auf der jeweiligen Innenseite des Rohrabschnittes des jeweiligen Rotorteils.
Die Rotorteile besitzen einen identischen (spiegelsymmetrischen) Aufbau, bei denen ein peripheres Ende des jeweiligen ersten Rohrabschnittes des ersten Rotors und des zweiten Rotors fest miteinander verbunden sind, sodass ein entstehender Verbund aus dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor den ersten Stator und den zweiten Stator in einem äußeren Bereich, in dem die beiden ersten Rohrabschnitte miteinander verbunden sind und im Bereich der Peripherie des Statorringes diesen umschließen.
14 und 15 zeigen am Beispiel 1400 und 1500 des innenlaufenden Rotors gemäß z.B. von 9 auf der Innenseite des Rotors Luftschaufeln 1402, durch die eine effiziente Wärmeabfuhr aus dem Inneren des Scheibenmotors bewirkt werden kann. Derartige Luftschaufeln 1400 lassen sich - wie bereits oben beschrieben - auch an anderen Stellen des Rotors integrieren. Beispiele sind die Oberflächen der Rotorringe 102 oder auch die Innenseiten der Rohrabschnitte 116 und 702 des jeweiligen Rotors. Zusätzlich ließen sich auch Luftschaufeln an der äußeren Peripherie der Rotoren anbringen.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel 1600 eines Scheibenmotors 1602, dessen Rotor 1608 an seiner Außenseite ein Beispiel für eine Verzahnung 1604, 1606 aufweist. Die Erhöhungen 1604 und Vertiefungen 1606 finden ihre Entsprechungen auf einer Innenseite einer Felge, so dass der Rotor 1608 durch die Felge zentriert wird.
17 zeigt ein Ausführungsbeispiel 1700 des Scheibenmotors 1702 gemäß 16, der eingebaut in eine Felge 1704 montiert ist, in Halbschnittdarstellung. Man erkennt auch, dass die Nabe 1706 der Felge 1704 den Scheibenmotor 1702 dadurch aufnimmt, dass der Innendurchmesser der Statoren - bzw. der Innendurchmesser des Scheiben Motors 1702 - dem Narbendurchmesser der Felge 1704 entspricht, sodass sich die Felge in und um den Scheibenmotor 1702 drehen kann. Dabei ist es nicht erforderlich, dass der Rotor sich in einem eigenen Lager dreht, sondern durch die Felge, mit der er verzahnt ist, frei drehend zwischen den Statoren gehalten wird.
18 zeigt ein Ausführungsbeispiel 1800 des einen Scheibenmotors 1802 gehört zwei mit einem Befestigungselement 1806 und einer getrenntem Bremssattel/Bremsscheiben-Kombination. Auch hier ist die Felge 1804 dargestellt, in die der Scheibenmotor 1802 integriert ist. Auf der rechten Seite von 18 ist symbolisch eine Bremsscheibe 1810 mit einem Bremssattel 1808 dargestellt. Die Nabe der Felder 1804 kann in üblicherweise schraubbar mit dem linken Teil der Bremsscheibe verbunden werden. Auf diese Weise kann der Scheibenmotor 1802 innerhalb der Felge fixiert werden. Obwohl in den letzten Ausführungsbeispielen Scheibenmotoren mit innen liegenden Rotoren dargestellt wurden, sind genauso gut Scheibenmotoren entsprechend des hier vorgestellten Konzeptes mit außen laufenden Rotoren einsetzbar.
19 zeigt ein Ausführungsbeispiel 1900 für ein an einem Bremssattel 1808 eingerastetes Befestigungselement 1802. In diesem Fall ist die Felge 1804 - bzw. die Nabe der Felge (nicht dargestellt) an der Bremsscheibe (nicht dargestellt) fixiert. Deutlich sichtbar ist aber, dass das Befestigungselement 1802 in eine Nut des Bremssattels 1808 einrastet und so die Statoren gegenüber einer Drehung auf der Narbe der Felge 1804 wirksam verhindert wird. Alternativ zu einer Nutzung des Bremssattels als Gegenlager für das Befestigungselement 1802, welches hier als winkelförmiges Befestigungselement ausgeführt ist, wären auch andere Komponenten eines Fahrzeuges einsetzbar. Über das Befestigungselement kann der Scheibenmotoren auch mit den notwendigen elektrischen Anschlüssen versorgt werden. Diese können in das Befestigungselement direkt integriert sein (nicht dargestellt).
Die Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wurde zum besseren Verständnis dargestellt, dient aber nicht einer unmittelbaren Einschränkung der erfinderischen Idee auf diese Ausführungsbeispiele. Weitere Modifikationen und Variationen erschließt sich der Fachmann selbst. Die hier genutzte Terminologie wurde so gewählt, um die grundsätzlichen Prinzipien der Ausführungsbeispiele am besten zu beschreiben und sie dem Fachmann leicht zugänglich zu machen.
Die dargestellten Strukturen, Materialien, Abläufe und Äquivalente aller Mittel und/oder Schritte mit zugehörigen Funktionen in den untenstehenden Ansprüchen sind dazu gedacht, alle Strukturen, Materialien oder Abläufe anzuwenden, wie es durch die Ansprüche ausgedrückt ist.
Zusammenfassend bleibt festzustellen: Es wird ein Scheibenmotor vorgestellt, der in seiner Basisform aus einem Stator und einem Rotor besteht. Durch die gebogene Form der Elektromagnete, deren beide Pole jeweils auf Permanentmagnete des Rotors wirken, kann eine vergleichsweise hohe Drehmomentdichte und Leistungsfähigkeit bei geringen Kosten und einem einfachen Aufbau erzeugt werden.
Durch die Möglichkeit die Statoren und Rotoren jeweils doppelt auszulegen, ergeben sich die Möglichkeiten einen Scheibenmotor mit einem innen laufenden Rotor und einem außen laufenden Rotor elegant zu realisieren.
Bezugszeichenliste

100: Rotor
102: Rotorring
104: erste ringförmige Oberfläche des Rotorrings
106: zweite ringförmige Oberfläche des Rotorrings
108: gedachte Drehachse
110: Mittelpunkt
112: erste Mehrzahl von Permanentmagneten
114: Permanentmagnete mit abwechselnder Nord/Süd/Nord/Süd-Ausrichtung
116: Rohrabschnitt
118: zweite Mehrzahl von Permanentmagneten
120: Stator
122: erste ringförmige Oberfläche des Stators
124: äußere umlaufende Peripherie des Stators
126: Pol eines Elektromagneten der dritten Mehrzahl
128: anderer Pol des Elektromagneten der dritten Mehrzahl
200: perspektivischer Halbschnitt des Stators
202: gekrümmter Kern eines der Elektromagnete der dritten Mehrzahl
204: gekrümmter Kern
206: Wicklung
208: Durchbruch
300: zusammengesetzter Scheibenmotor
302: elektrische Anschlüsse
304: innere Peripherie des Stators
400: perspektivischer Halbschnitt durch den zusammengesetzten Scheibenmotor gem. 3
402: 1. Spalt
404: 2. Spalt
500: Stator mit Abstandselement
502: Abstandsrohrabschnitt
504: Bohrung
600: verbundene Statoren
602: zweiter Stator
604: Bohrung
700: erweiterter Rotor mit zweitem Rohrabschnitt
702: zweiter Rohrabschnitt
800: zusammengesetzten Scheibenmotor bestehend aus dem Doppelstator gem. 6 und dem erweiterten Rotor gemäß 7
900: perspektivischer Halbschnitt durch Statoren
902: Mittelwand zwischen Rotorscheiben
1000: gekoppelter oder Doppelstator
1100: Doppelstator mit einseitigem Rotor
1200: Scheibenmotor mit außen liegendem Rotor
1300: Halbschnitt durch Scheibenmotor mit außen liegendem Rotor
1400: Beispiel eines innen laufenden Rotors mit Luftschaufeln
1402: Luftschaufeln
1500: Beispiel eines innen laufenden Rotors mit Luftschaufeln
1600: Ausführungsbeispiel
1602: Scheibenmotoren
1604: Erhöhung
1608: Vertiefung
1700: Ausführungsbeispiel
1702: Scheibenmotoren
1704: Felge
1706: Nabe der Felge
1800: Ausführungsbeispiel
1802: Scheibenmotor
1804: Felge
1806: Befestigungselement
1808: Bremssattel
1810: Bremsscheibe
1900: Ausführungsbeispiel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014111234 A1 [0003]

Claims

Ein elektrischer Scheibenmotor zum Betrieb in einer Felge eines Fahrzeugs, aufweisend - einen ersten Rotor aufweisend - einen Rotorring, aufweisend - eine erste ringförmige Oberfläche und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche, die sich jeweils senkrecht zu einer gedachten Drehachse durch einen Mittelpunkt des Rotorringes erstrecken, - eine erste Mehrzahl von regelmäßig auf einer Kreisbahn in entsprechenden Kreissegmenten angeordneten Permanentmagneten, die sich durch den Rotorring von der ersten Oberfläche in Richtung zur zweiten Oberfläche erstrecken, wobei Nord-Süd-Ausrichtungen der Permanentmagnete der ersten Mehrzahl jeweils parallel zur gedachten Drehachse verlaufen und jeweils benachbarte der Permanentmagnete um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen aufweisen, - einen ersten Rohrabschnitt, der sich von einer äußeren Peripherie des Rotorringes konzentrisch zur gedachten Drehachse von der ersten ringförmigen Oberfläche weg erstreckt, aufweisend - eine zweite Mehrzahl von regelmäßig auf einer Innenseite des ersten Rohrabschnittes angeordneten Permanentmagneten, wobei die erste Mehrzahl zahlenmäßig gleich der zweiten Mehrzahl ist, wobei Nord-Süd-Ausrichtungen der Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl jeweils senkrecht zur gedachten Drehachse verlaufen und benachbarte der Permanentmagnete der zweiten Mehrzahl jeweils um 180° zueinander gedrehte Nord-Süd-Ausrichtungen aufweisen, und wobei jeweils unterschiedliche Pole der entsprechenden Permanentmagnete der ersten Mehrzahl und der zweiten Mehrzahl im jeweiligen Kreissegment in einem vordefinierten Winkel zueinander liegen, - einen ersten Statorring, aufweisend - eine erste ringförmige Oberfläche und eine parallel gegenüberliegende zweite ringförmige Oberfläche, die sich jeweils senkrecht zu der gedachten Drehachse durch einen Mittelpunkt des ersten Statorringes und des Rotors erstrecken, wobei die gedachten Drehachsen des ersten Statorringes und diejenige des Rotors identisch sind, - eine dritte Mehrzahl von Elektromagneten innerhalb des ersten Statorringes, wobei die dritte Mehrzahl zahlenmäßig kleiner als die erste Mehrzahl ist, wobei die Elektromagnete einen gekrümmten Kern aufweisen, und wobei ein Pol eines jeweiligen der Elektromagnete in Richtung einer äußeren umlaufenden Peripherie des ersten Statorringes weist, und ein entsprechender anderer Pol des jeweiligen der Elektromagnete in Richtung der ersten Oberfläche des ersten Statorringes gerichtet ist. wobei sich zwischen den zur Peripherie des Statorringes weisenden jeweiligen Pole der Elektromagnete und der zweiten Mehrzahl der Permanentmagnete auf der Innenseite des ersten Rohrabschnittes des Rotors ein erster Spalt befindet, und wobei sich zwischen den in Richtung der ersten Oberfläche weisenden Pole der Elektromagnete und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten, die einer Ebene der entsprechenden Pole der Elektromagnete gegenüberliegt, ein zweiter Spalt befindet, sodass der Rotor frei gegenüber dem Statorring drehbar ist.
Der Scheibenmotor entsprechend Anspruch 1, zusätzlich aufweisend - ein Abstandsrohrabschnitt, der sich zwischen den Elektromagneten und einem Innendurchmesser des ersten Statorringes konzentrisch weg von der ersten Oberfläche des Statorringes erstreckt, - ein zweiter Statorring der parallel zum ersten Statorring konzentrisch an dem Abstandsrohrabschnitt befestigt ist, wobei der zweite Statorring einen Aufbau entsprechend dem ersten Statorring aufweist, und wobei die erste Oberfläche des ersten Statorringes der ersten Oberfläche des zweiten Statorringes gegenüber liegt, wobei der Rotorring zwischen den beiden ersten Oberflächen liegt, - ein zweiter Rohrabschnitt, der sich konzentrisch und symmetrisch zum ersten Rohrabschnitt von der zweiten Oberfläche des Rotors erstreckt und entsprechende Permanentmagnete aufweist, wobei sich Polausrichtungen der Permanentmagnete auf der Innenseite des ersten Rohrabschnittes und der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes im gleichen Kreissegment jeweils abwechseln, wobei sich zwischen den zur Peripherie des zweiten Statorringes weisenden jeweiligen Pole der Elektromagnete und der Mehrzahl der Permanentmagnete auf der Innenseite des zweiten Rohrabschnittes des Rotors ein dritter Spalt befindet, und wobei sich zwischen den, in Richtung der ersten Oberfläche weisenden Polen, der Elektromagnete des zweiten Statorringes und der ersten Mehrzahl von Permanentmagneten, die einer Ebene der Pole der Elektromagnete des zweiten Statorringes gegenüberliegen, ein vierter Spalt befindet, sodass der Rotor frei gegenüber dem Statorring drehbar ist.
Der Scheibenmotor gemäß Anspruch 1 oder 2, zusätzlich aufweisend - ein erstes Drehlager auf der Außenseite des Abstandsrohrabschnittes zur Aufnahme einer Innenseite des zur Drehachse weisenden Seite des Rotors.
Der Scheibenmotor gemäß Anspruch 1 zusätzlich aufweisend einen zweiten Statorring, der einen, zum ersten Statorring identischen, Aufbau besitzt, wobei der erste und der zweite Statorring über ihre zweiten Oberflächen miteinander verbunden sind, einen zweiten Rotor, der einen zum ersten Rotor identischen Aufbau besitzt, wobei ein peripheres Ende des jeweiligen ersten Rohrabschnittes des ersten Rotors und des zweiten Rotors fest miteinander verbunden sind, sodass ein entstehender Verbund aus dem ersten Rotor und dem zweiten Rotor den ersten Stator und den zweiten Stator in einem äußeren Bereich, in dem die beiden ersten Rohrabschnitte miteinander verbunden sind und im Bereich der Peripherie der Statorringe, diese umschließen.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Rotorring auf einer Oberfläche der Rotorringe, die zum gedachten Mittelpunkt des Rotorringes weist, zusätzlich erste Luftschaufeln aufweist.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Rotorring neben oder zwischen den Permanentmagneten der ersten Mehrzahl zweite Luftschaufeln aufweist, die sich innerhalb des ersten Spaltes von der ersten Oberfläche des Rotorringes weg erstrecken.
Der Scheibenmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, 5 oder 6, zusätzlich aufweisend - ein zweites Drehlager auf der Innenseite des Rohrabschnittes, wobei das zweite Drehlager angepasst ist zur Aufnahme einer in dem zweiten Drehlager drehbar gelagerten Nabe.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die dritte Mehrzahl sich zur ersten Mehrzahl wie 3 zu 4 verhält.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste Statorring elektrische Anschlüsse aufweist, die über innerhalb des ersten Statorringes verlaufende elektrische Verbindungen mit jeweils ausgewählten der Elektromagnete verbunden sind, sodass jeweils jeder dritte der Elektromagnete gleichzeitig aktivierbar ist.
Der Scheibenmotor gemäß einem der Ansprüche 2, 4 bis 9, wobei der Abstandsrohrabschnitt isolierte Durchkontaktierungen aufweist, die die in dem ersten Statorring und dem zweiten Statorring liegenden elektrischen Verbindungen selektiv miteinander verbinden.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der erste und/oder der zweite Statorring aus Aluminium, Stahl oder Carbon-Material besteht, in die die Spulen der Elektromagnete und isolierte elektrische Verbindungen einbettbar sind.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, zusätzlich aufweisend - ein Befestigungselement, welches sich weg von einer der Oberflächen des Statorringes erstreckt, dessen äußerer Anlagepunkt an dem Statorring einen kleineren Abstand zur Drehachse aufweist als ein innerer Durchmesser eines Rotorringes, und dessen innerer Anlagepunkt an dem Statorring einen größeren Abstand zur Drehachse aufweist als der innere Durchmesser eines Rotorringes, wobei das Befestigungselement geeignet ist, mit einem Element eines Fahrzeugs fest oder wieder lösbar verbunden zu werden.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Befestigungselement geeignet ist, in eine Nut, Nase oder eine Bohrung eines Bremssattels einzugreifen, wodurch eine Drehung des Stators oder der Statoren gegenüber dem Bremssattel verhindert wird.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Befestigungselement sich senkrecht weg von einer der Oberflächen des Statorringes erstreckt.
Der Scheibenmotor gemäß einem der Ansprüche 1,4 bis 6, 8, 9, 11 bis 14 zusätzlich aufweisend - ein drittes Drehlager auf einer zur Drehachse weisenden Seite des ersten Rotorringes, wobei das dritte Drehlager angepasst ist zur Aufnahme einer in dem dritten Drehlager drehbar gelagerten Nabe.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Nabe eine Nabe einer Felge ist oder wobei die Nabe ein zum Stator orientierter achssymmetrischer Fortsatz einer Bremsscheibe ist.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine radiale Oberfläche eines jeweiligen ersten Rohrabschnittes eine oder mehrere Nuten oder Nasen aufweist, die angepasst sind, in entsprechende Nasen und Nuten einer Felgeninnenseite einzugreifen.
Der Scheibenmotor gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jeweilige Kerne und/oder Spulen der jeweiligen Elektromagnete sich nicht gegenüber den Oberflächen, an die sie angrenzen, erheben.
Der Scheibenmotor gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei das Befestigungselement angepasst ist, elektrische Anschlüsse des jeweiligen Stators aufzunehmen und mit einem Fahrzeug verbindbar zu machen.