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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor mit integriertem Wellgetriebe,
welches einen kreisförmigen Außenring und ein
Innenrad aufweist.
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Getriebemotoren
dienen meist zur Übersetzung einer rotativen Antriebsbewegung
auf eine rotative Abtriebsbewegung. Solche Motoren vereinen eine
Motorfunktion mit einer Getriebefunktion, wobei die Getriebefunktion
zumeist mittels eines Hohlrades und eines im Hohlrad exzentrisch
umlaufenden kleineren Innenrades realisiert wird. Zwischen diesen Rädern
kann über eine Verzahnung oder reibschlüssig ein
Drehmoment übertragen werden. Die Getriebeübersetzung
ergibt sich aus der Differenz der Durchmesser bzw. der Differenz
der Zähnezahl. Dabei ist die Übersetzung umso
größer, je höher die Zähnezahl
und je geringer die Differenz der Durchmesser ist. Problematisch
ist bei solchen herkömmlichen Getriebemotoren allerdings
die exzentrische Bewegung des Innenrades. Denn vom exzentrisch umlaufenden
Innenrad muss das Drehmoment auf eine zentrisch laufende Abtriebswelle übertragen werden.
Der Kupplungsmechanismus muss daher einerseits das Moment übertragen
und andererseits zusätzlich die Exzentrizität
ausgleichen.
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Aus
der Druckschrift
DE
10 2006 017 713 A1 ist hingegen ein Getriebemotor bekannt,
bei dem das innere Zahnrad elastisch verformt wird. Dadurch erhält
es eine elliptische Form und hat auf zwei Seiten des Hohlrades Zahneingriff.
Der Antrieb erfolgt über einen Wellengenerator, der die
elastische Verformung des inneren Zahnrades bewirkt. Nachteilig
ist jedoch, dass nur geringe elastische Verformungen möglich
sind, so dass nur Übersetzungen ab ca. 30 realisierbar
sind.
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Eine
andere bekannte Ausführung von Getrieben sind Stirnradgetriebe.
Um mit Stirnradverzahnungen große Übersetzungen
zu realisieren, sind mehrstufige Getriebemotoren nötig.
Die Mehrstufigkeit der Getriebe führt zu einer Vergrößerung
des Bauraumes, der Teilezahl und der Herstellungskosten.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Getriebemotor
zu schaffen, der sich trotz einstufigen Getriebes für große Übersetzungen eignet,
und bei dem der Antrieb des Hohlrades direkt elektromagnetisch erfolgt.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Elektromotor gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
Elektromotor sieht erfindungsgemäß vor, dass der
Außenring verschoben wird und eine Bewegung ausführt,
bei der der Mittelpunkt des Außenringes sich entlang einer
Kreisbahn bewegt. Da durch rollt der Außenumfang des Innenrades
entlang dem Innenumfang des Außenrings ab. Das Innenrad
rotiert dabei zentrisch um eine Achse, die durch den Mittelpunkt
der Kreisbahn führt. Es ist entlang dieser Achse drehbar
gelagert und wird mittels der Bewegung des Außenringes
angetrieben.
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Die
Verschiebung des Außenringes wird durch ein Magnetfeld
hervorgerufen, das durch Anregung der Erregerspulen erzeugt wird.
Die Erregerspulen sind vorzugsweise auf Magnetpolen vorgesehen.
Sie werden abwechselnd so angesteuert, dass die Überlagerung
der durch die Erregerspulen erzeugten Magnetfelder ein Magnetfeld
bewirkt, welches in einer Umfangsrichtung des Außenringes wandert.
Dieses wandernde Magnetfeld wirkt dabei auf ein magnetisch beeinflussbares
Bauteil.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform ist das magnetisch beeinflussbare
Bauteil der Außenring und/oder am Außenring angeordnet.
Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das
magnetisch beeinflussbare Bauteil an einem Stator des Elektromotors
angeordnet ist. Dabei ist das magnetisch beeinflussbare Bauteil
vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet.
Weiterhin bevorzugt ist das magnetisch beeinflussbare Bauteil zumindest
teilweise oder vollständig ein Permanentmagnet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können
mehrere magnetisch beeinflussbare Bauteile vorgesehen sein, die
bevorzugt am Außenring vorgesehen sind. Die mehreren beeinflussbaren Bauteile
können ebenfalls bevorzugt am Stator des Elektromotors,
oder teilweise am Stator und teilweise am Außenring angeordnet
sein. Auch in diesen Ausführungsformen sind die mehreren
beein flussbaren Bauteile vorzugsweise Permanentmagnete.
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Sofern
magnetisch beeinflussbare Bauteile durch den Außenring
gebildet oder an dem Außenring angeordnet sind, sind die
Erregerspulen am Stator angeordnet. Falls hingegen die Erregerspulen
am Außenring angeordnet sind, sind magnetisch beeinflussbare
Bauteile am Stator angeordnet.
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Besonders
bevorzugt sind die magnetisch beeinflussbaren Bauteile den Magnetpolen
beziehungsweise Erregerspulen gegenüberliegend angeordnet.
Dabei ist ebenfalls bevorzugt ein Luftspalt zwischen den magnetisch
beeinflussbaren Bauteilen und den Magnetpolen beziehungsweise den
Erregerspulen vorgesehen. Dabei ist die Größe
des Luftspaltes entsprechend der Verschiebung des Außenringes veränderlich.
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Der
Einsatz von Permanentmagneten als magnetisch beeinflussbare Bauteile
hat den Vorteil, dass neben anziehenden auch abstoßende
Kräfte nutzbar sind, und dass die im Luftspalt auftretenden Kräfte
beim Einsatz von Permanentmagneten wesentlich verstärkt
sind.
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Beim
Abrollen des Innenrades am Außenring wirken das Innenrad
und der Außenring bevorzugt reib- und/oder formschlüssig
zusammen. Dabei weist das Innenrad in einer bevorzugten Ausführungsform eine
Außenverzahnung auf, wobei der Außenring eine
Innenverzahnung aufweist, so dass die Außenverzahnung des
Innenrades zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des Außenringes
in Eingriff ist. Vorzugsweise weist dabei die Innenverzahnung des Außenrades
eine größere Zähnezahl als die Außenverzahnung
des Innenrades auf.
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Da
die Erregerspulen am Stator und das magnetisch beeinflussbare Bauteil
durch den Außenring gebildet oder am Außenring
angeordnet sind, oder da das magnetisch beeinflussbare Bauteil durch
den Stator gebildet oder am Stator angeordnet ist und die Erregerspulen
am Außenring angeordnet sind, und da der Außenring
verschiebbar gelagert ist, können durch Ansteuerung der
Erregerspulen gezielt sich überlagernde Magnetfelder erzeugt
werden, die eine Verschiebung des Außenringes bewirken.
Dabei wird das magnetisch beeinflussbare Bauteil durch die Erregerspulen
angezogen und/oder – bei Einsatz von Permanentmagneten – abgestoßen.
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Bevorzugt
erfolgt die Ansteuerung in Abhängigkeit von der Größe
eines zwischen dem Magnetpol beziehungsweise der Erregerspule und
einem gegenüberliegenden magnetisch beeinflussbaren Bauteil
bestehenden Luftspaltes. Und zwar wird das von der Erregerspule
erzeugte Magnetfeld bevorzugt ausgeschaltet, wenn der Luftspalt
eine minimale Größe hat. Dabei werden vorzugsweise
ein oder mehrere andere Erregerspulen in Umlaufrichtung eingeschaltet.
Das durch die Erregerspulen erzeugte resultierende Magnetfeld ist
erfindungsgemäß ein Magnetfeld, welches in einer
Umlaufrichtung des Außenringes wandert und die Verschiebung
des Außenringes so bewirkt, dass der Mittelpunkt des Außenringes
sich entlang der Kreisbahn bewegt.
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Bevorzugt
ist dabei der Durchmesser der Kreisbahn gleich der Durchmesserdifferenz
zwischen dem Innendurchmesser des Außenringes und dem Außendurchmesser
des Innenrades.
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Bevorzugt
ist die Lagerung des Außenringes feststehend, so dass der
Außenring zwar verschiebbar aber nicht drehbar ist. In
einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lagerung dafür
zumindest drei in Umfangsrichtung des Außenringes in Abstand voneinander
angeordnete miteinander parallele Bolzen auf, die in Bohrungen am
Außenring eingreifen.
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Vorzugsweise
ist der Durchmesser der Bohrungen um die Durchmesserdifferenz zwischen
dem Innendurchmesser des Außenrings und dem Außendurchmesser
des Innenrades größer als der Durchmesser der
Bolzen. Die Bolzen sind bevorzugt Rundbolzen. Sie sind daher innerhalb
der Bohrungen verschieblich, und werden vorzugsweise bei Verschiebung
des Mittelpunktes des Außenringes entlang der Kreisbahn
entlang der Wand der Bohrungen geführt.
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Um
eine von der Lastsituation unabhängige Schaltsequenz realisieren
zu können, ist vorzugsweise eine Positionserfassung des
Außenringes vorgesehen, beispielsweis mithilfe von Hall
Sensoren, die beispielsweise die Luftspaltgröße
erfassen, so dass die Ansteuerung der Erregerspulen in Abhängigkeit von
der Position des Außenringes erfolgen kann.
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Die
Spannungsversorgung für den Elektromotor ist bevorzugt
zumindest zweiphasig oder mehrphasig vorgesehen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren
sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen
Erfindungsgedanken nicht ein.
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1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Elektromotor,
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2 zeigt
schematisch die Kreisbahn, entlang der sich der Mittelpunkt des
Außenringes bewegt;
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3 zeigt Schnitte eines erfindungsgemäßen
Elektromotors in verschiedenen Ansteuerungssituationen der Erregerspulen,
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4 zeigt
Spannungsverläufe der den Elektromotor versorgenden zweiphasigen
Motorspannung.
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1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Elektromotor. Der Elektromotor dieser Ausführungsform weist
einen Stator 1 auf, in dem ein Außenring 2 und
innerhalb des Außenrings 2 ein Innenrad 3 kleineren
Durchmessers angeordnet ist. Der Außenring 2 hat
einen Innenumfang 2.1, der mit einer Innenverzahnung 2.11 versehen
ist. Das Innenrad 3 weist hingegen einen Außenumfang 3.2 mit
einer Außenverzahnung 3.21 auf. Die Innenverzahnung 2.11 des
Außenringes 2 und die Außenverzahnung 3.21 des
Innenrades 3 sind zumindest teilweise miteinander in Eingriff.
Dabei ist die Zähnezahl Z2 des Innenrades 3 kleiner
als die Zähnezahl Z1 des Außenringes 2 gewählt.
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Durch
die miteinander in Eingriff stehende hier sehr hohe Zahl der Zähne
Z1, Z2 des Innenrades 3 und des Außenringes 2 verteilen
sich bei der hier gezeigten Ausführungsform die Kräfte
und es ist ein im Vergleich zu Stirnradgetrieben hohes Drehmoment übertragbar.
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Das
Innenrad 3 ist um eine Achse, die durch den Mittelpunkt 3.5 des
Innenrades 3 verläuft, der hier gleichzeitig der
Mittelpunkt des Stators 1 ist, drehbar gelagert.
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Am
Stator 1 sind zwei Paare A-C, B-D Magnetpole 1.1 vorgesehen,
wobei die Polteilung gleich gewählt ist. Es sind auch höhere Polzahlen
möglich, die aber zu einer langsameren Bewegung des Außenringes 2 führen.
Weiterhin beeinflusst auch die Frequenz des wandernden Magnetfeldes
die Geschwindigkeit des Außenringes 2.
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An
den Magnetpolen 1.1 sind Erregerspulen 8, A, B,
C, D vorgesehen, wobei die Erregerspulen 8, A, B, C, D
der diametral einander gegenüberliegenden Magnetpole 1.1 jeweils
zum gleichen Wicklungsstrang gehören und gegenläufig
bestromt werden, so dass jeweils die in den Diametralrichtungen
auf den Außenring 2 wirkenden Magnetkräfte
gleichgerichtet sind, und in dem Luftspalt 4 des einen
Magnetpols 1.1 eines Polpaares A-C, B-D jeweils eine anziehende
Kraft wirkt, während in dem Luftspalt 4 des gegenüberliegenden
Magnetpols 1.1 desselben Polpaares A-C, B-D eine abstoßende
Kraft wirkt.
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Am
Außenring 2 sind gegenüber den Magnetpolen 1.1 als
magnetisch beeinflussbare Bauteile 9 jeweils Permanentmagnete
vorgesehen, durch die die in den Luftspalten 4 zwischen
dem Außenring 2 und den Magnetpolen 1.1 wirkende
Kraft verstärkt ist.
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Bei
einer zweiphasigen Versorgungsspannung (s. 4) besteht
zwischen den Spannungsverläufen der beiden Wicklungen der
Polpaare A-C, B-D bevorzugt eine Phasenverschiebung von 90°,
so dass die Durchflutung der einen Wicklung gegenüber der
Durchflutung der anderen Wicklung um 90° versetzt nacheilt.
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Grundsätzlich
können die Erregerspulen 8, A, B, C, D eines erfindungsgemäßen
Elektromotors auch am Außenring 2 angeordnet sein,
wobei die Wicklungen dann mit bewegt werden, oder teilweise am Außenring 2 und
teilweise am Stator 1, wobei der am Außen ring 2 angeordnete
Teil mit bewegt wird, wohingegen der am Stator 1 angeordnete
Teil nicht mit bewegt wird. Beim Einsatz von Permanentmagneten 9 können
diese ebenfalls am Außenring 2 oder am Stator 1 angeordnet
sein, wobei die Wicklung dann aber jeweils auf dem anderen Bauteil 1, 2 angeordnet
ist.
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Für
die Lagerung 6, 7 des Außenringes 2 sind
radial am Außenumfang 2.2 des Außenringes 2 vorstehende
Buchsen 6.1 vorgesehen, die mit Bohrungen 6 versehen
sind, in die Rundbolzen 7 eingreifen. Dabei ist der Durchmesser
der Bohrungen 6 um die Durchmesserdifferenz d3 zwischen
dem Innendurchmesser D1 des Außenringes 2 und
dem Außendurchmesser D2 des Innenrades 3 größer
als der Durchmesser der Bolzen 7, so dass die Bolzen 7 jeweils
in den Bohrungen 6 verschiebbar sind.
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Der
Außenring 2 kann daher so verschoben werden, dass
sich sein Mittelpunkt 2.5 entlang eines Kreises 5 bewegt,
dessen Durchmesser der Durchmesserdifferenz d3 zwischen dem Innendurchmesser
D1 des Außenringes 2 und dem Außendurchmesser
D2 des Innenrades 3 entspricht. Dabei werden einerseits
die Bolzen 7 innerhalb der Bohrungen 6 entlang
der Bohrungswände geführt und andererseits rollt
dabei das Innenrad 3 mit seinem Außenumfang 3.2 am
Innenumfang 2.2 des Außenringes 2 ab.
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Da
der Außenumfang 3.2 des Innenrades 3 kleiner
als der Innenumfang 2.2 des Außenringes 2 ist,
besteht zwischen dem Innenumfang 2.2 des Außenringes 2 und
dem Außenumfang 3.2 des Innenrades 3 immer
ein Luftspalt 4, der mit dem Abrollen des Innenrades 3 am
Außenring 2 umläuft. Von einem festgelegten
Punkt des Außenringes 2 aus betrachtet variiert
die Größe des Luftspaltes 4 beim Abrollen
daher zeitlich.
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Die
Verschiebung des Außenringes 2 wird verursacht,
indem die Erregerspulen 8, A, B, C, D abwechselnd ein Magnetfeld
erzeugen, so dass das resultierende Magnetfeld in einer Umlaufrichtung 2.4 des
Außenringes 2 den Außenring 2 umläuft
und auf die Permanentmagnete 9 eine entsprechende Kraft ausüben.
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Dafür
werden die Erregerspulen 8, A, B, C, D in einer Sequenz
abwechselnd angesteuert, wobei zwei- oder mehrphasige Versorgungsspannungen nötig
sind. Die Wicklung des Elektromotors ist hier zweipolig ausgeführt
und muss auch zumindest zweipolig ausgeführt werden. Die
Umschaltung von einer Erregerspule 8, A, B, C, D auf die
nächstfolgende Erregerspule 8, A, B, C, D erfolgt
immer, wenn der Luftspalt 4 zwischen einem Magnetpol 1.1 und
dem ihm gegenüberliegenden Permanentmagnet 9 des Außenrings 2 einen
Grenzwert erreicht, und insbesondere minimal ist.
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2 zeigt
schematisch die Kreisbahn 5, entlang der sich der Mittelpunkt 2.5 des
Außenringes 2 bewegt. Der Durchmesser d3 der Kreisbahn 5 entspricht
gerade der Durchmesserdifferenz d3 zwischen dem Innendurchmesser
D1 des Außenringes 2 und dem Außendurchmesser
D2 des Innenringes 3.
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Mit
dem Pfeil ist beispielhaft eine Umlaufrichtung 2.4 des
Außenringes 2 gezeigt. Es ist aber wahlweise in
Abhängigkeit von der Ansteuerung der Erregerspulen 8,
A, B, C, D auch die entgegengesetzte Umlaufrichtung 2.4 realisierbar.
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Die
Getriebeübersetzung i ist aus der Differenz der Durchmesser
gemäß i = D2/(D1 – D2) beziehungsweise
aus der Differenz der Zähnezahlen gemäß i
= Z2/(Z1 – Z2), bestimmbar, wobei Z1 die Zähnezahl
de Außenringes und Z2 die Zähnezahl des Innenrades
ist.
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3 zeigt Schnitte eines erfindungsgemäßen
Elektromotors in verschiedenen Ansteuerungssituationen der Erregerspulen 8,
A, B, C, D:
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In 3a sind
die Spulen A und C von einem Strom durchflossen, wobei die Spule
A eine anziehende Kraft und die Spule C eine abstoßende
Kraft auf die magnetisch beeinflussbaren Bauteile 9 beziehungsweise
den Außenring 2 ausübt.
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In 3b sind
alle Spulen A, B, C, D von einem Strom durchflossen, wobei die Spulen
A und B eine anziehende Kraft und die Spulen C und D eine abstoßende
Kraft ausüben.
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In 3c sind
die Spulen B und D von einem Strom durchflossen, wobei die Spule
B eine anziehende Kraft und die Spule D eine abstoßende
Kraft ausübt.
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In 3d sind
alle Spulen A, B, C, D von einem Strom durchflossen, wobei die Spulen
B und C eine anziehende Kraft und die Spulen A und D eine abstoßende
Kraft ausüben.
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In 3e sind
die Spulen A und C von einem Strom durchflossen, wobei die Spule
A eine abstoßende Kraft und die Spule C eine anziehende
Kraft ausübt.
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Als
Versorgungsspannung ist eine zumindest zwei- oder mehrphasige Spannung
vorgesehen, wobei die Phasen 1, 2 miteinander entsprechend der Polpaarzahl
zueinander versetzt sind. Der in 3 schematisch
gezeigte Verlauf beschreibt die Ansteuerung des erfindungsgemäßen
Elektromotors der Ausführungsform gemäß 1 bei
zweiphasiger Versorgungsspannung. Eine solche Versorgungsspannung
zeigt auch die 4.
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Die
Phasen 1, 2 der Versorgungsspannung sind hier um ca. 90° zueinander
versetzt.
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Der
in 3 dargestellte Verlauf lässt
sich mithilfe der 4 nachvollziehen, wenn die Erregerspulen 8,
A, B des Polpaars B–D mit einer Versorgungsspannung gemäß der
Phase 1 und die Erregerspulen 8, C, D des Polpaars A-C
mit einer Versorgungsspannung gemäß der Phase
2 versorgt werden. Die 3a–3e geben
dann gerade die Positionen des Außenringes 2 während
einer Halbwelle der Versorgungsspannung wieder.
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Dabei
wirkt bei positiver Versorgungsspannung der Phase 1 das Magnetfeld
der Spule D abstoßend und das Magnetfeld der Spule B anziehend,
bei negativer Versorgungsspannung der Phase 1 hingegen das Magnetfeld
der Spule D anziehend und das Magnetfeld der Spule B abstoßend.
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Bei
positiver Versorgungsspannung der Phase 2 ist dagegen das Magnetfeld
der Spule A anziehend und das Magnetfeld der Spule C abstoßend, während
bei negativer Versorgungsspannung der Phase 2 das Magnetfeld der
Spule A abstoßend und das Magnetfeld der Spule C anziehend
ist.
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Um
Vibrationen durch die Bewegung des Außenringes 2 zu
reduzieren, kann es in mehrere axial hintereinander angeordnete
Segmente geteilt werden, die versetzt angeordnet sind und einen
Ausgleich der bewegten Massen ermöglichen.
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Beim
erfindungsgemäßen Elektromotor ist nur ein einziges
bewegliches Bauteil, nämlich der Außenring 2 notwendig.
Er ist daher einfach aufgebaut. Der Elektromotor verhält
sich wie ein Syn chronmotor, es sind mit ihm große Übersetzungen
realisierbar und es lassen sich durch die Vielzahl der möglichen miteinander
in Eingriff stehenden Zähne hohe Momente übertragen.
Für das Innenrad 3 ist eine Hohlwelle verwendbar
und der Elektromotor ist insgesamt sehr kompakt realisierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006017713
A1 [0003]