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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Technisches Gebiet
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Die
folgende Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Innenläufermotor,
der mit einem Läufer
versehen ist, der eine Vielzahl von segmentartigen Magneten aufweist,
welche innerhalb eines Stators derartig angeordnet sind, dass sie
dem Stator gegenüberliegen.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Als
herkömmlicher
bürstenloser
Innenläufermotor
war bisher einer bekannt, der mit einem Rotor versehen war, welcher
segmentartige Magneten radialer Orientierung aufweist (d.h. ein
magnetisches Feld wird auf den Stator hin gerichtet und weitet sich zum
Stator hin aus) (siehe z.B. folgendes Patentdokument: Japanische
Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-230239).
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Ein
solcher herkömmlicher
bürstenloser
Motor, der Magnete radialer Orientierung aufweist, bringt folgendes
Problem mit sich; d.h. die magnetische Flussdichte im Spalt zwischen
dem Stator und dem Rotor ist niedrig, und der Wert einer induzierten Spannung
wird dementsprechend niedrig, sodass ein niedriges Ausgabedrehmoment
pro Stromeinheit zur Verfügung
steht.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist dafür
gedacht, dass oben genannte Problem zu vermeiden, und hat als Aufgabe,
einen bürstenlosen
Motor zu entwickeln, der in der Lage ist das Ausgabedrehmoment zu
erhöhen,
während
er gleichzeitig einen Anstieg des Eisenverlusts unterdrückt.
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In
einem bürstenlosen
Motor entsprechend der vorliegenden Erfindung werden Magneten in
entgegengesetzter radialer Orientierung derart magnetisiert, dass
die zum Stator hingerichteten Magnetfelder zum Stator hin zusammenlaufen,
und jeder der Magneten an entgegengesetzten Enden auf einer äußeren Oberfläche mit
einem Paar eingekerbter Abschnitte versehen ist, die abgeschnitten
sind um sich allmählich
in axialer Richtung anzunähern
während sie
von einem Zwischenabschnitt zu den entgegengesetzten Enden verlaufen.
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Mit
dem bürstenlosen
Motor entsprechend der vorliegenden Erfindung kann dessen Ausgabedrehmoment
erhöht
werden, während
ein Anstieg des Eisenverlusts unterdrückt wird.
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Die
oben genannten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden dem Fachmann aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung der vorzugsweisen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung in Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen klarer werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine seitliche Schnittansicht, die einen bürstenlosen Motor entsprechend
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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2 ist
eine vordere Schnittansicht, die den bürstenlosen Motor der 1 zeigt.
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3 ist
eine Ansicht, die die Orientierung des Magnetfeldes des Magnets
der 1 zeigt.
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4 ist
ein vorderer Aufriss, der den Magneten der 1 zeigt.
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5 ist
eine charakteristische Grafik, die das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel
eines Läufers
und einer induzierten Spannung pro Phase zeigt.
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6 ist
ein Vorderaufriss, der einen Magneten radialer Orientierung zeigt.
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7 ist
eine charakteristische Grafik, die das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel
des Läufers und
einer induzierten Spannung pro Phase im Magneten der 6 zeigt.
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8 ist
ein Vorderaufriss, der einen Magneten paralleler Orientierung zeigt.
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9 ist
eine charakteristische Grafik, die das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel
eines Läufers
und einer induzierten Spannung pro Phase im Magneten der 8 zeigt.
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10 ist
ein Vorderaufriss, der einen Magneten entgegengesetzten radialer
Orientierung zeigt.
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11 ist
eine charakteristische Grafik, die das Verhältnis zwischen dem Drehwinkel
eines Läufers
und einer induzierten Spannung pro Phase im Magneten der 10 zeigt.
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12 ist
eine charakteristische Grafik, die das Verhältnis zwischen einem Formfaktor α und einem
Eisenverlustverhältnis
im bürstenlosen
Motor entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt.
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13 ist
eine charakteristische Grafik, die das Verhältnis zwischen einem Formfaktor α und einem
Drehmomentverhältnis
im bürstenlosen
Motor entsprechend der ersten Ausführungsform zeigt.
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14 ist
ein Vorderaufriss, der die Orientierung des Magnetfelds des Magneten
entsprechend der zweiten Ausführungsform
zeigt.
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15 ist
eine Schnittansicht, wenn der Magnet der 14 entlang
einer axialen Richtung geschnitten wird.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im
Folgenden werden nun bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben. In allen folgenden Ausführungsformen und Illustrationsfiguren
der vorliegenden Erfindung sind gleiche oder entsprechende Elemente oder
Teile durch gleiche Symbole identifiziert.
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1. Ausführungsform
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1 ist
eine seitliche Schnittansicht, wenn ein bürstenloser Motor entsprechend
der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung entlang einer axialen Richtung geschnitten
wird. 2 ist eine vordere Schnittansicht, wenn der bürstenlose
Motor der 1 entlang eines Durchmessers
geschnitten wird.
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Dieser
bürstenloser
Motor, allgemein durch Bezugszeichen 1 bezeichnet, besteht
aus einem Motor für
eine elektrohydraulische Servolenkvorrichtung, der stetig betrieben
wird um selbst während dem
Nichtlenken in Funktion zu sein, und der mit einem Läufer 6 versehen
ist, der fest am einem Schaft 16 angebracht ist, und mit
einem Stator 4 versehen ist, der durch Presspassung fest
in und am Rahmen 2 einer aus Stahlblech geformten, mit
einem Boden abgeschlossenen zylindrischen Form angebracht ist, und
der um den äußeren Rand
des Läufers 6 herum unter
Bildung eines dazwischenliegenden Abstands angeordnet ist.
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Der
Läufer 6 wird
drehbar an einem aus Aluminium gefertigten Gehäuse 7 und dem Rahmen 2 durch
den Schaft 16 an seinen entgegengesetzten Enden mittels
eines ersten am Gehäuse 7 befestigten
Lagers 8 und eines zweiten am Boden des Rahmens 2 angebrachten
Lagers 9 gehalten. In diesem Läufer 6 sind segmentartige
Magneten 5 in der Form von Ferritmagneten so angeordnet,
dass sie dem Stator 4 mit ihren Nordpolen gegenüberliegen
und die Südpole
in abwechselnder Weise angeordnet sind.
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Der
Stator 4 ist mit einem Kern 10 versehen, der aus
schichtweise angeordneten Blechen gebildet ist und neun Aussparungen 11 aufweist,
welche an seiner radialen inneren Seite gebildet sind, sich in einer
axialer Richtung erstrecken und in einer Umfangsrichtung in gleichen
Abständen
angeordnet sind, und ist mit Spulen 3 versehen, die jeweils
in den Aussparungen 11 angeordnet sind und jeweils um sich
radial erstreckende Kernelemente des Kerns 10 gewunden
sind.
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Dieser
bürstenloser
Motor 1 wird als Antriebsquelle für die (nicht gezeigte) elektrohydraulische
Servorlenkvorrichtung benutzt, und wenn ein Fahrer ein Lenkrad eines
nicht gezeigten Fahrzeuges bedient, wird der bürstenlose Motor 1 gesteuert, um
entsprechend des Lenkwinkels des Lenkrads, der Fahrtgeschwindigkeit
des Fahrzeugs usw. zu arbeiten, so dass eine nicht gezeigte hydraulische
Pumpe vom bürstenlosen
Motor 1 angetrieben wird, um hydraulischen Druck zu erzeugen,
der wiederum dazu dient eine lenkunterstützende Kraft mittels eines Kraftzylinders
einem nicht gezeigten Lenksystem zu liefern.
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Bei
dem bürstenlosen
Motor 1 werden die Windungen 3 der jeweiligen
Phase mit Strömen
versorgt, die entsprechend dem Lenkwinkel des Lenkrads, der Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs usw. geschaltet werden, so dass rotierende Felder
im Stator 4 erzeugt werden, wodurch der Läufer 6 so
angetrieben wird, dass er den rotierenden Feldern folgt.
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3 veranschaulicht
einen in den 1 und 2 gezeigten
Magneten 5, der in entgegengesetzter radialer Orientierung
so magnetisiert ist, dass ein sich in Richtung des Stators 4 erstreckendes
Magnetfeld zum Stator 4 hin zusammenläuft, und der an seinen entgegengesetzten
Enden mit einem Paar eingekerbter Abschnitte 12 versehen
ist, die in einer Weise abgeschnitten sind, dass sie sich schrittweise in
axialer Richtung (d.h. mit ihrem schrittweise abnehmenden Radius)
annähern,
während
sie von einem Zwischenabschnitt zu den entgegengesetzten Enden verlaufen.
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Die
Fläche
S (siehe 4) jedes Paares der eingekerbten
Abschnitte 12 wird allgemein ausgedrückt als S = (D2/P) × α, wobei D
der Durchmesser des äußeren axialen
Zwischenabschnitts jedes Magneten 5 ist; P die Anzahl der
Polpaare ist; und α der Formfaktor
ist. In diesem Fall ist die Anzahl der Aussparungen 9;
P ist 3; und der Formfaktor α ist zu jeder Zeit ein Wert,
der im Bereich von 0 < α ≤ 0,012 ist.
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Zum
Beispiel ist der Aufbau jedes eingekerbten Abschnitts 12 in
linearer Form abgeschnitten, aber er kann auch in einer kreisbogenförmigen Form abgeschnitten
sein.
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Der
Erfinder hat durch Experimente eine charakteristische Grafik erhalten,
welche das Verhältnis
zwischen dem Drehwinkel des Läufers 6 und der
pro Phase induzierten Spannung im bürstenlosen Motor dieser ersten
Ausführungsform
zeigt. 5 ist die charakteristische Grafik, die zu jener
Zeit erhalten wurde.
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Zudem
hat der Erfinder durch Experimente charakteristische Grafiken eines
bürstenlosen
Motors erhalten, der einen Magneten 5A radialer Orientierung
als Vergleichsbeispiel benutzt, wie in 6 gezeigt
ist. 7 ist die zu jener Zeit erhaltene charakteristische
Grafik.
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In ähnlicher
Weise wurde eine charakteristische Grafik eines bürstenlosen
Motors erhalten, der einen Magneten 5B paralleler Orientierung
benutzt (d.h. wo die in Richtung eines Stators gerichteten Magnetlinien
zueinander parallel sind), wie in 8 gezeigt
ist. 9 ist die zu jener Zeit erhaltene charakteristische
Grafik.
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Zudem
wurde eine charakteristische Grafik eines bürstenlosen Motors erhalten,
der einen Magneten 5C entgegengesetzter radialer Orientierung benutzt,
der an seinen entgegengesetzten Enden keine eingekerbten Abschnitte
aufweist, wie in 10 gezeigt ist. 11 ist
die zu jener Zeit erhaltene charakteristische Grafik.
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Aus
den charakteristischen Grafiken der 7, 9 und 11 kann
ersehen werden, dass die induzierte Spannung pro Phase größer ist,
wenn der Magnet 5B paralleler Orientierung benutzt wurde als
wenn der Magnet 5A radialer Orientierung benutzt wurde,
und dass die induzierte Spannung pro Phase größer ist, wenn der Magnet 5C entgegengesetzt
radialer Orientierung benutzt wurde als wenn der Magnet 5B paralleler
Orientierung benutzt wurde.
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Das
liegt daran, dass die magnetische Flussdichte in einem Spalt zwischen
dem Stator 4 und dem Läufer 6 größer ist
im Falle des Magneten 5C entgegengesetzt radialer Orientierung
als im Fall der anderen Magneten 5A, 5B. Für den Magneten 5C war
die Wellenform der induzierten Spannung pro Phase keine flache Kurve,
sondern es wurde für
den Fall des Magneten entgegengesetzt radialer Orientierung, welcher
die eingekerbten Abschnitte 12 an seinem entgegengesetzten
Ende aufweist, eine Wellenform einer Kurve erhalten, die einer Sinuswelle
sehr viel ähnlicher
ist.
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12 ist
eine durch Experimente erhaltene charakteristische Grafik, die die Änderung
eines Eisenverlustsverhältnisses
relativ zum Formfaktor α im bürstenlosen
Motor dieser Ausführungsform
zeigt, wobei der Formfaktor α auf
der Ordinatenachse aufgetragen ist und das Eisenverlustverhältnis auf
der Abszissenachse aufgetragen ist. Das Eisenverlustverhältnis ist
auf 100 gesetzt, wenn α =
0 ist, d.h. wenn die Fläche
S jedes eingekerbten Abschnitts 12 Null ist. Aus dieser
Figur kann man ersehen, dass je größer die Fläche S ist, desto kleiner wird
der Eisenverlust.
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13 ist
eine durch Experimente erhaltene charakteristische Grafik, die die Änderung
des Drehmomentverhältnisses
relativ zu αzeigt,
wobei der Formfaktor α auf
der Ordinatenachse aufgetragen ist und das Drehmomentverhältnis auf
der Abszissenachse aufgetragen ist. Wie aus dieser Figur gesehen werden
kann, ist das Ausgangsdrehmoment pro Stromeinheit auf 100% gesetzt,
wenn α =
0 ist, d.h. wenn die Fläche
S jedes eingekerbten Abschnitts 12 Null ist. Entsprechend
dieser charakteristischen Grafik, wird man verstehen, dass das Ausgangsdrehmoment
pro Stromeinheit abnimmt, wenn die Fläche jedes eingekerbten Abschnitts 12 zunimmt.
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Je
höher die
magnetische Flussdichte im Abstand zwischen dem Stator 4 und
dem Läufer 6 ist, desto
größer wird
das Motorausgangsdrehmoment, und somit nehmen die Werte der magnetischen Flussdichte
in Reihe des Magneten 5A radialer Orientierung, des Magneten 5B paralleler
Orientierung und des Magneten 5 von entgegengesetzt radialer Orientierung
zu.
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Der
Erfindung hat durch Experimente herausgefunden, dass wenn das Drehmomentverhältnis bei
einem bürstenlosen
Motor, der den Magneten 5C entgegengesetzt radialer Orientierung
mit sechs Polen und neun Aussparungen enthält, auf 100% gesetzt ist, dass
dann das Drehmomentverhältnis
eines bürstenlosen
Motors, der einen Magneten 5B paralleler Orientierung mit
sechs Polen und neun Aussparungen enthält, 93% ist.
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Dementsprechend
kann aus der charakteristischen Grafik der 13 gesehen
werden, dass, um für
den bürstenlosen
Motor dieser Ausführungsform ein
höheres
Drehmoment zu erhalten als das eines bürstenlosen Motors der den Magneten 5B paralleler Orientierung
beinhaltet, es notwendig ist, den Formfaktor in einem Bereich von α ≤ 0,012 festzulegen. Zusätzlich,
wenn der Formfaktor α =
0 ist, ist die Fläche
jedes gekerbten Abschnitts 12 Null und um somit S größer als
0 werden zu lassen, wird α größer als Null
(0 < α) gesetzt.
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Entsprechend
dem bürstenlosen
Motor dieser Ausführungsform
ist die magnetische Flussdichte jedes Magneten 5 im Abstand
zwischen dem Stator 4 und dem Läufer 6 größer als
in den anderen Magneten 5A und 5B, und somit wird
ein Anstieg in Eisenverlust dementsprechend größer, aber wie aus der charakteristischen
Grafik der 5 zu sehen ist, dienen die vorhandenen
eingekerbten Abschnitte 12 jedes Magneten 5 dazu,
die Spannung, die pro Phase im bürstenlosen
Motor induziert wird, in Bezug auf den Drehwinkel des Läufers 6 in
eine Kurve ähnlich einer
Sinuswelle zu bringen, wobei der Anstieg des Eisenverlusts unterdrückt werden
kann und es so ermöglicht
wird, eine hohe induzierte Spannung pro Phase sicherzustellen.
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Darüber hinaus
ist die induzierte Spannung eine Kurve nahe der Sinuswelle so dass
ein starker Anstieg im magnetischen Fluss unterdrückt wird
und damit ein großer
Effekt auf die Reduzierung des Verzahnungsdrehmoments und damit
auf die Reduzierung von Lärm
bewirkt wird.
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Des
Weiteren ist jeder Magnet 5 eingekerbt oder an entgegengesetzten
Enden seiner Außenflächen abgeschnitten,
so dass das Volumen jedes Magneten 5 dementsprechend reduziert
werden kann und somit dementsprechend die Herstellungskosten ebenfalls
reduziert werden können.
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Des
weiteren ist, wenn der Formfaktor αim Bereich von 0 < α ≤ 0,012 ist,
ein Ausgangsdrehmoment pro Stromeinheit des bürstenslosen Motors dieser Ausführungsform
sichergestellt, welches größer ist
als das des bürstenlosen
Motors 6, welcher die Magneten 5B paralleler Orientierung
mit sechs Polen und elf Aussparungen aufweist.
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Hier
ist zu bemerken, dass wenn der Formfaktor αnahe Null ist innerhalb der
Bereichs von 0 < α ≤ 0,012, der
Drehmoment pro Stromeinheit groß wird und
sich dadurch für
einen bürstenlosen
Motor eignet, in welchem ein hohes Drehmoment im tatsächlichen
Anwendungsbereich liegt, wohingegen wenn der Formfaktor α in der Nähe von 0,012
liegt, die induzierte Spannung eine Wellenform hat, die dementsprechend
nahe einer Sinuswelle ist, und das Eisenverlustverhältnis klein
ist, sodass er für
einen bürstenlosen
Motor geeignet ist in dem hohe Drehgeschwindigkeiten im tatsächlichen
Nutzungsbereich liegen.
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Dementsprechend
ergeben sich folgende Vorteile, wenn der bürstenlose Motor dieser Ausführungsform
auf eine elektrohydraulische Servolenkvorrichtung angewendet wird,
welche selbst während Nicht-Lenkens
stetig angetrieben wird. D.h. es wird möglich, das Strommaximum bei
hohem Drehmoment, welches stationärem Lenken entspricht, zu verringern,
sodass die Belastung der Batterie verringert werden kann und zur
gleichen Zeit aufgrund der Verringerung des Eisenverlusts die Strommenge ebenso
reduziert werden kann, welche während
des Nichtlenkvorgangs verbraucht wird, in welchem der bürstenlose
Motor stetig angetrieben ist, um auf niedrigem Drehmomentniveau
zu arbeiten, sodass es ermöglicht
wird, den Benzinverbrauch zu verbessern.
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2. Ausführungsform
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14 ist
ein Vorderaufriss, welcher einen Magneten 5 entsprechend
einer zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht, und 15 ist
eine Schnittansicht, wenn der Magnet 5 der 14 entlang
einer axialen Richtung geschnitten wird.
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Ähnlich der
oben genannten ersten Ausführungsform
ist dieser Magnet 5 in entgegengesetzt radialer Richtung
derartig magnetisiert, dass ein zum Stator 4 hin gerichtetes Magnetfeld
zum Stator 4 hin zusammenläuft, und der Magnet 5 ein
Paar eingekerbter Abschnitte 12 aufweist, die an entgegengesetzten
Enden seiner äußeren Randflächen gebildet sind.
Zusätzlich
ist der Magnet 5 so magnetisiert, dass das in Richtung
auf Stator 4 gerichtete Magnetfeld an einer axial mittleren
Seite des Kerns 10 an einem entlang der axialen Richtung
genommenen Schnitt zusammenläuft
(Mittenorientierung), wie in 15 gezeigt
ist.
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Bei
dem bürstenlosen
Motor dieser zweiten Ausführungsform
können
dieselben Vorteile wie jene der ersten Ausführungsform erhalten werden
und zudem ist das Magnetfeld des Magneten 5 in einer mittigen
Orientierung angeordnet, sodass Streufluss zum Stator 4 reduziert
werden kann und das Ausgangsdrehmoment dementsprechend verbessert werden
kann.
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Obwohl
die Erfindung mittels bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden
ist, wird der Fachmann erkennen, dass die Erfindung mit Veränderungen
durchgeführt
werden kann, welche im Sinne und im Bereich der beigefügten Ansprüche liegen.