WO2020173829A1 - Elektromotor - Google Patents

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WO2020173829A1
WO2020173829A1 PCT/EP2020/054639 EP2020054639W WO2020173829A1 WO 2020173829 A1 WO2020173829 A1 WO 2020173829A1 EP 2020054639 W EP2020054639 W EP 2020054639W WO 2020173829 A1 WO2020173829 A1 WO 2020173829A1
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WO
WIPO (PCT)
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electric motor
coils
magnets
stator
rotor
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/054639
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gunnar Brink
Gerhard Körner
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Publication of WO2020173829A1 publication Critical patent/WO2020173829A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H02K16/04—Machines with one rotor and two stators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to an electric motor, in particular for underwater propulsion. Further exemplary embodiments relate to an underwater drive with a corresponding electric motor. Preferred exemplary embodiments relate to an underwater drive with a high degree of efficiency and a compact design, as well as a pressure-neutral, two-strand, permanently excited, electronically commutated direct current motor with phase current regulation and trapezoidal current control.
  • Underwater drives are often designed as gondola drives.
  • the nacelle typically consists of a housing with an enclosed electric motor and a propeller connected to the electric motor. The connection is made via a shaft.
  • Such gondola drives are used for both surface ships, such. B. used cruise ships, but are also used in many underwater vehicles, especially autonomous underwater vehicles. The reason is the simple structure and the good maneuverability, assuming that the watercraft can be steered by turning the gondola at the same time. Another advantage is the good scalability of the power, since more than one nacelle can typically be attached to a vehicle, which would be difficult with a direct drive, for example.
  • Embodiments of the present invention provide an electric motor with a pancake and a first and a second stator.
  • the disk armature has a plurality of magnets arranged along a concentric circle around an axis of rotation of the disk armature.
  • Concentric because the disc armature has its own diameter and these outer diameters are concentric with respect to the circle on which the magnets are arranged.
  • the two columns each have at least 4 or 4 * K coils (motor constant K see above).
  • the first and third coil (all odd coils) and the second and fourth coil (all even coils) can be connected to form a strand with alternating current flow directions.
  • the first stator is arranged on a first side lying along the axis of rotation with a gap between it and the disc rotor
  • the second stator is arranged on a second side lying along the axis of rotation, which is opposite the first side, is again arranged with a gap between the stator and disc rotor.
  • the ratio of coils to magnets is defined as 4 to 6 or a multiple thereof.
  • Embodiments of the present invention are based on the knowledge that by means of a disc armature, which therefore has a limited thickness with columns arranged on both sides in which the coils are arranged, it can be achieved that turbulence losses, e.g. B. when the gap is filled with a medium (ambient medium) or fluid, can be reduced.
  • the reduced friction losses are due in particular to the fact that a pancake rotor, due to its flat design, generates significantly less turbulence on the surface than a conventional cage rotor.
  • the magnets are driven from each side of the stator. All of these measures help to increase efficiency. Starting from a flat disc armature, the installation space is also reduced.
  • the disc armature has a smooth surface on both the first and the second stator.
  • the magnets can be cast with the rotor in order to form the disc armature.
  • the plurality of magnets can be arranged with alternating polarity along the concentric circle. Because magnets are used exclusively in the disc armature, it can be ironless. According to preferred exemplary embodiments, the number of magnets is six, ie three polarized in one direction and three polarized in an opposite direction. According to further exemplary embodiments, there are four coils per stator. In this case, two coils of a stator (ie every second coil) can be combined to form a strand.
  • K integer (e.g. 1, 2, 3, 4, etc.)
  • Number of magnets in the rotor 6K (i.e. 6, 12, 18, 24, etc.)
  • the disc rotor is encapsulated with the majority of the magnets in such a way that the surface facing the first and / or second stand is smooth or forms a corresponding plane, but also that the stands each pressure neutral, e.g. B. can be cast using a silicone or an epoxy resin.
  • This then also creates a smooth / flat surface facing the disc rotor, which, as already explained above, considerably reduces the turbulence losses in the gap.
  • the gap has a width of 0.5 to 2.0 mm or 0.8 to 2.0 mm, for example.
  • the gap can be 0.8 to 4.0 mm or 1.0 to 4.0 mm.
  • Another preferred variant is a gap width of 1.5 to 4.0 mm or 1.5 to 2 mm. The width is selected depending on the respective fluid medium and the dimensions of the electromagnetic components.
  • the electric motor can have a control device that is implemented, for example, as a current-regulated H-bridge.
  • Each line is controlled by an H bridge according to the position detection and functions as a current-regulated deep-sea controller (line current control) according to the exemplary embodiments.
  • the drive torque of the motor can be set via the current setpoint.
  • a trapezoidal current is applied to the coils, which enables very efficient operation.
  • the control device can have a position detection which is designed to detect a position of the pancake.
  • the current can be supplied to the strings via the current control according to a predetermined current setpoint value and via the switch-on phase and polarity for both strings controlled by a position detection of the rotor.
  • the control device depending on the position detected, by means of current regulation according to a predetermined current setpoint, relates to the two strings Control phase and / or polarity.
  • the direction of rotation of the rotor can be changed by changing the polarity of the strand currents in the strands.
  • this underwater drive comprises a pressure-neutral housing.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the electric motor according to a basic exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic arrangement of the magnets opposite the coils according to further exemplary embodiments
  • FIG. 4a shows a schematic diagram to illustrate the energization of the coils according to exemplary embodiments.
  • Fig. 1 shows a motor 10 having first and second stator 121 and 12r.
  • a disc armature 14 is arranged between the stator 12I and 12r, a first gap 151 separating the disc armature 14 from the stator 121 and a second gap 15r separating the disc armature 14 from the stator 12r.
  • the disk armature rotates about an axis of rotation 16 which extends through the two uprights 121 and 12r. Consequently, the rotation of the pancake 14 takes place parallel to the two uprights 121 and 12r.
  • the disc armature 14 has a plurality of magnets 14a to 14f (here six) which are arranged along a concentric circle 14kk.
  • the concentric circle 14kk has its center point in the axis of rotation 16 and is arranged concentrically to the circumference of the disk armature. Conversely, this does not mean that the pancake must be 100% round and run concentrically to the circle 14kk.
  • the magnets are arranged in such a way that their polarity / magnetic field orientation always alternates. This means, for example, that the magnets 14a, 14c and 14e are oriented (e.g. alternately) in the north-south direction and the magnets 14b, 14d and 14f in the south-north direction.
  • North-south means, for example, that the north pole points to the stator 121 while the south pole points to the stator 12r.
  • south-north means that the south pole points to the stator 121 while the north pole points to the stator 12r.
  • the disk armature it should also be noted at this point that it has a significantly larger diameter than the thickness of the disk armature.
  • an aspect ratio of at least 1: 2 or even 1: 5 is assumed.
  • Both the first stator 12I and the second stator 12r have at least four coils or integer multiples of four coils.
  • the coils are identified by the reference symbols 121a, 121b, 121c, 12ld or 12ra, 12rb, 12rc, 12rd.
  • gaps are to be understood to mean that it can also be used with a medium other than air, such as B. can be filled with a fluid and is therefore also referred to as a fluid gap.
  • the dimensioning of the gaps it should be noted that in the present exemplary embodiment they can be designed to be relatively large, ie in the range from 1.0 to 2.0 mm or even 0.8 to 4.0 mm, in order to secure the To be able to protect magnetic circuit components from aggressive seawater.
  • the thickness of the gap is in the range from 0.8 to 2.0 mm in conjunction with extremely highly magnetized permanent magnets in the rotor so that the effect of the magnetic forces through the stator is optimal despite the large gap dimensions (Disc shape, gap design, ..) as well as the potting of the disc rotor 14 with the plurality of permanent magnets 14a to 14d, the rotor / rotor 14 is hydrodynamically and magnetically optimized. Furthermore, the disc rotor 14 is designed without iron. The use of an iron-free disc rotor / rotor generally at the center of the 'having only permanent magnets 14a-14d, reduces the mass, which enables a very dynamic operation with low losses, and in particular with low bearing stress.
  • the coils are controlled by a control (not shown) in such a way that the disc armature rotates about the axis of rotation 16, for example in the direction 16r.
  • a control not shown
  • an electromagnetic force is introduced by means of the coils 121a to 12rb through interaction with the magnets 14a to 14d. The interaction is illustrated in detail in Figures 4a-4e.
  • the coils 121a and 121b in the stator 121, the coils 12ra and 12rb in the stator 12r and the magnets 14a to 14c in the rotary rotor 14 can be introduced in a planar manner, so that the distances between the active components in the Area of the gaps 151 and 15r are very small and the surfaces facing the gaps 151 and 15r can be made planar.
  • this has the advantage that the width of the gap can thus be optimally adapted to the electromagnetic interaction and also friction losses in the form of mechanical turbulence in the gap 15I and 15r can be optimized.
  • the disc rotor 14 which is typically arranged on a shaft or the like, can be designed very simply because there are no other parts, such as e.g. B. grinder or the like for coupling currents into the rotor are necessary.
  • the wave can, for. B. stored (for example by means of ball bearings, seawater-proof ball bearings or plain bearings) directly form the output.
  • the shaft (not shown) is connected to the disc rotor 14 in a fixed or at least rotationally secure manner.
  • the uprights 121 and 12r arranged on both sides of the rotor 14 can be cast in a pressure-neutral manner in accordance with the exemplary embodiments. This has the advantage that they do not absorb any fluid (seawater) regardless of pressure.
  • the coils can be wound with potting bars in order to enable air-free potting.
  • the coils 121a, 121b, .. or 12ra, 12rb, .. can also include iron cores, as will be explained below with reference to FIGS. 2a to 2c.
  • the iron cores of the coils 121a to 12rd in the stator 121 and 12r may, for example, be made of wire iron cores cast in epoxy resin, such as B. from one soft magnetic wire material exist or include this. This is a structure comparable to ignition coils, which is very good in terms of low-loss magnetic circuit components.
  • the motor or the non-encapsulated areas can be filled with liquid (for example with a special fluid or an ambient medium).
  • liquid for example with a special fluid or an ambient medium.
  • each line is controlled by an H-bridge in accordance with the position detection and functions as a current-regulated deep-sea controller.
  • the current is supplied to the strings via the current control according to the specified current setpoint as well as via the switch-on phase and polarity for both strings, which are controlled by a position detection of the rotor.
  • the direction of rotation of the rotor can be achieved by changing the polarity of the phase currents in both phases.
  • the drive torque of the motor can be set via the current setpoint.
  • FIG. 2a shows a sectional view through the engine.
  • the two uprights are identified by the reference symbols 12 and 12r '.
  • the pancake / rotor 14 ' is located between the two uprights, separated from the uprights 12G and 12r' by the gaps 15G and 15r '.
  • the rotor 14 ' is shown separately in FIG. 2b.
  • the rotor 14 ' has a diameter of d14' and is designed as a type of disk with a thickness t14 '.
  • the disc 14 ' is connected to a shaft 16w'.
  • the connection can be implemented, for example, in such a way that an extension / crank 16wk 'of shaft 16w' is embedded or cast in a plastic carrier 14k 'of disc rotor 14.
  • the several magnets here 6 magnets 14a 'to 14f, are also embedded in the plastic material 14k' in this plastic carrier 14k '. According to exemplary embodiments, the connection between the magnets 14a 'to 14f can of course also take place differently.
  • These cranks 16k serve, for example, that the bearing shells are brought into engagement with the shaft 16w ‘.
  • the engagement with the ball bearings 18k ' is shown in FIG. 2a.
  • the inner bearing shell of the ball bearings 18k ' engages with the shaft 16w' or the crankings 16k ', while the outer bearing shell of the ball bearings 18k' with the housing 121g 'or 12rg' of the stands 12G and 12r 'in Intervention is.
  • the housing 121g 'and 12rg also carry the coils 12la ‘to 12ld‘ and 12ra ‘to 12rd‘ on the respective side of the stator 121' or 12r ‘.
  • four coils are provided here for each stator 121 'and 12r'.
  • the respective potting compound is marked with the reference symbol 12lv ‘or 12rv‘.
  • the potting compound 12lv 'or 12rv' together with the housing 121g 'and 12rg' has a diameter roughly the same as the diameter of the rotor (see reference symbol d14 ' ).
  • the coils 121a 'to 12ld' and 12ra 'to 12rd' are also arranged on concentric circles around the axis of rotation 16 in accordance with an exemplary embodiment.
  • the diameter of these concentric circles for the arrangement of the coils 12la 'to 12ld' and 12ra 'to 12rd' is equal to the diameter of the circle (or comparable) on which the Magnets 14a 'and 14f are arranged.
  • the background to this is that the electromagnetic force (induced by the coils or the activated coils 12la 'to 12! D' and 12ra 'to 12rd') can be optimally coupled into the magnets 14a 'to 14f.
  • the aspect ratio d14 ‘to t14‘ can be designed, for example, in the range of 5: 1, or for example greater than 2: 1 or even greater than 3: 1.
  • the coils 12la ‘to 12ld‘ or 12ra ‘to 12rd’ can be designed with iron cores 12le ‘or 12re‘.
  • the iron cores 12re ‘and 12le‘ run inside the coils, i. H. within the direction of extension of the coils.
  • these extend perpendicular to the disc rotor 14a.
  • the direction of extent of the coils 12la ‘to 12ld‘ or 12ra ‘to 12rd‘ runs perpendicular or essentially perpendicular to the disc armature 14a ‘and thus also parallel to the axis of rotation 16.
  • the coils are connected to one another via return plates 12lr ‘and 12rr‘, which are coupled to the iron cores 12le ‘and 12re‘, for example, in order to close the magnetic circuits.
  • return plates 12lr ‘and 12rr’ which are coupled to the iron cores 12le ‘and 12re‘, for example, in order to close the magnetic circuits.
  • Fig. 2c shows the disc armature 14‘ with the magnets 14a ‘to 14f, which is arranged on the shaft 16w‘.
  • the coils 12la ‘to 12ld‘ or 12ra ‘to 12rd‘ are arranged to the side of the disc armature 14 ‘or the magnets 14a‘ to 14f.
  • the respective opposing coils are connected to one another via the return plates 12lv ‘and 12rv‘.
  • the coil 12la ' can be connected to the coil 12lc' via a common return plate, while the coil 12lb 'is coupled to the coil 12ld'.
  • the opposite coils 12ra 'and 12rc' and the Coils 12rb 'and 12rc' can be coupled together.
  • Another coupling would also be conceivable in accordance with further exemplary embodiments.
  • the return plates 12la 'and 12ra' it should be noted that these, like the iron cores 12le 'and 12re', form the magnetic circuit of the stator.
  • FIG. 3 shows a side view of the exemplary embodiment explained in FIGS. 2a to 2c.
  • the coils 12la ‘to 12ld’ of the stator 12G are shown and, on the other hand, the magnets 14a ‘to 14r‘ of the rotor 14 ‘are shown (see explanation of the mode of operation in Fig. 4a-4e).
  • the coils 14a ‘to 14f are evenly distributed, d. H. So that the coil 12la 'is arranged at 0 degrees or 360 degrees, the coil 12lb' at 90 degrees, the coil 12lc 'at 180 degrees and the coil 12ld' at 270 degrees.
  • the coils 12la ‘and 12lc‘ are coupled to one another, for. B. with the help of the return plates 12lv ‘, so that there are two opposite poles, z. B. train north-south or south-north.
  • the polarity of magnets 14a 'to 14f wears off along the circle, so that, for example, magnets 14a', 14c 'and 14e' form a south pole on the side of stator 12G, while magnets 14b ', 14d' and 14f form a north pole on the side of the stator 12l '.
  • magnets and 8 coils can be used.
  • the magnets would then be at a 30 degree angle, while a 45 degree angle would be created for the coils.
  • Locking and synchronization can be designed via the distance between the magnets / coils.
  • the coil system with return plates in the stator and the permanent magnets in the rotor form an optimized magnetic circuit in which there are relatively large fluid gaps (gaps) in the range from 0.8 to 2.0 mm.
  • the motor and H-bridge converter form an efficient energy converter for adapting to various high supply voltages and for recovering the stored energy from the energized coils, primarily according to the buck converter principle.
  • the motor and H-bridge converter together form an efficient energy converter, which enables adaptation to different supply voltages and at the same time can recover the stored energy from the energized coils, primarily according to the buck converter principle.
  • 4a shows two diagrams for the control currents of the two strands in a time comparison. The diagrams are marked with "Current string 1" and "Current string 2". As can be seen, the two control currents are trapezoidal currents that are 180 ° out of phase with one another. Both trapezoidal currents form a plateau at the respective minimum / at the respective maximum. The edge can, for example, have a discontinuity at the zero crossing.
  • the strings are supplied with current via current regulation in accordance with predetermined setpoint current values and via the switch-on phase and polarity for both strands, which are controlled by the position detection of the rotor. Therefore, the current strings 1 and 2 are compared to the position detection LA1, LA2, LA3 and LA4.
  • LA1 can for example detect a position on coil 1, LA2 on coil 2, LA3 on coil 3, LA4 on coil 4.
  • current branch 2 is in the positive plateau during the positive LA3 values, while current branch 2 is in the negative plateau during the positive LA4 values.
  • Current strand 1 is in the positive plateau during the positive LA1 values and in the negative plateau during the positive LA2 values.
  • current line 1 can be controlled on the basis of position detection LA1 and LA2, while current line 2 is controlled on the basis of position detection LA3 and LA4.
  • the power line control of lines 1 and 2 is equivalent.
  • the direction of rotation of the rotor can be changed by changing the polarity of the current strands in both strands.
  • the corresponding currents in the current branches are set in relation to the relative positions of magnets of the stator and the coils.
  • the coils are identified with the reference numerals 121a to 12ld, while the magnets are identified with the reference numerals 14a to 14f.
  • N and S indicate whether the north pole or the south pole of the magnets 14a to 14f is opposite the respective coils.
  • the direction of current flow in the coils is also identified by means of N and S, with a currentless coil being labeled neither with N nor with S.
  • the runner is identified at a first point in time and at a second point in time in order to show the movement of the runner 14 as a result of the attractive / repulsive forces.
  • the attractive / repulsive forces are indicated by arrows.
  • FIGS. 4b and 4d already show two points in time (i.e. two different relative positions between stator 12 and rotor 14), a total of six relative positions are illustrated in FIGS. 4b to 4e. These six relative positions are all consecutive in time and represent the movement of a magnet (e.g., magnet 14b) from a coil, e.g. B. 121a (see. Fig. 4b) to the next coil, z. B. 121b (see. Fig. 4e).
  • a magnet e.g., magnet 14b
  • the north pole of the magnet 14d is repelled, for example, by the coil 121a (north current flow).
  • the south pole of the magnet 14c is attracted by the north pole of the coil 121b.
  • a repulsion of the magnet 14e takes place here again, while the magnet 14f is attracted by the “south energized” coil 12ld.
  • the coils 121a and 12ld are “north-energized”, while the coils 121b and 121c are “south-energized”.
  • the corresponding attraction and repulsion of the magnets 14a, 14c, 14d and 14f is shown accordingly.
  • the coils 121b (south) and 12ld (north) are energized. 121b attracts the north pole of 14b and repels the south pole of 14c. The south pole 14e is attracted by 12ld and the north pole 14f is repelled.
  • the corresponding positions 1, 1 ', 2, 3, 3', 4, belonging to FIGS. 4b to 4e, are identified in the current diagram from FIG. 4a.
  • the polarities change from current string 1 to current string 2 according to the "north" or "south" current.
  • a coil is always not energized at the point in time at which the corresponding point in time 1, 1 ', 2, 3, 3', 4 is at a corresponding zero crossing or zero plateau. An example of this is time 2 and strand 2.
  • each coil drives (pulls or pushes) two magnets, while in a current gap (to change the pole of the coil) in the other strand, the maximum force is exerted on two magnets.
  • Another embodiment relates to one of the motors 10 or 10 ‘explained above with a corresponding housing that is pressure-neutral, e.g. B. using silicone is closed. According to a preferred exemplary embodiment, this housing can be filled with a fluid.
  • the shaft can protrude from the housing so that a propeller or another module to be driven can be coupled here.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Ein Elektromotor umfasst einen Scheibenläufer sowie einen ersten und einen zweiten Ständer. Der Scheibenläufer hat eine Mehrzahl an entlang eines Kreises um eine Rotationsachse des Scheibenläufers angeordnete Magneten. Der erste und zweite Ständer weisen jeweils eine Mehrzahl an ansteuerbaren Spulen auf und der erste Ständer ist auf einer ersten entlang der Rotationsachse liegenden Seite mit einem Spalt zwischen dem ersten Ständer und dem Scheibenläufer angeordnet. Der zweite Ständer ist auf einer zweiten entlang der Rotationsachse liegenden Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, mit einem Spalt zwischen dem zweiten Ständer und dem Scheibenläufer angeordnet, so dass sich am Scheibenläufer die Anzugskräfte der Magneten zu den Eisenkernen beider Ständer aufheben.

Description

Elektromotor
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf einen Elektromotor, insbesondere für einen Unterwasserantrieb. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Unterwasserantrieb mit einem entsprechenden Elektromotor. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Unterwasserantrieb mit hohem Wirkungsgrad und kompakter Bauform sowie einen druckneutralen, zweisträngigen, permanenterregten, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor mit Strangstromregelung und Trapezstroman- steuerung.
Unterwasserantriebe werden häufig als Gondelantriebe ausgeführt. Die Gondel besteht typischerweise aus einem Gehäuse mit einem umschlossenen Elektromotor und einem mit dem Elektromotor in Verbindung stehenden Propeller. Die Verbindung erfolgt über eine Welle.
Derartige Gondelantriebe werden sowohl für Oberflächenschiffe, wie z. B. Kreuzfahrtschiffe benutzt, kommen aber auch bei vielen Unterwasserfahrzeugen, insbesondere autonomen Unterwasserfahrzeugen zum Einsatz. Der Grund ist der einfache Aufbau und die gute Ma növrierfähigkeit, wenn man davon ausgeht, dass durch Drehung der Gondel auch gleichzeitig das Wasserfahrzeug gelenkt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht in der guten Skalierbarkeit der Leistung, da an einem Fahrzeug typischerweise mehr als eine Gondel angebracht werden kann, was beispielsweise bei einem Direktantrieb nur schwer möglich wäre.
Insbesondere im Tiefseeeinsatz stellt es eine technische Herausforderung dar, das Innere gegenüber dem Äußeren zu dichten. Hintergrund hierzu ist, dass im Tiefseeeinsatz eine hohe Druckdifferenz vorherrscht und somit alle Dichtungen, wie z. B. die Wellendichtung, mit dieser Druckdifferenz umgehen müssen. Diese Druckdifferenz liegt allerdings nicht konstant an, da das Fahrzeug in mehreren Höhen betrieben werden muss, zumindest für den Bergevorgang. Deshalb haben sich im Stand der Technik flüssigkeitsgefüllte Elektromaschinen durchgesetzt. Diese flüssigkeitsgefüllten Motoren ermöglichen kompressible Medien, wie z. B. Luft, aus dem Gehäuseinneren zu halten; über ein oder jnehrere Druckausgleichsmembranen kann dann der Innendruck dem Außendruck angeglichen werden. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in der DE 19623553 A1 beschrieben.
Weitere Ansätze finden sich in der lEEE-Veröffentlichung mit dem Titel„A small-scale ac- tuator with passive-compliance for a fine-manipulation deep-sea manipulator“ oder in der Veröffentlichung im Scientific World Journal mit dem Titel„Estimation of the iron loss in deep-sea permanent mag net motors considering seawater compressive stress“. Darüber hinaus sei auch noch auf die DE 102009032364 B4 verwiesen, die zahlreiche Komponenten offenbart, die druckneutral ausgeführt sind.
Alle Stand-der-Technik-Unterwassermotoren, die druckneutral ausgeführt sind, sind in Bezug auf ihre Effizienz nicht optimal oder weisen häufig einen großen Bauraumbedarf auf.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Konzept für einen Unterwasserantrieb zu schaffen, der einen verbesserten Kompromiss aus Effizienz, Bauraum und Druckstabilität bietet.
Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst,
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Elektromotor mit einem Scheibenläufer sowie einem ersten und einem zweiten Ständer. Der Scheibenläufer weist eine Mehrzahl an entlang eines konzentrischen Kreises um eine Rotationsachse des Scheibenläufers angeordneten Magneten auf. Beispielsweise können es sechs x K Magnete sein (wobei K eine ganzzahlige Motorkonstante ist, K = 1 , 2, 3, ... ), die also im 60-Grad-Winkel entlang eines Kreises um die Rotationsachse angeordnet sind. Konzentrisch deshalb, weil der Scheibenläufer einen eigenen Durchmesser hat und diese Außendurchmesser konzentrisch gegenüber dem Kreis sind, auf welchem die Magneten angeordnet werden. Die zwei Ständer weisen z.B. jeweils mindestens 4 bzw. 4*K Spulen auf (Motorkonstant K siehe oben). Hier können z.B. die erste und dritte Spule (all ungeraden Spulen) und die zweite und vierte Spule (alle geraden Spulen) mit wechselnder Bestromungsrichtung zu einem Strang verbunden sein. Hierbei ist der erste Ständer auf einer entlang der Rotationsachse liegenden ersten Seite mit einem Spalt zwischen ihm und dem Scheibenläufer angeordnet, während der zweite Ständer auf einer zweiten entlang der Rotationsachse liegenden Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, wiederum mit einem Spalt zwischen Ständer und Scheibenläufer angeordnet ist. Durch die Definition 4*K Spulen und 6*K Magnete wird das Verhältnis von Spulen zu Magnete z.B. mit 4 zu 6 oder einem Vielfachen davon festgelegt.
Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch einen Scheibenläufer, der also eine limitierte Dicke hat mit beidseitig angeordneten Ständern, in welchen die Spulen angeordnet sind, es erreicht werden kann, dass Verwirbelungsverluste, z. B., wenn der Spalt mit einem Medium (Umgebungsmedium) bzw. Fluid gefüllt ist, reduziert werden. Die reduzierten Reibungsverluste sind insbesondere dadurch begründet, dass ein Scheibenläufer aufgrund seines flachen Aufbaus im Vergleich zu einem herkömmlichen Käfigrotor wesentlich weniger Verwirbelungen an der Oberfläche erzeugt. Durch die Verwendung zweier Statoren beidseitig werden die Magnete von jeder Ständer seite angetrieben. All diese Maßnahmen helfen die Effizienz zu steigern. Ausgehend von einem flachen Scheibenläufer wird auch der Bauraum reduziert. Insbesondere das Ausführungsbeispiel, entsprechend welchem das Motorinnere/die Spalte mit Fluid gefüllt sind, wird auch allen Anforderungen an Druckresistenz entsprochen. Ferner sei angemerkt, dass sich durch diesen Aufbau am Scheibenläufer die Anzugskräfte der Magneten zu den Eisenkernen beider Ständer aufheben. Durch die Verwendung zweier Statoren beidseitig werden die Magnete von jeder Ständerseite angetrieben.
Entsprechend einem Ausführungsbeispiel hat der Scheibenläufer sowohl aufseiten des ers ten als auch aufseiten des zweiten Ständers eine glatte Oberfläche. Hierzu können die Magneten mit dem Rotor vergossen sein, um den Scheibenläufer auszubilden.
Bezüglich der Anordnung der Magneten sei angemerkt, dass alle Magneten symmetrisch, d. h. rotationssymmetrisch um die Rotationsachse, entlang des konzentrischen Kreises verteilt sein können. Hierbei kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Mehrzahl der Magnete mit abwechselnder Polung entlang des konzentrischen Kreises angeordnet sein. Durch die ausschließliche Verwendung von Magneten in dem Scheibenläufer kann dieser eisenlos sein. Die Anzahl der Magnete ist entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen sechs, d. h. drei in die eine Richtung polarisiert und drei in eine entgegengesetzte Richtung polarisiert. Dem stehen entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen vier Spulen je Ständer gegenüber. Hierbei können jeweils zwei Spulen eines Ständers (d. h. jede zweite Spule) zu einem Strang kombiniert sein. Folgende Magnet-Spulen-Kombinati- onen weisen eine hohe Effizienz auf: K = ganzzahlig ( z.B. 1 , 2, 3, 4, usw.)
Anzahl der Magnete im Läufer = 6K (d.h. 6, 12, 18, 24, usw.)
Anzahl der Spulen im Ständer = 4K (d.h. 4, 8, 12, 16, usw.)
Hierbei sein angemerkt, dass bei gleicher Spulenfrequenz die Nenndrehzahl des Motors mit zunehmenden K sinkt, vergleichbar mit einer Untersetzung in einem Getriebe.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen nicht nur der Scheibenläufer mit der Mehrzahl der Magnete derart vergossen ist, dass die dem ersten und/oder zweiten Ständer zugewandte Oberfläche glatt ist bzw. eine entsprechende Ebene formt, sondern auch, dass die Ständer jeweils druckneutral, z. B. unter Verwendung eines Silikons oder eines Epoxidharzes vergossen sein können. Hierdurch wird dann auch eine glatte/ebene Oberfläche zugewandt zu dem Scheibenläufer geschaffen, was, wie oben bereits erläutert, die Verwirbelungsverluste im Spalt erheblich reduziert. Der Spalt weist beispielsweise eine Breite von 0,5 bis 2,0 mm oder von 0,8 bis 2,0 mm auf. Alternativ kann der Spalt 0,8 bis 4,0 mm oder 1 ,0 bis 4,0 mm betragen. Eine weitere bevorzugte Variante ist eine Spaltbreite von 1 ,5 bis 4,0 mm bzw. 1 ,5 bis 2 mm. Die Breite ist abhängig von dem jeweiligen Fluidmedium und der Dimensionierung der elektromagnetischen Komponenten gewählt.
Bezüglich der Ansteuerung der Spulen sei angemerkt, dass der Elektromotor entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen eine Ansteuereinrichtung aufweisen kann, die beispielsweise als stromgeregelte H-Brücke implementiert ist. Jeder Strang wir von einer H Brücke entsprechend der Lageerfassung angesteuert und fungiert entsprechend Ausführungsbeispielen als stromgeregelter Tiefseesteller (Strangstromregelung). Über den Stromsollwert kann das Antriebsmomente des Motors gestellt werden. Hierbei werden entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die Spulen mit einem trapezförmigen Strom beaufschlagt, was einen sehr effizienten Betrieb ermöglicht.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Ansteuerungseinrichtung eine Lageerfassung aufweist, die ausgebildet ist, um eine Lage des Scheibenläufer zu erfassen. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Bestromung der Stränge über die Stromregelung entsprechend vorgegebenem Stromsollwert sowie über die von eine Lageerfassung des Läufers gesteuerten Einschaltphase und Polarität für beide Stränge erfolgen. D.h. also, dass die Ansteuerungseinrichtung in Abhängigkeit von der erfassten Lage mittels Stromregelung entsprechend vorgegebenem Stromsollwert die beiden Stränge bezüglich Einschaltphase und/oder Polarität zu steuern. Hierbei kann die Drehrichtung des Läufers durch Polaritätswechsel der Strangströme in den Strängen gewechselt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Unterwasserantrieb mit einem Elektromotor. Entsprechend Ausführungsbeispielen umfasst dieser Unterwasserantrieb ein druckneutral ausgeführtes Gehäuse.
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Elektromotors gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
Fig. 2a-2c schematische Darstellungen des Elektromotors im Querschnitt sowie einzelner Bauteile gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen;
Fig. 3 eine schematische Anordnung der Magnete gegenüber den Spulen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen;
Fig. 4a ein schematisches Diagramm zu Illustration der Bestromung der Spulen gemäß Ausführungsbeispielen; und
Fig. 4b-4e schematische Darstellungen zur Illustration der Relativposition von
Spule/Magnet bei entsprechender Bestromung gemäß Fig. 4a.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
Fig. 1 zeigt einen Motor 10 mit einem ersten und einem zweiten Ständer 121 und 12r. Zwischen dem Ständer 12I und 12r ist ein Scheibenläufer 14 angeordnet, wobei ein erster Spalt 151 den Scheibenläufer 14 von dem Ständer 121 trennt und ein zweiter Spalt 15r den Scheibenläufer 14 von dem Ständer 12r. Der Scheibenläufer rotiert um eine Rotationsachse 16, die sich durch die zwei Ständer 121 und 12r erstreckt. Folglich findet die Rotation des Scheibenläufers 14 parallel zu den zwei Ständern 121 und 12r statt.
Der Scheibenläufer 14 weist eine Vielzahl von Magneten 14a bis 14f (hier sechs) auf, die entlang eines konzentrischen Kreises 14kk angeordnet sind. Der konzentrische Kreis 14kk hat seinen Mittelpunkt in der Rotationsachse 16 und ist konzentrisch zu dem Umfang des Scheibenläufers angeordnet. Umgekehrt heißt das aber nicht, dass der Scheibenläufer zwingend 100% rund sein muss und konzentrisch zu dem Kreis 14kk verläuft. Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die Magneten derart angeordnet, dass sich ihre Polung/Magnetfeldorientierung immer abwechselt. Das heißt also beispielsweise, dass die Magneten 14a, 14c und 14e (z.B. wechselnd) in Nord-Süd-Richtung und die Magneten 14b, 14d und 14f in Süd-Nord-Richtung ausgerichtet sind. Nord-Süd heißt beispielsweise, dass der Nordpol zu dem Ständer 121 zeigt, während der Südpol zu dem Ständer 12r zeigt. Umgekehrt heißt Süd-Nord, dass der Südpol zu dem Ständer 121 zeigt, während der Nordpol zu dem Ständer 12r zeigt. Bezüglich des Scheibenläufers sei an dieser Stelle auch noch angemerkt, dass dieser einen signifikant größeren Durchmesser hat als die Dicke des Scheibenläufers ist. Hierbei wird beispielsweise von einem Aspektverhältnis von mindestens 1 :2 oder sogar 1 :5 ausgegangen.
Sowohl der erste Ständer 12I als auch der zweite Ständer 12r weisen mindestens vier Spulen bzw. ganzzahlige vielfache von vier Spulen auf. Die Spulen sind mit dem Bezugszeichen 121a, 121b, 121c, 12ld bzw. 12ra, 12rb, 12rc, 12rd gekennzeichnet sind.
Bezüglich der Spalte 151 und 15r sei angemerkt, dass diese jeweils den Scheibenläufer 14 von dem zugehörigen Ständer 121 bzw. 12r separieren. Der Begriff„Spalt“ ist dahin gehend zu verstehen, dass dieser auch mit einem anderen Medium als Luft, wie z. B. mit einem Fluid gefüllt sein kann und deswegen auch als Fluidspalt bezeichnet wird. Bezüglich der Dimensionierung der Spalte sei angemerkt, dass diese bei dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel relativ groß, d. h. im Bereich von 1 ,0 bis 2,0 mm oder sogar 0,8 bis 4,0 mm ausgeführt sein können, um durch einen sicheren Verguss die Magnetkreisbauteile vor aggressiven Seewasser schützen zu können. Die Dicke des Spalts ist entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen im Bereich von 0,8 bis 2,0 mm in Verbindung mit extrem hoch magnetisierten Permanentmagneten im Läufer so ausgelegt, dass trotz großer Spaltmaße die Wirkung der magnetischen Kräfte durch die Ständer optimal ist.. Durch solche Maßnahmen (Scheibenform, Spaltdesign, ..) wie auch den Verguss des Scheibenläufers 14 mit der Mehrzahl an Permanentmagneten 14a bis 14d wird der Rotors / Läufer 14 hydrodynamisch und magnetisch optimiert ist.-Ferner-kann Der Scheibenläufer 14 ist eisenlos ausgelegt. Die Verwendung eines eisenloses Scheibenläufers/allgemein Rotors in der Mitte, der’nur Permanentmagneten 14a-14d aufweist, reduziert die Masse, was einen sehr dynamischen Betrieb mit geringen Verlusten und insbesondere mit geringer Lagerbeanspruchung ermöglicht.
Nachdem nun die Struktur und die einzelnen Komponenten des Motors 10 erläutert wurden, wird nachfolgend auf die Funktionsweise eingegangen. Die Spulen werden über eine Ansteuerung (nicht dargestellt) derart angesteuert, dass der Scheibenläufer sich um die Rotationsachse 16 beispielsweise in Richtung 16r dreht. Hierzu wird mittels der Spulen 121a bis 12rb eine elektromagnetische Kraft durch Wechselwirkung mit den Magneten 14a bis 14d eingebracht. Die Wechselwirkung wird im Detail in den Fig. 4a-4e erläutert. Besonders vorteilhaft ist hier, dass die Spulen 121a und 121b in dem Ständer 121, die Spulen 12ra und 12rb in dem Ständer 12r sowie die Magnete 14a bis 14c in dem Rotationsläufer 14 planar eingebracht werden können, so dass also die Abstände zwischen den wirkenden Bauelementen im Bereich der Spalte 151 und 15r sehr klein sind und die zu den Spalten 151 und 15r hin gerichteten Oberflächen planar ausgeführt sein können. Dies hat einerseits den Vorteil, dass so die Breite des Spalts optimal an die elektromagnetische Wechselwirkung angepasst sein kann und auch Reibungsverluste in Form von mechanischen Verwirbelungen im Spalt 15I und 15r optimiert sein können. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Scheibenläufer 14, der typischerweise auf einer Welle oder Ähnlichem angeordnet ist, sehr einfach konzipiert sein kann, da hier keine weiteren Teile, wie z. B. Schleifer oder Ähnliches zur Einkoppelung von Strömen in den Läufer notwendig sind. Die Welle kann, z. B. gelagert (beispielsweise mittels Kugellagern, seewasserfesten Kugellagern oder Gleitlagern) direkt den Abtrieb bilden. Hierzu ist die Welle (nicht dargestellt) fix bzw. zumindest rotationssicher mit dem Scheibenläufer 14 verbunden.
Bezüglich der auf beiden Seiten des Läufers 14 angeordneten Ständer 121 und 12r sei angemerkt, dass diese entsprechend Ausführungsbeispielen druckneutral vergossen sein können. Dies hat den Vorteil, dass diese druckunabhängig kein Fluid (Seewasser) aufnehmen. Hierbei können beispielsweise die Spulen mit Vergussstegen gewickelt sein, um einen luftfreien Verguss zu ermöglichen. Ferner können die Spulen 121a, 121b, .. bzw. 12ra, 12rb, .. auch Eisenkerne umfassen, wie nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 2a bis 2c erläutert werden wird. Die Eisenkerne der Spulen 121a bis 12rd in den Ständern 121 und 12r können beispielsweise aus in Epoxidharz vergossenen Draht-Eisenkernen, wie z. B. aus einem weichmagnetischen Draht-Material bestehen bzw. dieses umfassen. Dies ist ein mit Zündspulen vergleichbarer Aufbau, der sehr gut im Hinblick auf verlustarme Magnetkreisbauteile ist.
Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Motor bzw. die nicht-vergossenen Bereiche flüssigkeitsgefüllt sein (beispielsweise mit einem speziellen Fluid oder einem Umgebungsmedium). Die gesamte Auslegung (Verguss, Dimensionierung, Spalte und Anordnung von Magneten und Spulen) ermöglicht selbst bei Ausfüllung mit Fluid einen dynamischen und effizienten Betrieb. Motorwirkungsgrade von oberhalb 80 % mit Wasser als Fluid wurden mit einem derartigen Aufbau erreicht.
Bezüglich der Ansteuerung der Spulen sei angemerkt, dass diese von einer externen Ansteuerungslogik entsprechend angesteuert werden. Diese bestromt die Spulen 121a, 121b, .. bzw. 12ra, 12rb, .. mit trapezartiger Ströme, wie in Fig. 4a dargestellt. Jeder Strang wird entsprechend Ausführungsbeispielen von einer H Brücke entsprechend der Lageerfassung angesteuert und fungiert als stromgeregelter Tiefseesteller. Die Bestromung der Stränge erfolgt über die Stromregelung entsprechend vorgegebenem Stromsollwert sowie über die von eine Lageerfassung des Läufers gesteuerten Einschaltphase und Polarität für beide Stränge. Die Drehrichtung des Läufers kann durch Polaritätswechsel der Strangströme in beiden Strängen erfolgen. Über den Stromsollwert kann das Antriebsmomente des Motors gestellt werden.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 2a bis 2c ein Konstruktionsbeispiel für den Motor erläutert.
Fig. 2a zeigt eine Schnittdarstellung durch den Motor. Hierbei sind die zwei Ständer mit den Bezugszeichen 12 und 12r‘ gekennzeichnet. Zwischen den zwei Ständern befindet sich durch die Spalte 15G und 15r‘ getrennt von den Ständern 12G und 12r‘ der Scheibenläufer/Rotor 14‘. Der Rotor 14‘ ist in Fig. 2b separiert gezeigt. Wie hierzu zu erkennen ist, weist der Rotor 14‘ einen Durchmesser von d14‘ auf und ist als Art Scheibe mit einer Dicke t14‘ ausgebildet. Die Scheibe 14‘ ist mit einer Welle 16w‘ verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise derart realisiert sein, dass ein Fortsatz/eine Kröpfung 16wk‘ der Welle 16w‘ in einen Kunststoffträger 14k‘ des Scheibenläufers 14 eingebettet bzw. vergossen ist. In diesem Kunststoffträger 14k‘ sind auch die mehreren Magnete, hier 6 Magnete 14a‘ bis 14f in das Kunststoff material 14k' eingebettet. Entsprechend Ausführungsbeispielen kann die Verbindung zwischen den Magneten 14a‘ bis 14f selbstverständlich auch anders erfolgen.
Bezüglich der Welle 16w‘ sei angemerkt, dass diese mehrere Kröpfungen 14k' entlang der Welle 16w‘ aufweisen kann. Diese Kröpfungen 16k‘ dienen beispielsweise dazu, dass die Lageschalen entsprechend mit der Welle 16w‘ in Eingriff gebracht werden. Die Eingriff- nahme mit den Kugellagern 18k' ist in Fig. 2a gezeigt. Wie zu erkennen ist, ist die Innenlagerschale der Kugellager 18k‘ mit der Welle 16w‘ bzw. den Kröpfungen 16k‘ in Eingriff, während die äußere Lagerschale der Kugellager 18k' mit dem Gehäuse 121g' bzw. 12rg' der Ständer 12G und 12r‘ in Eingriff ist. Die Gehäuse 121g' bzw. 12rg‘ tragen auch die Spulen 12la‘ bis 12ld‘ sowie 12ra‘ bis 12rd‘ auf der jeweiligen Seite des Ständers 121' bzw. 12r‘. Wie anhand der Bezugszeichen zu erkennen ist, sind je Ständer 121' und 12r‘ hier vier Spulen vorgesehen. Bezüglich der Anzahl der Spulen sei angemerkt, dass, wie auch noch Bezug nehmend auf Fig. 3 erläutert werden wird, vier Spulen je Ständer 121a' bis 12ld‘ und 12ra‘ bis 12rd‘ je Ständer 12G bzw. 12r‘ zusammen mit sechs Magneten 14a‘ bis 14f einen sehr effizienten Betrieb ermöglicht, wobei die Anzahl natürlich auch variieren (vgl. Bildungsgesetz Anzahl der Spulen = 4K, K ganzzahlig kann. Bezüglich der Darstellung aus Fig. 2a, 2b und 2c sei angemerkt, dass, aufgrund der Querschnittsdarstellung immer nur zwei Spulen 12la‘, 121c' bzw. 12ra‘ und 12rc‘je Seite und auf nur zwei Magneten 14a' und 14f dargestellt sind, während sich die anderen Spulen/Magneten in anderen Ebenen befinden.
Die Spulen 121a' bis 12ld‘ und 12ra‘ bis 12rd‘ sind mit dem jeweiligen Gehäuse 121g' bzw. 12rg‘ vergossen. Die jeweilige Vergussmasse ist mit dem Bezugszeichen 12lv‘ bzw. 12rv‘ markiert.
Bezüglich der Abmessungen der Statoren 121' und 12r‘ sei angemerkt, dass die Vergussmasse 12lv' bzw. 12rv‘ zusammen mit dem Gehäuse 121g' und 12rg‘ einen Durchmesser in etwa der Größe hat, wie der Durchmesser des Rotors (vgl. Bezugszeichen d14‘). Weiter sind die Spulen 121a' bis 12ld‘ und 12ra‘ bis 12rd‘ entsprechend einem Ausführungsbeispiel ebenfalls auf konzentrischen Kreisen um die Rotationsachse 16 angeordnet. Der Durchmesser dieser konzentrischen Kreise für die Anordnung der Spulen 12la‘ bis 12ld‘ und 12ra‘ bis 12rd‘ ist gleich dem Durchmesser des Kreises (bzw. vergleichbar), auf welchem die Magneten 14a' und 14f angeordnet sind. Hintergrund hierzu ist, dass so die elektromagnetische Kraft (induziert durch die Spulen bzw. die angesteuerten Spulen 12la‘ bis 12!d‘ und 12ra‘ bis 12rd‘) optimal in die Magnete 14a‘ bis 14f eingekoppelt werden kann.
Bezüglich der Dimensionierung des Scheibenläufers sei angemerkt, dass dieser signifikant dünner ist als der Durchmesser. Das heißt also, dass das Aspektverhältnis d14‘ zu t14‘ beispielsweise im Bereich von 5:1 , oder beispielsweise von größer 2:1 oder sogar größer 3:1 ausgebildet sein kann.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die Spulen 12la‘ bis 12ld‘ bzw. 12ra‘ bis 12rd‘ mit Eisenkernen 12le‘ bzw. 12re‘ ausgebildet sein. Wie hier dargestellt, verlaufen die Eisenkerne 12re‘ und 12le‘ innerhalb der Spulen, d. h. innerhalb der Erstreckungsrichtung der Spulen. Bezüglich der Spulen und damit auch bezüglich der Eisenkerne sei angemerkt, dass diese sich senkrecht zu dem Scheibenläufer 14a erstrecken. Allgemein ausgedrückt heißt das, dass entsprechend Ausführungsbeispielen die Erstreckungsrichtung der Spulen 12la‘ bis 12ld‘ bzw. 12ra‘ bis 12rd‘ senkrecht bzw. im Wesentlichen senkrecht zu dem Scheibenläufer 14a‘ und damit auch parallel zu der Rotationsachse 16 verläuft. Dies gilt sowohl mit und ohne die optionalen Eisenkerne 12le‘ bzw. 12re‘. Bezüglich dieser Eisenkerne 12le‘ bzw. 12re‘ sei angemerkt, dass diese ebenfalls senkrecht zu dem Scheibenläufer 14a‘ und damit auch parallel zu der Achse 16 ausgerichtet sind.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen sind die Spulen über Rückschlussbleche 12lr‘ bzw. 12rr‘, die beispielsweise mit den Eisenkernen 12le‘ bzw. 12re‘ gekoppelt sind, miteinander verbunden um die Magnetkreise zu schließen. Eine exemplarische Konfiguration ist in Fig. 2c‘ gezeigt.
Fig. 2c‘ zeigt den Scheibenläufer 14‘ mit den Magneten 14a‘ bis 14f, der auf der Welle 16w‘ angeordnet ist. Seitlich zu dem Scheibenläufer 14‘ bzw. den Magneten 14a‘ bis 14f sind die Spulen 12la‘ bis 12ld‘ bzw. 12ra‘ bis 12rd‘ (hier dargestellt nur die Spulen 12la‘, 12lc‘, 12ra‘ und 12rc‘) angeordnet. Über die Rückschlussbleche 12lv‘ und 12rv‘ sind die jeweils gegenüberliegenden Spulen (gegenüberliegend heißt 180 Grad in Bezug auf den koaxialen Kreis) miteinander verbunden.
Im Detail: beispielsweise kann die Spule 12la‘ mit der Spule 12lc‘ über ein gemeinsames Rückschlussblech verbunden sein, während die Spule 12lb‘ mit der Spule 12ld‘ gekoppelt ist. In gleicher Weise können die gegenüberliegenden Spulen 12ra‘ und 12rc‘ sowie die Spulen 12rb‘ und 12rc‘ miteinander gekoppelt sein. Auch eine andere Kopplung wäre entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen denkbar. Bezüglich der Rückschlussbleche 12la‘ bzw. 12ra‘ sei angemerkt, dass diese, ebenso wie die Eisenkerne 12le‘ und 12re‘ den magnetkreis des Ständers bilden.
Bezug nehmend auf Fig. 3 wird nun die Lage der Magnete gegenüber den Spulen diskutiert. Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht auf das in Fig. 2a bis 2c erläuterte Ausführungsbeispiel. Hier sind zum einen die Spulen 12la‘ bis 12ld‘ des Ständers 12G dargestellt und andererseits auch die Magnete 14a‘ bis 14r‘ des Läufers 14‘ dargestellt (Siehe Erläuterung Funktionsweise in Fig. 4a-4e).
Die Spulen 12la‘, 12lb‘, 121c' und 12ld‘ sind entlang des konzentrischen Kreises 12kk‘, der sich um die Rotationsachse 16 erstreckt, angeordnet. Weiter sind die Spulen 14a‘ bis 14f gleichverteilt, d. h. also, dass die Spule 12la‘ bei 0 Grad bzw. 360 Grad angeordnet ist, die Spule 12lb’bei 90 Grad, die Spule 12lc‘ bei 180 Grad und die Spule 12ld‘ bei 270 Grad. Wie bereits oben erläutert, sind die Spulen 12la‘ und 12lc‘ miteinander gekoppelt, z. B. unter Zuhilfenahme der Rückschlussbleche 12lv‘, so dass sich hier jeweils zwei gegenüberliegende Pole, z. B. Nord-Süd oder Süd-Nord ausbilden. Das Gleiche gilt für die Spulen 12lb‘ und 12ld‘, die ebenfalls miteinander gekoppelt sind, so dass sich hier eine Nord-Süd bzw. Süd-Nord-Polung ausbildet. Diese Polung variiert selbstverständlich in Abhängigkeit von den an die Spulen angelegten Strömen.
In einem weiteren konzentrischen Kreis 12kk‘ bzw. dem gleichen konzentrischen Kreis 12kk‘ und 14kk‘ sind die Magnete 14a‘ bis 14f angeordnet. Diese sind also je nach Stellung mit den Spulen 12la‘ bis 12ld‘ in Deckung bringbar. Die Magnete 14a‘ bis 14f sind wiederum gleich verteilt entlang des Kreises 12kk‘ angeordnet, so dass sich immer zwischen zwei Magneten ein 60-Grad-Winkel einstellt. Hierdurch ergibt sich also folgende Anordnung, wenn man von einer Ruhelage ausgeht: 14a‘ -30 Grad bzw. 330 Grad, 14b‘ +30 Grad, 14c‘ 90 Grad, 14d‘ 150 Grad, 14e‘ 210 Grad, 14f 270 Grad. Entlang des Kreises wetzt sich entsprechend einem Ausführungsbeispiel die Polung der Magnete 14a‘ bis 14f ab, so dass beispielsweise die Magnete 14a‘, 14c‘ und 14e‘ einen Südpol auf der Seite des Stators 12G ausbilden, während die Magnete 14b‘, 14d‘ und 14f einen Nordpol aufseiten des Ständers 12l‘ ausbilden.
Bei obigen Ausführungsbeispielen wurde von vier Spulen und sechs Magneten ausgegangen. Die Anzahl kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen variieren, z. B. acht Spulen und zwölf Magnete (vgl. Bildungsgesetzt). Ausgehend hiervon wäre dann auch der Winkel zwischen den Spulen nicht mehr wie hier dargestellt 90 Grad, sondern entsprechend angepasst (z.B. 45°), bevorzugt aber gleichbleibend. Auch der Winkel (60-Grad-Winkel) zwischen den Magneten 14a bis 14d würde entsprechend variieren (z.B. 30°).
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel könnten z. B. 12 Magnete und 8 Spulen Verwendung finden. Bei den Magneten würde sich dann ein 30-Grad-Winkel einstellen, während bei den Spulen ein 45-Grad-Winkel ausgebildet wird.
Nachfolgend wird die Dimensionierungsvorschrift eines bevorzugten Ausführungsbeispiels allgemein erläutert:
• Anzahl der im Magnetkreis symmetrisch verteilten, in der Polung wechselnden Magneten = 6K,
• Anzahl der im Kernkreis symmetrisch verteilten, lagegesteuerten Spulen = 4K, jede zweite Spule in den Ständern gehört zu einem Strang. In jedem Strang wechseln die Spulen die Polung.
• K-ganzzahlige Motorkonstante (oben 1 , gern weiterer Ausführungsbeispiele 2, 3, 4, ··)
• über den Abstand der Magnete/Spulen kann Rastung und Gleichlauf gestaltet werden.
• Das Spulensystem mit Rückschlussblechen in den Ständern bildet mit den Permanentmagneten im Läufer einen optimierten Magnetkreis, in dem relativ große Fluidspalte (Spalte) im Bereich von 0,8 bis 2,0 mm vorhanden sind.
• Motor und H-Brückensteller bilden einen effizienten Energiewandler zur Anpassung an verschiedene hohe Versorgungsspannungen und zur Rückgewinnung der gespeicherten Energie aus den bestromten Spulen vorrangig nach dem Tiefsetzstel- ler-Prinzip.
Bezüglich der Ansteuerung sei angemerkt, dass Motor und H-Brückensteller zusammen einen effizienten Energiewandler bilden, der eine Anpassung an verschieden hohe Versorgungsspannungen ermöglicht und gleichzeitig die Rückgewinnung der gespeicherten Energie aus den bestromten Spulen vorrangig nach dem Tiefsetzsteller-Prinzip durchführen kann. Fig. 4a zeigt zwei Diagramme für die Ansteuerungsströme der zwei Stränge in einer zeitlichen Gegenüberstellung. Die Diagramme sind mit„Stromstrang 1“ und„Stromstrang 2“ gekennzeichnet. Wie zu erkennen ist, handelt es sich bei beiden Ansteuerungsströmen um trapezförmige Ströme, die zueinander um 180° phasenversetzt sind. Beide trapezförmigen Ströme bilden an dem jeweiligen Minimum/an dem jeweiligen Maximum ein Plateau aus. Die Flanke kann beispielsweise bei dem Nulldurchgang eine Unstetigkeit aufweisen.
Entsprechend Ausführungsbeispielen erfolgt die Bestromung der Stränge über Stromregelung entsprechend vorgegebener Sollstromwerte sowie über die von der Lageerfassung des Läufers gesteuerte Einschaltphase und Polarität für beide Stränge. Deshalb ist den Stromsträngen 1 und 2 die Lageerfassung LA1 , LA2, LA3 und LA4 gegenübergestellt. LA1 kann beispielsweise an der Spule 1 eine Lage erfassen, LA2 an der Spule 2, LA3 an der Spule 3, LA4 an der Spule 4.
Wie zu erkennen ist, ist der Stromstrang 2 im positiven Plateau während der positiven LA3- Werte, während der Stromstrang 2 sich im negativen Plateau während der positiven LA4- Werte befindet. Stromstrang 1 befindet sich im positiven Plateau während der positiven LA1 -Werte und im negativen Plateau während der positiven LA2-Werte. Insofern kann entsprechend einem Ausführungsbeispiel ausgehend von der Lageerfassung LA1 und LA2 der Stromstrang 1 gesteuert werden, während ausgehend von der Lageerfassung LA3 und LA4 der Stromstrang 2 gesteuert wird. Hierbei ist beispielsweise die Stromstrangsteuerung von dem Strängen 1 und 2 äquivalent.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen durch Polaritätswechsel der Stromstränge in beiden Strängen die Drehrichtung des Läufers gewechselt werden kann.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 4b bis 4d die entsprechenden Ströme in den Stromsträngen in Relation zu den Relativpositionen von Magneten des Stators und den Spulen gesetzt.
Alle Fig. 4b bis 4c zeigen die kleinste Motorvariante (Grundmotor K = 1 , d. h. vier Spulen und sechs Magnete) in einem aufgeklapptem Zustand. Die Spulen sind mit den Bezugszeichen 121a bis 12ld gekennzeichnet, während die Magnete mit den Bezugszeichen 14a bis 14f gekennzeichnet sind. Darüber hinaus ist mittels N und S kenntlich gemacht, ob der Nordpol oder der Südpol der Magnete 14a bis 14f den jeweiligen Spulen gegenüberliegt. Ebenso mittels N und S ist die Bestromungsrichtung der Spulen kenntlich gemacht, wobei eine stromlose Spule eben weder mit N noch mit S gekennzeichnet ist.
In Fig. 4b und 4d ist der Läufer zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt kenntlich gemacht, um die Bewegung des Läufers 14 infolge der anziehenden/abstoßenden Kräfte darzustellen. Die anziehenden/abstoßenden Kräfte sind mittels Pfeilen kenntlich gemacht.
Ausgehend davon, dass in Fig. 4b und 4d bereits zwei Zeitpunkte (d. h. zwei unterschiedliche Relativpositionen zwischen Stator 12 und Läufer 14) darstellt, sind in den Fig. 4b bis 4e insgesamt sechs Relativpositionen illustriert. Diese sechs Relativpositionen sind alle zeitlich aufeinanderfolgend und repräsentieren die Bewegung eines Magneten (z. B. des Magneten 14b) von einer Spule, z. B. 121a (vgl. Fig. 4b) zu der nächsten Spule, z. B. 121b (vgl. Fig. 4e).
Bei der Position 1 aus Fig. 4b wird beispielsweise durch die Spule 121a (Nord-Bestromung) der Nordpol des Magneten 14d abgestoßen. Gleichzeitig wird der Südpol des Magneten 14c durch den Nordpol der Spule 121b angezogen. Ausgehend von der Süd-Bestromung der Spule 12lc erfolgt hier wiederum eine Abstoßung des Magneten 14e, während der Magnet 14f durch die„Süd-bestromte“ Spule 12ld angezogen wird.
Bei der in Fig. 4c dargestellten Situation ist nur noch die Spule 121a„Nord-bestromt“, während die Spule 12lc„Süd-bestromt“ ist. Hierdurch entsteht an den bestromten Spulen gleichzeitig eine Anziehung des Südpols 14a sowie eine Abstoßung des Nordpols 14b bzw. eine Anziehung des Nordpols 14d und eine Abstoßung des Südpols 14e.
Bei der in Fig. 4d dargestellten Situation sind die Spulen 121a und 12ld„Nord-bestromt“, während die Spulen 121b und 121c„Süd-bestromt“ sind. Die entsprechende Anziehung und Abstoßung der Magnete 14a, 14c, 14d und 14f ist entsprechend dargestellt.
Bei der in Fig. 4e dargestellten Situation sind die Spulen 121b (Süd) und 12ld (Nord) bestromt. Durch 121b wird der Nordpol von 14b angezogen und der Südpol von 14c abgestoßen. Durch 12ld wird der Südpol 14e angezogen und der Nordpol 14f abgestoßen Die entsprechenden Positionen 1 , 1 ', 2, 3, 3‘, 4, zugehörig zu den Fig. 4b bis 4e, sind in dem Stromdiagramm aus Fig. 4a kenntlich gemacht. Die Polaritäten wechseln von Stromstrang 1 zu Stromstrang 2 entsprechend der„Nord-“ bzw.„Süd-Bestromung“. Eine Spule wird immer zu dem Zeitpunkt nicht bestromt, zu dem sich der entsprechende Zeitpunkt 1 , 1 ', 2, 3, 3‘, 4 an einem entsprechenden Nulldurchgang bzw. Nullplateau befindet. Ein Beispiel hierfür ist Zeitpunkt 2 und Strang 2.
Bezüglich der Zug- bzw. Abstoßungskräfte sei allgemein angemerkt, dass außerhalb von Stromlücken jede Spule zwei Magneten antreibt (zieht bzw. schiebt), während in einer Stromlücke (zur Polumschaltung der Spule) in dem anderen Strang die maximale Kraft auf zwei Magneten ausgeübt wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen der oben erläuterten Motoren 10 oder 10‘ mit einem entsprechenden Gehäuse, dass druckneutral, z. B. unter Verwendung von Silikonen, geschlossen ist. Dieses Gehäuse kann entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einem Fluid gefüllt sein.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Welle aus dem Gehäuse herausragen, so dass hier ein Propeller oder ein weiteres anzutreibendes Modul angekoppelt werden kann.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass obige Ausführungsbeispiele nur illustrativ sind, wobei der Schutzbereich durch die nachfolgenden Ansprüche definiert wird.

Claims

Patentansprüche
1. Elektromotor (10, 10‘), mit folgenden Merkmalen: einem Scheibenläufer (14, 14'), der eine Mehrzahl an entlang eines Kreises (12kk‘, 14kk, 14kk‘) um eine Rotationsachse (16) des Scheibenläufers (14, 14') angeordnete Magneten (14a-14f, 14a‘-14f) aufweist, einem ersten (121, 121') und einem zweiten Ständer (12r, 12r‘), die jeweils eine Mehrzahl an ansteuerbaren Spulen (12la-12ld, 12ra-12rd, 12la’-12ld’, 12ra’-12rd") aufweisen; wobei der erste Ständer (121, 12G) auf einer ersten entlang der Rotationsachse (16) liegenden Seite mit einem Spalt (151, 15r, 15l'-15r‘) zwischen dem ersten Ständer (121, 12 ) und dem Scheibenläufer (14, 14‘) angeordnet ist, wobei der zweite Ständer (12r, 12r‘) auf einer zweiten entlang der Rotationsachse (16) liegenden Seite, die der ersten Seite gegenüberliegt, mit einem Spalt (151, 15r, 15l‘-15r‘) zwischen dem zweiten Ständer (12r, 12r‘) und dem Scheibenläufer (14, 14‘) angeordnet ist; wobei der Scheibenläufer (14, 14‘) 6 x K Magnete (14a-14f, 14a‘-14f) aufweist und wobei jeder Ständer (121, 12r, 121', 12r‘) 4 x K Spulen (12la-12ld, 12ra-12rd, 121a’- 12ld’, 12ra’-12rdn) umfasst, die entlang eines konzentrischen Kreises (12kk‘, 14kk‘) um die Rotationsachse (16) angeordnet sind, wobei K eine ganzzahlige Motorkonstante ist.
2. Elektromotor (10, 10') gemäß Anspruch 1 , wobei die ganzzahlige Motorkonstante K mindestens 1 oder mindestens 2 beträgt.
3. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnete (14a-14f, 14a‘-14f) symmetrisch entlang des konzentrischen Kreises (12kk‘, 14kk‘) verteilt sind.
4. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Magnete (14a-14f, 14a‘-14f) mit abwechselnder Polung entlang des konzentrischen Kreises (12kk‘, 14kk‘) angeordnet sind.
5. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Scheibenläufer (14, 14‘) eisenlos implementiert ist.
6. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Scheibenläufer (14, 14‘) mit seiner Mehrzahl der Magnete (14a-14f, 14a‘-14f) derart vergossen ist, dass eine dem ersten Ständer (121, 12G) zugewandte Oberfläche und/oder eine dem zweiten Ständer (12r, 12r‘) zugewandte Oberfläche geschlossen oder glatt ist oder durch eine Ebene geformt ist.
7. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Magneten (14a, 14c, 14e, 14b, 14d, 14f) wechselnd in Nord-Süd-Richtung und in Süd- Nord-Richtung ausgerichtet sind, wobei Nord-Süd-Richtung heißt, dass der Nordpol zu dem ersten Ständer (121) zeigt, während der Südpol zu dem zweiten Ständer (12r) zeigt, und wobei Süd-Nord-Richtung heißt, dass der Südpol zu dem ersten Ständer (121) zeigt, während der Nordpol zu dem zweiten Ständer (12r) zeigt. .
8. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede zweite der vier Spulen (12la-12ld, 12ra-12rd, 12la’-12ld’, 12ra’-12rd") zu einem Strang kombiniert sind , wobei die ungerade Spulen mit wechselnder Bestromungs- richtung zu einem ersten Strang und die gerade Spulen mit wechselnder Bestro- mungsrichtung zu einem zweiten Strang verbunden sind .
9. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Ständer (12r, 12r‘) druckneutral vergossen sind und/oder druckneutral vergossen sind.
10. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und der zweite Ständer (12r, 12r‘) in einem solchen Abstand zum Läufer angeordnet sind, dass sich am Scheibenläufer die Anzugskräfte durch die Magnete zu den Eisenkernen aufheben.
1 1. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Spalt (151, 15r, 15 -15r‘) eine Breite von 0,5 bis 2 mm oder 0,8 bis 2,0 mm oder 0,8 bis 4,0 mm oder 1 ,0 bis 4 mm oder 1 ,5 bis 4 mm oder 1 ,5 bis 2,0 mm aufweist.
12. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (10, 10‘) und/oder der Spalt (151, 15r, 15G-15r‘) mit einem Fluid gefüllt ist; und/oder wobei der Elektromotor (10, 10‘) und/oder der Spalt (151, 15r, 15 -15r‘) mit einem Umgebungsmedium gefüllt ist, wenn der Elektromotor (10, 10‘) im Unterwasserbetrieb betrieben wird.
13. Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elektromotor (10, 10‘) eine Ansteuerungseinrichtung aufweist, wobei die Ansteuerungseinrichtung für jeden Strang von Spulen (12la-12ld, 12ra-12rd, 12la’-12ld’, 12ra’-12rd") eine H-Brücke aufweist.
14. Elektromotor (10, 10‘) gemäß Anspruch 13, wobei die Ansteuerungseinrichtung ausgebildet ist, als Tiefsetzsteller mit Strangstromregelung zu fungieren.
15. Elektromotor (10, 10') gemäß Anspruch 13 oder 14, wobei die Ansteuerungseinrichtung eine Lageerfassung in beiden oder in einem Ständer aufweist, die ausgebildet ist, um die Lage der Magneten im Scheibenläufer (14, 14') zu erfassen; oder wobei die Ansteuerungseinrichtung eine Lageerfassung aufweist, die ausgebildet ist, um eine Lage des Scheibenläufer (14, 14') zu erfassen, und ausgebildet ist, um in Abhängigkeit von der erfassten Lage mittels Stromregelung entsprechend vorgegebenem Stromsollwert die Stränge der Spulen (12la-12ld, 12ra-12rd, 12la’-12ld’, 12ra’-12rd’‘) bezüglich Einschaltphase und/oder Polarität zu steuern.
16. Elektromotor (10, 10') gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei die Drehrichtung des Läufers durch Polaritätswechsel der Strangströme in den Strängen gewechselt wird.
17. Unterwasserantrieb mit einem Gehäuse und einem in dem Gehäuse angeordneten Elektromotor (10, 10‘) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
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