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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Permanentmagnet-Drehmaschine wie
z. B. einen Schrittmotor, die bzw. der einen Stator, der 4m (wobei
m eine Ganzzahl ist, die gleich oder größer als 2 ist) Hauptpole als
Wickelkerne aufweist, und zwei Permanentmagnet-Hybridrotoren, die
konzentrisch mit dem Stator und nahe bei dem Stator angeordnet sind,
umfasst.
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Elektrische
Drehmaschinen wie z. B. Schrittmotoren, die bei Bürogeräten verwendet
werden, müssen
ein hohes Drehmoment bei einer kompakten Größe und geringer Vibration bzw.
Schwingung liefern.
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Bei
einem Hybrid-Schrittmotor (hiernach einfach als HB-Typ'' bezeichnet) kann ein hohes Drehmoment
erzielt werden, indem die axiale Dicke eines Stators, der aus einer
Vielzahl von axial laminierten Platten zusammengesetzt ist, erhöht wird.
Jedoch wird der Motordurchmesser im Voraus bestimmt, und die Größe der Oberfläche eines
Permanentmagnets des Motors, aus dem Magnetflüsse austreten, wird ebenfalls
bestimmt. Somit werden die Magnetflüsse nicht einfach dadurch erhöht, dass
die Dicke des Magnets erhöht
wird. Aus diesem Grund ist es notwendig, eine Vielzahl von Magneten
zu verwenden, was dazu führt,
dass die Struktur eine Mehrzahl von HB-Rotoren umfasst, die in der
axialen Richtung angeordnet sind.
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Im
Einzelnen sind zwei oder mehr Rotoreinheiten in der axialen Richtung
angeordnet. Jede Rotoreinheit umfasst ein Paar von magnetischen
Rotorplatten, zwischen denen ein Permanentmagnet angeordnet ist.
Jede magnetische Rotorplatte weist eine Mehrzahl von Magnetzähnen auf,
die in regelmäßigem Abstand
an ihrem äußeren Umfang
angeordnet sind. Die Rotorplatten jeder Rotoreinheit sind so angeordnet,
dass die Magnetzähne
einer Rotorplatte um einen halben Abstand von denjenigen der anderen
Rotorplatte versetzt sind. Zwischen den Rotoreinheiten ist ein Abstandshalter
wie z. B. eine nicht-magnetische Scheibe angeordnet. Jedoch kann
eine derartige aus mehreren Rotoren bestehende Struktur aufgrund
der Probleme bezüglich
des Rotors und des Stators kein ausreichend hohes Drehmoment bei
einer geringen Schwingung liefern.
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Zuerst
werden die auf den Rotor bezogenen Probleme beschrieben. Bei der
aus mehreren Rotoren bestehenden Struktur ist die nicht-magnetische Scheibe,
die eine vorbestimmte Dicke aufweist, zum Zweck einer magnetischen
Isolierung zwischen den Rotoreinheiten angeordnet, und die Permanentmagnete
der jeweiligen Rotoreinheiten sind in derselben Richtung in der
axialen Richtung magnetisiert. An der nicht-magnetischen Scheibe
wird kein Drehmoment erzeugt. Überdies
sind die Richtungen von verbindenden Magnetflüssen von dem Rotor um die nicht-magnetische
Scheibe herum zueinander entgegengesetzt, d. h. die Grenze zwischen
zwei benachbarten Magnetschaltungen, wodurch an der Grenze zwischen
zwei Magnetpfaden eine magnetische Störung bewirkt wird. Dies verhindert,
dass das Drehmoment erhöht
wird. Falls außerdem
die Dicke der nicht-magnetischen Scheibe unzureichend ist, tritt ein
Leck des Magnetflusses auf, wodurch das bereitgestellte Drehmoment
niedriger ausfällt
als erwartet. Ferner treibt die Verwendung der nicht-magnetischen Scheibe
wie z. B. einer Aluminiumscheibe die Kosten der elektrischen Drehmaschine
in die Höhe.
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Die
auf den Rotor bezogenen Probleme lauten wie folgt. Wenn die axiale
Dicke des Stators erhöht
wird, um der aus mehreren Rotoren bestehenden Struktur des Rotors
zu entsprechen, wird auch das durch die Magnetflüsse der Permanentmagnete verursachte
Rastmoment erhöht.
Dieses Rastmoment kann während
des Motorbetriebs ein Schwingungsdrehmoment verursachen oder die
Positionierungsgenauigkeit beeinträchtigen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische
Permanentmagnet-Drehmaschine,
die die zuvor erwähnten
Probleme lösen kann,
sowie Verfahren zur Herstellung derselben mit verbesserten Charakteristika
zu liefern.
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Diese
Aufgabe wird durch eine elektrische Permanentmagnet-Drehmaschine
gemäß Anspruch 1
sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Permanentmagnet-Drehmaschine gemäß Anspruch
9 gelöst.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst eine elektrische Permanentmagnet-Drehmaschine
einen Stator und einen Rotor, der über einen Luftspalt dem Stator gegenüber angeordnet
ist und der frei drehbar ist. Der Stator umfasst vorzugsweise einen
ungefähr ringförmigen Kernrückseitenabschnitt
und 4m Hauptpole, die von dem Kernrückseitenabschnitt radial vorstehen,
wobei m eine Ganzzahl ist, die gleich oder größer als 2 ist. Jeder Hauptpol
weist an der Spitze desselben Ns Induktorzähne auf, wobei Ns eine Ganzzahl
von mehr als 1 ist. Der Rotor umfasst zwei Rotoreinheiten, die in
einer axialen Richtung, die zu einer Drehachse des Rotors parallel
oder im Wesentlichen parallel ist, zueinander benachbart sind. Jede Rotoreinheit
umfasst vorzugsweise ein Paar von Rotormagnetpolen und einen zwischen
denselben angeordneten Permanentmagnet. Beide Permanentmagnete der
zwei Rotoreinheiten sind in der axialen Richtung magnetisiert, jedoch
sind die Magnetisierungsrichtungen derselben zueinander entgegengesetzt.
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Jeder
Rotormagnetpol der Rotoreinheit weist Nr Magnetzähne auf, die in regelmäßigem Abstand an
seinem äußeren Umfang
angeordnet sind, wobei Ns eine Ganzzahl von mehr als 1 ist. Bei
jeder Rotoreinheit ist das Paar von Rotormagnetpolen so angeordnet,
dass die Magnetzähne
eines Rotormagnetpols von denen des anderen Magnetpols um einen halben
Abstand versetzt sind. Bei der elektrischen Drehmaschine, die die
zuvor erwähnte
Struktur aufweist, unterscheidet sich ein Zahnabstand des Induktors
des Hauptpols des Stators von dem Abstand der Magnetzähne des
Rotormagnetpols, wodurch die vierte harmonische Komponente einer
Permeanz zwischen dem Stator oder dem Rotor im Wesentlichen null
beträgt.
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Außerdem weisen
benachbarte Rotormagnetpole der zwei Rotoreinheiten bei der elektrischen Drehmaschine,
die die oben erwähnte
Struktur aufweist, dieselbe Polarität auf. Somit kann die elektrische
Drehmaschine sowohl Effekte nutzen, die dadurch bereitgestellt werden,
dass ein Magnetpfad in dem ganzen Rotor halbiert und somit die Länge des Magnetpfades
verkürzt
wird, als auch Effekte, die durch Magnetfelder geliefert werden,
die sich an der Grenze zwischen zwei verkürzten Magnetpfaden nicht gegenseitig
stören. Überdies
können
die Permeanzvektoren der Induktorzähne ausgeglichen werden, d.
h. die Summe der Permeanzvektoren derselben kann im Wesentlichen
auf null gebracht werden, indem der Abstand der Magnetzähne des
Rotormagnetpols und der Abstand der Induktorzähne des Statorhauptpols unterschiedlich
zueinander festgelegt werden. Dieser „Permeanzvektor-Ausgleichseffekt” wird bei
jedem Magnetpfad erhalten. Da die elektrische Drehmaschine des vorliegenden
bevorzugten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung vorzugsweise zwei Magnetpfade aufweist,
die in der axialen Richtung zueinander benachbart sind, wird der „Permeanzvektor-Ausgleichseffekt” bei beiden
Magnetpfaden überlagert.
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Der
Statorkern kann durch eine Mehrzahl von Magnetplatten definiert
sein. Diese Magnetplatten können
vorzugsweise beispielsweise mittels Stanzens erhalten werden. Es
ist vorzuziehen, die Magnetplatten so zu laminieren, dass sie nacheinander
in derselben Richtung um 90° gedreht
werden. In diesem Fall können
die Unterschiede zwischen Ns-Permeanzvektoren
der vierten harmonischen Komponenten und den Permeanzen der Ns-Induktorzähne, die
beispielsweise durch den Dickenunterschied und die magnetische Richtwirkung
der Magnetplatte bewirkt werden, aufgrund einer Überlagerung von vier Arten
von Permeanzvektoren, die durch eine um 90° gedrehte Laminierung der Platten
erzeugt werden, in jedem Magnetpfad ausgeglichen werden.
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Andere
Merkmale, Elemente, Schritte, Vorteile und Charakteristika der vorliegenden
Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter
Ausführungs beispiele
derselben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich.
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Es
zeigen:
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1A, 1B und 1C Querschnittsansichten
einer elektrischen Permanentmagnet-Drehmaschine gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Querschnittsansicht eines Stators und eines Rotors der elektrischen
Drehmaschine der 1A bis 1C.
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3 eine
Positionsbeziehung zwischen Induktorzähnen eines Hauptpols des Stators
und Magnetzähnen
eines Rotormagnetpols des Rotors der elektrischen Drehmaschine der 1A bis 1C.
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4A ein
Beispiel einer Vektorverteilung zum Ausgleichen von Vektoren in
der vierten Ebene für
eine Regelmäßiger-Abstand-Anordnung
der Induktorzähne
gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4B ein
Beispiel einer Vektorverteilung zum Ausgleichen von Vektoren in
der sechsten Ebene für
eine Unregelmäßiger-Abstand-Anordnung
der Induktorzähne
gemäß dem ersten
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Seitenansicht eines weiteren exemplarischen Statorkerns bei der
elektrischen Drehmaschine der 1A bis 1C;
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6 eine
Seitenansicht eines wieder anderen exemplarischen Statorkerns der
elektrischen Drehmaschine der 1A bis 1C;
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7A, 7B, 7C und 7D ein Ausgleichen
von Permeanzvektoren für
Hauptpole A, C, E bzw. G bei dem Beispiel der 6;
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8A und 8B einen
weiteren Lösungsansatz
zum Ausgleichen der Permeanzvektoren bei der elektrischen Drehmaschine
der 1A bis 1C;
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9 eine
Positionsbeziehung zwischen einem Hauptpol eines Stators und einem
Rotormagnetpol bei einer elektrischen Drehmaschine gemäß einem
zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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10 ein
Ausgleichen von Vektoren bei der elektrischen Drehmaschine der 9;
und
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11 Abweichungswinkel
von Induktorzähnen
des Stators von gegenüberliegenden
Magnetzähnen
des Rotors bei der elektrischen Drehmaschine der 9.
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Unter
Bezugnahme auf 1 mit 11 werden nun
bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung ausführlich
beschrieben. Es ist zu beachten, dass bei der Erläuterung
der vorliegenden Erfindung dann, wenn Positionsbeziehungen zwischen
und Orientierungen der verschiedenen Komponenten als oben/unten
oder links/rechts befindlich beschrieben werden, letztlich Positionsbeziehungen und
Orientierungen angegeben sind, die in den Zeichnungen vorliegen;
Positionsbeziehungen zwischen und Orientierungen der Komponenten,
nachdem sie zu einem tatsächlichen
Bauteil zusammengebaut wurden, sind nicht angegeben. Unterdessen gibt
eine axiale Richtung bei der folgenden Beschreibung eine zu einer
Drehrichtung parallele oder im Wesentlichen parallele Richtung an,
und eine radiale Richtung gibt eine zu der Drehachse senkrechte
oder im Wesentlichen senkrechte Richtung an.
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1A, 1B und 1C zeigen
eine elektrische Drehmaschine gemäß einem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die elektrische Drehmaschine vorzugsweise ein Schrittmotor,
der einen Zweiphasenstator, der 4m (m ist eine Ganzzahl, die gleich
oder größer als
2 ist) Hauptpole aufweist, und einen Rotor, der zwei HB-Rotoreinheiten
aufweist, wobei m = 2, umfasst. Das heißt, der Stator weist vorzugsweise
z. B. acht Hauptpole auf. 1A und 1C sind
Querschnittsansichten der elektrischen Drehmaschine, die entlang
einer Ebene genommen sind, die senkrecht zu der Drehachse der Maschine
verläuft
und von der Seite des Nordpols bzw. der Seite des Südpols aus betrachtet
wird. 1B ist eine Querschnittsansicht der
elektrischen Drehmaschine dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels,
die entlang einer zu der Drehachse parallelen Ebene genommen ist.
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Die
elektrische Drehmaschine dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels umfasst vorzugsweise eine
Motorverkleidung 1, die durch ein im Wesentlichen zylindrisches
Gehäuse 11 und
Endplatten 12 und 13, die an beiden Enden des
Gehäuses 11 angeordnet
sind, definiert ist. Die elektrische Drehmaschine umfasst ferner
einen ungefähr
ringförmigen
Stator 2 und einen Rotor 3, die in dem Gehäuse 11 angeordnet
sind. Der Stator 2 ist an dem Inneren des Gehäuses 11 befestigt.
Der Rotor 3 ist auf der Innenseite des Stators 2 in
der radialen Richtung angeordnet. Eine Drehwelle 31 des
Rotors 3 wird an beiden Enden durch Lager 12a und 13a getragen,
die in den mittigen Regionen der Endplatten 12 und 13 angeordnet
sind, um frei drehbar zu sein.
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Der
Stator 2 umfasst vorzugsweise: einen Statorkern 21,
der einen etwa kreisringförmigen
Magnetkörper 21a und
4m (m ist eine Ganzzahl, die gleich oder größer als 2 ist), Hauptpole 21b aufweist, die
von dem Magnetkörper 21a radial
zu dem Inneren des Magnetkörpers 21a vorstehen;
und Spulenwicklungen 22, die um die jeweiligen Hauptpole 21b herum
angeordnet sind. Jeder Hauptpol 21b, der als Spulenpol
fungiert, weist an der Spitze desselben Ns (Ns ist eine Ganzzahl,
die größer ist
als 1) Induktorzähne 21c auf.
Der Statorkern 21 ist vorzugsweise durch eine Mehrzahl
von laminierten Siliziumstahlplatten definiert. Bei diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist beispielsweise m 2 und Ns 6. Das heißt, bei diesem Beispiel sind
vorzugsweise acht Hauptpole vorgesehen, die jeweils sechs Induktorzähne aufweisen.
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2 zeigt
den Stator 2 und den Rotor 3 dieses bevorzugten
Ausführungsbeispiels.
Der Rotor 3 umfasst vorzugsweise vier Rotormagnetpole 32, 33, 34 und 35,
die an der Drehwelle 31 befestigt und in der axialen Richtung
nebeneinander angeordnet sind. Jeder der Rotormagnetpole 32, 33, 34 und 35 ist
durch eine Mehrzahl von laminierten Platten wie z. B. Siliziumstahlplatten
definiert und weist Nr (Nr ist eine Ganzzahl, die größer ist
als 1) Magnetzähne
auf, die in regelmäßigem Abstand
an seinem äußeren Umfang
angeordnet sind. In einem Fall, in dem Nr 50 ist, weist der Schrittmotor
dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels
einen Drehwinkel von beispielsweise etwa 1,8° auf.
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Die
Rotormagnetpole 32 und 33 sind so angeordnet,
dass ihre Zähne
um einen halben Abstand voneinander versetzt sind. Der Permanentmagnet 36,
der scheibenförmig
und axial magnetisiert ist, ist zwischen den Rotormagnetpolen 32 und 33 angeordnet.
Desgleichen sind die Rotormagnetpole 34 und 35 so
angeordnet, dass ihre Zähne
um einen halben Abstand voneinander versetzt sind. Der Permanentmagnet 37,
der scheibenförmig
und axial magnetisiert ist, ist zwischen den Rotormagnetpolen 34 und 35 angeordnet.
Die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagnete 36 und 37 sind
zueinander entgegengesetzt. Die Rotormagnetpole 32 und 33 werden
durch den Permanentmagnet 36 magnetisiert, und die Rotormagnetpole 34 und 35 werden
durch den Permanentmagnet 37 magnetisiert. Die benachbarten
Rotormagnetpole 33 und 34 der vier Rotormagnetpole
weisen dieselbe Polarität
auf.
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Bei
dem in 2 gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die Rotormagnetpole 32 und 35 eine
Süd-Polarität auf, während die
Rotormagnetpole 33 und 34 eine Nord-Polarität aufweisen.
Es ist zu beachten, dass die Zähne
des Rotormagnetpols 33 und die neben denselben liegenden
Zähne des
Rotormagnetpols 34 im Prinzip in der axialen Richtung zueinander
ausgerichtet sind. Die Rotormagnetpole 32 und 33 und
der Permanent magnet 36 definieren eine Rotoreinheit 3a,
und die Rotormagnetpole 34 und 35 und der Permanentmagnet 37 definieren
eine Rotoreinheit 3b. Obwohl die Rotoreinheiten 3a und 3b bei
dem Beispiel der 2 ohne Abstand zwischen denselben
miteinander in Kontakt stehen, können
die Rotoreinheiten 3a und 3b etwas voneinander
beabstandet sein.
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Die
Magnetzähne
der jeweiligen Rotormagnetpole 32, 33, 34 und 35 der
Rotoreinheiten 3a und 3b liegen den Induktorzähnen 21c der
Hauptpole 21b des Stators 2 gegenüber, wobei
zwischen denselben in der radialen Richtung ein Luftspalt definiert
ist, wie in 1A und 1C gezeigt
ist. Ein Magnetpfad Φ1
eines Magnetflusses, der durch die Rotoreinheit 3a erzeugt
wird, und ein Magnetpfad Φ2
eines Magnetflusses, der durch die Rotoreinheit 3b erzeugt wird,
sind in 2 gezeigt. Wie in 2 gezeigt
ist, verlaufen die Magnetpfade Φ1
und Φ2
in derselben Richtung in dem mittleren Abschnitt des Stators 2 in der
axialen Richtung. Deshalb erfolgt keine Schwächung der Magnetflüsse durch
eine Störung.
Dies wird in der vorliegenden Spezifikation als „Effekt, der durch Magnetfelder
bewirkt wird, die sich an der Grenze zwischen den obigen zwei Magnetpfaden nicht
gegenseitig stören” bezeichnet.
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Der
Rotor 3, der die oben erwähnte Struktur aufweist, kann
die Magnetpfadlänge
in der axialen Richtung im Vergleich zu einem Fall, bei dem ein
Rotor, der dieselben Abmessungen aufweist, durch Verwenden einer
einzigen Rotoreinheit konfiguriert ist, auf die Hälfte reduzieren.
Das heißt,
dass ein vorteilhafter Effekt erzielt wird, indem der Magnetpfad
verkürzt
wird. Beispielsweise wird der Magnetwiderstand um die Hälfte verringert.
Somit kann eine verlustarme elektrische Drehmaschine mit geringen Leistungsfähigkeitsschwankungen
erhalten werden.
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Die
Rotormagnetpole 33 und 34, die dieselbe Polarität aufweisen,
können
vorzugsweise nebeneinander angeordnet werden, so dass kein Zwischenraum
oder nur ein kleiner Zwischenraum zwischen denselben vorliegt. Zwischen
den Rotormagnetpolen, zwischen denen der Permanentmagnet angeordnet
ist, d. h. zwischen den Rotormagnetpolen 32 und 33 und
zwischen den Rotormagnetpolen 34 und 35, tritt
in der Nähe
des äußeren Umfangs
des Permanentmagnets ein Magnetflussleck auf. Dagegen tritt zwischen
den Rotormagnetpolen 33 und 34, die dieselbe Polarität aufweisen,
fast kein Magnetflussleck auf, und fast alle Magnetflüsse von
den Rotormagnetpolen 33 und 34 fließen auf
den Stator 2 zu. Deshalb ist ein Verlust an Magnetflüssen extrem
niedrig, und es kann ein hohes Drehmoment erzielt werden.
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Es
wird angenommen, dass beispielsweise acht Hauptpole N1 bis N8 des
Stators 2, die den eine Nord-Polarität aufweisenden Rotormagnetpolen 33 und 34 des
Rotors 3 gegenüberlie gen,
in 1A in dieser Reihenfolge in der im Uhrzeigersinn
verlaufenden Richtung angeordnet sind, und dass acht Hauptpole S1
bis S8, die den eine Süd-Polarität aufweisenden
Rotormagnetpolen 32 und 35 gegenüberliegen, in 1C in
dieser Reihenfolge in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung
angeordnet sind. Die Spule 22 ist um die Hauptpole N1 und
S1, N3 und S3, N5 und S5 und N7 und S7 herumgewickelt, um die erste
Phase zu definieren, und eine andere Spule ist um die übrigen Hauptpole
gewickelt, um die zweite Phase zu definieren. Ein durchgezogener
Pfeil in dem N-Pol-seitigen Stator 2 in 1A zeigt
den Strom von Magnetflüssen
von dem eine Nord-Polarität
aufweisenden Rotor, und ein durchgezogener Pfeil in dem S-Pol-seitigen
Stator 2 in 1C zeigt den Strom von Magnetflüssen von
dem eine Nord-Polarität
aufweisenden Rotor zu dem eine Süd-Polarität aufweisenden
Rotor.
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3 veranschaulicht
die Beziehung zwischen sechs Induktorzähnen 21c eines gegebenen Hauptpols 21b des
Stators 2 und Magnetzähnen
eines gegebenen Rotormagnetpols des Rotors 3 bei diesem
bevorzugten Ausführungsbeispiel,
und zeigt, wie jeder Induktorzahn von dem gegenüberliegenden magnetischen Zahn
abweicht, denn die Mittellinie des Hauptpols 21b und die
Mitte einer Rille zwischen zwei benachbarten Magnetzähnen zueinander
ausgerichtet sind. Die Induktorzähne
und die gegenüberliegenden
Magnetzähne
weichen in 3 in dieser Reihenfolge von
rechts nach links um Abweichungswinkel θ1 bis θ6 voneinander ab. Es ist zu
beachten, dass ein Winkel zwischen der Mitte eines Induktorzahnes
und der Mitte eines entsprechenden gegenüberliegenden Magnetzahns bei
diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
als Abweichungswinkel definiert ist. Angenommen, dass der Zahnabstand
der Induktorzähne
des Stators 2 konstant und um θs kleiner ist als der der Magnetzähne des
Rotormagnetpols, wobei θs
durch 360°/(n·Ns·Nr) definiert
ist. Dies bedeutet eine Minimierung der n.ten harmonischen Permeanzkomponente
des Hauptpols durch ein Ausgleichen von Ns Permeanzvektoren der
Ns-Induktorzähne
dieses Hauptpols. In einem Fall, in dem die Anzahl der Magnetzähne des
Rotors Nr beträgt,
beträgt
der Zahnabstand der Magnetzähne
des Rotors 360°/Nr im
mechanischen Winkel. In diesem Fall werden Vektoren der vierten
harmonischen Komponenten der Ns-Induktorzähne in der vierten harmonischen
Ebene erhalten, indem die Ns Vektoren in der Ebene von 90°/Nr gleichmäßig verteilt
werden. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt dann,
wenn Nr 50 ist, Ns 6, n beträgt
4, θs beträgt z. B.
etwa 0,3°. Da
der Zahnabstand der Magnetzähne
des Rotormagnetpols etwa 7,2° im
mechanischen Winkel beträgt, beträgt der Zahnabstand
der Induktorzähne 21c des Statorhauptpols
z. B. etwa 6,9° im
mechanischen Winkel.
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Angenommen,
dass der Zahnabstand der Magnetzähne
des Rotors 7,2° im
mechanischen Winkel 360° im
elektrischen Winkel entspricht, sind die Abweichungswinkel θ1 bis θ6 wie folgt
im elektrischen Winkel definiert. θ3 = θ4 = (0,3°/2)(360°/7,2°) = 7,5° θ2
= θ5 (0,3° + 0.3°/2)(360°/7,2°) = 22,5° θ1
= θ6 =
(0,3° +
0,3° + 0,3°/2)(360°/7,2°) = 37,5°
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird die vierte harmonische
Komponente P4 der Permeanz des Hauptpols 21C, die das Rastmoment
erzeugt, durch den Ausdruck 1 erhalten. P4
= cos(4·θ3) + cos(4·θ2) + cos(4·θ1) + cos(4·θ5) + cos(4·θ6)
=
2(cos30° +
cos90° +
cos150°)
=
0 (Ausdruck 1)
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Aus
dem Ausdruck 1 wird die vierte harmonische Komponente P4 als null
berechnet.
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4A ist
die polare Anzeige der vierten harmonischen Komponenten von Permeanzen
der sechs Induktorzähne
in der vierten harmonischen Ebene. Die Summe der vierten Permeanzvektoren V1
bis V6 der jeweiligen Induktorzähne
beträgt
null. Bei diesem Beispiel sind die Vektoren ausgeglichen, wenn die
Magnetzähne
des Rotormagnetpols bezüglich
der Mittellinie des Hauptpols 21b symmetrisch angeordnet
sind, wie in 3 gezeigt ist. Wenn der Rotor
dagegen von der in 3 gezeigten Position relativ
zu dem Stator um λ° gedreht
wird, sind die Vektoren in der vierten Ebene dieselben wie diejenigen,
die erhalten werden, indem die in 4A gezeigten
sechs Vektoren um λ/4° gedreht
werden. Somit ist auch in diesem Fall die Summe der Vektoren null.
Folglich sind die Vektoren der vierten harmonischen Komponenten
der Permeanzen der sechs Induktorzähne für jeden der acht Hauptpole
ausgeglichen. Wenn die Hauptpole entworfen werden, ist es also lediglich
notwendig, einen Hauptpol zu betrachten, solange alle acht Hauptpole
völlig
symmetrische Gestalten aufweisen. Bei dieser Anordnung heben sich
die Rastmomentkomponenten gegenseitig auf, und theoretisch kann
die Schwingung so unterdrückt werden,
dass sie gering ist.
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Die
Grundkomponente der Permeanz des Hauptpols 21b, die verbindende
Magnetflüsse
erzeugt und als Motordrehmoment fungiert, ist durch den Ausdruck
2 definiert. P1 = cosθ3 + cosθ2 + cosθ1 + coθ4 + cosθ5 + cosθ6
=
2(cos 7,5° +
cos22,5° +
cos37,5°)/6
=
0,902 (Ausdruck 2)
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Der
Ausdruck 2 zeigt, dass etwa 90% der Permeanz als Drehmomentkomponente
verbleibt.
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Die
obige Beschreibung beruht auf der Annahme, dass die Permeanzen der
sechs Induktorzähne
des Statorhauptpols 21b ziemlich identisch sind. Jedoch
unterscheiden sich die Entfernung von der Mittellinie des Statorhauptpols 21b eines
Paares von innersten Induktorzähnen,
die in der Mittelregion des Hauptpols 21b angeordnet sind,
die eines Paares von dazwischen liegenden Induktorzähnen, die neben
den innersten Induktorzähnen
auf der Außenseite
der innersten Induktorzähne
liegen, und die eines Paares von äußersten Induktorzähnen, die
neben den dazwischen liegenden Induktorzähnen auf der Außenseite
der dazwischen liegenden Induktorzähne liegen, voneinander. Außerdem unterscheidet sich
das Magnetflussleck für
die äußersten
Induktorzähne
von dem der dazwischen liegenden und der innersten Induktorzähne, da
außerhalb
der äußersten Induktorzähne Raum
ist. Aus diesen Gründen
ist die Summe der vierten harmonischen Komponenten der Permeanzen
der Induktorzähne
in der Tat nicht vollständig
null. Deshalb ist es notwendig, zusätzlich einen anderen Lösungsansatz
anzuwenden, um die vierten harmonischen Komponenten der Permeanzen
der Induktorzähne
aufzuheben.
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Als
Nächstes
wird beschrieben, dass die vierte Permeanzkomponente zwischen jedem
Hauptpol und dem denselben gegenüberliegenden
Rotor bei einer elektrischen Zweiphasen-Drehmaschine eine Rastmomentkomponente
erzeugt. Die Permeanz wird in einer Cosinus-Darstellung dargestellt,
wie oben beschrieben. Da das Rastmoment Tc eine Winkeländerungsrate
der Permeanz ist, kann es als Ausdruck 3 dargestellt werden, wenn
die Permeanz bezüglich
des Winkels unterschieden wird, und sie wird anhand einer Fourier-Serie
in einer Sinus-Darstellung dargestellt. Tc
= K1·sinθ + K2·sin2θ + K3·sin3θ + K4·sin4θ
+
K5·sin5θ + K6·sin6θ + K7·sin7θ + ... (Ausdruck 3)
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Bei
dem Ausdruck 3 ist θ ein
Abweichungswinkel zwischen einem Induktorzahn des Statorhauptpols 21b und
dem gegenüberliegenden
Magnetzahn des Rotormagnetpols, und k1,
k2, k3, ... sind Koeffizienten
jeweiliger harmonischer Komponenten.
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Bei
einer elektrischen Zweiphasen-Drehmaschine sind die Hauptpole 21b des
Stators 2 in einem Winkelabstand von π/2 angeordnet. Wenn also angenommen
wird, dass eine Position der Mittellinie eines Hauptpols des Stators 2,
die mit der Mittellinie der Rille zwischen benachbarten Magnetzähnen des
Rotors 3 zusammenfällt,
eine Referenzposition ist, wird das Rastmoment Tc an dem p.ten Hauptpol
von der Referenzposition aus gesehen dargestellt, indem θ durch (θ – p·π/2) ersetzt
wird. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Gesamtrastmoment
für alle
Hauptpole als Summe der Rastmomente von acht Hauptpolen, wenn p
0 bis 7 ist, erhalten, und die Summen der jeweiligen harmonischen
Komponenten für
die acht Hauptpole sind allesamt null, mit Ausnahme der vierten
harmonischen Komponenten im Ausdruck 3. Genauer gesagt, wenn der
erste bis siebte Term im Ausdruck 3 in Form von Vektoren in der
ersten bis siebten harmonischen Ebene angezeigt werden, werden die
Vektoren von ungeradzahligen harmonischen Komponenten als vier Arten
von Vektoren angezeigt, von denen jeder zwei Vektoren umfasst, und
sie sind an vier Stellen ausgeglichen, die um π/2 im elektrischen Winkel voneinander
entfernt sind. Desgleichen werden die Vektoren von geradzahligen
harmonischen Komponenten mit Ausnahme der vierten harmonischen Komponenten
als zwei Arten von Vektoren angezeigt, von denen jeder vier Vektoren
umfasst, und sie sind an zwei Stellen ausgeglichen, die um π im elektrischen
Winkel voneinander entfernt sind. Was die vierten harmonischen Komponenten
angeht, werden jedoch an einer Stelle acht Vektoren angezeigt, und
sie sind nicht ausgeglichen. Die Summe der vierten harmonischen
Komponenten des Drehmoments für
die jeweiligen Hauptpole ist wie folgt gegeben. Tc/K4 = sin(4·θ) + sin(4·(θ – π/2)} + sin(4·(θ – π)} + sin(4·(θ – 3π/2)} + sin{4·(θ – π)} + sin(4·(θ – π/2 – π)} + sin{4·(θ – 2π)} + sin{4·(θ – π/2)} = 8sin(4·θ) (Ausdruck 4)
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Aus
diesem Grund wird die Rastmomentkomponente der elektrischen Zweiphasen-Drehmaschine durch
die vierte harmonische Komponente derselben gebildet Aus diesem
Grund sollte der Ausdruck 1 null betragen. Wenn die vierten harmonischen
Komponenten der Permeanzen nicht existieren, liegt das Rastmoment
näher bei
null. Je geringer das Rastmoment, desto geringer die Schwingung, die
erzeugt wird, während
die Drehmaschine arbeitet.
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Bei
einer Dreiphasen-Drehmaschine sind Hauptpole um 2π/3 voneinander
beabstandet und deshalb bilden aus demselben Grund die sechsten harmonischen
Komponenten der Permeanzen die Rastmomentkomponenten der Drehmaschine.
Eine elektrische Drehmaschine, die einen Stator umfasst, der 4m
Hauptpole aufweist, kann sowohl als Zweiphasenmaschine als auch
als Dreiphasenmaschine verwendet werden, wenn die Anzahl 4m der
Hauptpole zwölf
beträgt,
d. h. m = 3. In diesem Fall ist θs durch
360°/(6Ns·Nr) definiert,
wenn die Permeanzen der Induktorzähne jedes Hauptpols auf der
Basis der sechsten harmonischen Komponenten ausgeglichen sind. Somit
wird der folgende Ausdruck erhalten. θs = 60°/(Ns·Nr) (Ausdruck 5)
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In
einem Fall, in dem die Ns Induktorzähne in mehreren Abständen an
der Spitze jedes Hauptpols angeordnet sind, kann die Rastmomentverringerung erzielt
werden, indem der Mittelwert der Zahnabstände der Induktorzähne um θs anders
gestaltet wird als der Zahnabstand des Rotormagnetpols. Auch in
diesem Fall sind die ungeradzahligen harmonischen Komponenten des
Rastmoments an vier Positionen in den jeweiligen harmonischen Ebenen
ausgeglichen, wohingegen die geradzahligen harmonischen Komponenten
an zwei Positionen ausgeglichen sind. Somit ist ein Ausgleichen
der geradzahligen harmonischen Komponenten nicht so leicht wie ein
Ausgleichen der ungeradzahligen harmonischen Komponenten, und ein
Ausgleich zwischen denselben kann aufgrund einer unzureichenden
Komponentengenauigkeit von Drehmaschinen ohne weiteres verloren
gehen. Die geradzahligen harmonischen Komponenten erzeugen allgemein
die Rastmomentkomponente.
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Aus
diesem Grund ist es bei der Unregelmäßiger-Abstand-Anordnung der
Induktorzähne
in manchen Fällen
stärker
bevorzugt, die sechsten harmonischen Komponenten der Permeanzen
der Induktorzähne,
die die nächsthöheren harmonischen
Komponenten in Bezug auf die vierten harmonischen Komponenten sind,
auszugleichen, statt die vierten harmonischen Komponenten auszugleichen.
In diesen Fällen
werden auch die Grundkomponenten, die als Motordrehmoment fungieren,
erhöht.
Angenommen, dass Nr und Ns in diesen Fällen 50 bzw. 6 betragen, ist θs in dem
Ausdruck 5 mit z. B. etwa 0,2° angegeben.
Wenn der Mittelwert der Zahnabstände
der Induktorzähne
um θs anders
als der Zahnabstand der Magnetzähne
des Rotormagnetpols, d. h. bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
etwa 7,2°,
festgelegt wird, so wird der Mittelwert der Zahnabstände der
Induktorzähne
auf z. B. etwa 7° festgelegt.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird eine exemplarische elektrische
Drehmaschine beschrieben, die die zuvor erwähnte Unregelmäßiger-Abstand-Anordnung
dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels aufweist.
Wenn die Mitte von sechs Induktorzähnen eines Statorhaupt pols
mit der Mittellinie einer Rille zwischen Magnetzähnen des Rotormagnetpols zusammenfällt, werden
die Abweichungswinkel der sechs Induktorzähne bezüglich der entsprechenden gegenüberliegenden
Magnetzähne
wie folgt erhalten:
θ1
= θ6 =
25° (0,5°)
θ2 = 17,5° (0,35°)
θ3 = θ4 = 5° (0,1°)
θ5 = 12,5° (0,25°)
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Es
ist zu beachten, dass die obigen Werte von Winkeln ohne Klammer
im elektrischen Winkel dargestellt sind und die Winkelwerte in Klammern
im mechanischen Winkel dargestellt sind. 4B zeigt eine
polare Anzeige von sechs Vektoren der Permeanzen der Induktorzähne bei
diesem Beispiel in der sechsten harmonischen Ebene. Wie aus 4B hervorgeht,
sind die sechs Vektoren ausgeglichen. Die Summe der sechs Vektoren
wird durch den folgenden Ausdruck dargestellt. P6 = cos(6·θ3) + cos(6·θ2) + cos(6·θ1) + cos(6·θ4) + cos(6·θ5) + cos(6·θ6)
=
cos(6 × 5°) + cos(6 × 17,5°) + cos(6 × 25°) + cos(6 × 35°) + cos(6 × 42,5°) + cos(6 × 55°) = 0 (Ausdruck 6)
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Bei
diesem Beispiel betragen die Zahnabstände der Induktorzähne ungefähr 7,05°, 6,95°, 7,0°, 7,05° und 6,95° in 3 von
rechts nach links in dieser Reihenfolge, und der Mittelwert derselben beträgt 7,0°. Auch in
diesem Fall weist eine Laminierung von gedrehten Platten zum Bilden
des Stators trotz der Unregelmäßiger-Abstand-Induktorzahnanordnung
kein Problem auf. Es ist zu beachten, dass es bei der Unregelmäßiger-Abstand-Induktorzahnanordnung
eine Mehrzahl von Zahnabständen
gibt, und deshalb ist das oben beschriebene Ausgleichen der sechsten
harmonischen Komponenten lediglich ein mögliches Beispiel. Die vorliegende
Erfindung ist nicht auf ein Ausgleichen der sechsten harmonischen
Vektoren in der sechsten Ebene beschränkt.
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Allgemein
kann eine vierpolige oder sechspolige elektrische Drehmaschine während einer
Drehung bei geringer Geschwindigkeit ein hohes Drehmoment liefern.
Jedoch wird das Drehmoment während
einer Drehung bei hoher Geschwindigkeit aufgrund einer Zunahme der
Induktanz der Spulenwicklungen verringert. Die Anzahl der Hauptpole
ist allgemein umgekehrt proportional zu der Verdrahtungsinduktanz.
Was eine elektrische Zweiphasen-Drehmaschine
betrifft, ist in Bezug darauf, während
einer Drehung bei hoher Geschwindigkeit ein hohes Drehmoment zu
liefern, somit ein zwölfpoliger
Stator vorteilhafter als ein vierpoliger Stator und ein achtpoliger Stator.
Desgleichen ist, was eine elektrische Dreiphasen-Drehmaschine angeht,
ein zwölfpoliger
Stator vorteilhafter als ein sechspoliger Stator. Dieses bevorzugte
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann einen Motor liefern, der für eine Drehung bei
hoher Geschwindigkeit geeignet ist.
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Wie
oben beschrieben wurde, wird der Zahnabstand der Induktorzähne bei
der Regelmäßiger-Abstand-Anordnung
oder der Mittelwert der Zahnabstände
der Induktorzähne
bei der Unregelmäßiger-Abstand-Anordnung
bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
um θs anders
als der Zahnabstand des Rotormagnetpols gestaltet. Somit können die
Vektoren der harmonischen Komponenten der Permeanzen, die die Rastmomentkomponenten
darstellen, in jedem Magnetpfad in jeder Rotoreinheit ausgeglichen
werden und sich gegenseitig aufheben. Deshalb kann die elektrische
Drehmaschine des vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung während
einer Drehung mit hoher Geschwindigkeit ein hohes Drehmoment mit einer
geringen Schwingung liefern. Dieser Effekt wird bei der vorliegenden
Spezifikation als Erster-Permeanzvektor-Ausgleich-Effekt bezeichnet.
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In
einem Fall, in dem der Zahnabstand oder der durchschnittliche Zahnabstand
der Induktorzähne
des Statorhauptpols um einen vorbestimmten Winkel θs anders
festgelegt ist als der der Magnetzähne des Rotors, ist es vorzuziehen,
dass der Zahnabstand oder der durchschnittliche Zahnabstand der Induktorzähne um den
Winkel θs
kleiner ist als der der Magnetzähne,
da der Raum zwischen den benachbarten Hauptpolen verbreitert werden
kann. Dies ermöglicht
ein leichteres Wickeln von Spulen. Überdies beträgt die Anzahl
der Induktorzähne
aller Hauptpole bei einer achtpoligen elektrischen Drehmaschine,
bei der Nr 50 und Ns 6 ist, 48 und liegt nahe bei der Anzahl Nr
der Magnetzähne
des Rotors. Deshalb ist es notwendig, den Zahnabstand der Induktorzähne bei
der Regelmäßiger-Abstand-Anordnung oder den
durchschnittlichen Zahnabstand bei der Unregelmäßiger-Abstand-Anordnung um θs kleiner
zu gestalten als den Zahnabstand der Magnetzähne.
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Zusätzlich zu
dem zuvor erwähnten
ersten Permeanzvektor-Ausgleich wird zum Ausgleichen der Permeanzvektoren
bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein anderer Lösungsansatz
verwendet. Als Nächstes
wird der zweite Lösungsansatz
unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. 5 zeigt einen
weiteren exemplarischen Statorkern 21A, der an den acht
Hauptpole aufweisenden Zweiphasenstator 2 dieses bevorzugten
Ausführungsbeispiels angelegt
wird. Der Statorkern 21 wird definiert, indem beispielsweise
Siliziumstahlplatten laminiert werden. Die Siliziumstahlplatten
werden vorzugsweise gebildet, indem während eines Pressbearbeitens
ein Ring (engl. hoop) aus einer Siliziumstahlplatte gestanzt wird,
es kann jedoch auch ein anderer geeigneter Herstellungsschritt oder
ein anderes ge eignetes Herstellungsverfahren verwendet werden. Die
Siliziumstahlplatten werden nacheinander um 90° in derselben Richtung von benachbarten
Siliziumstahlplatten, z. B. in der gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung,
gedreht. Der Ring aus einer Siliziumstahlplatte, der bei diesem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwendet wird, ist ein Ring aus einer Magneteisenplatte, die eine
Dicke von z. B. etwa 0,5 mm aufweist und mehrere Prozent Silizium
enthält,
hauptsächlich,
um einen Wirbelstrom-Eisenverlust zu verringern. Während der
Ring aus einer Siliziumstahlplatte in eine Richtung befördert wird,
wird nacheinander ein Stanzen von Platten, die eine gewünschte Gestalt
aufweisen, durchgeführt,
und anschließend werden
die Platten zu einer gewünschten
Dicke laminiert und aneinander befestigt. Die Längsrichtung, d. h. die Ringwicklungsrichtung
des Rings, ist die Walzrichtung der Siliziumstahlplatte, die in 5 als Z-Achse
gezeigt ist. Der bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendete Ring
weist in der zu der Längsrichtung
senkrechten Richtung eine Breite auf, die etwas größer ist
als der Durchmesser des Statorkerns, um den Rest nach dem Stanzen
zu verringern. Der Zweckmäßigkeit
halber wird der Statorkern 21A so beschrieben, dass die
Z-Achse als Längsrichtung
bezeichnet wird und die L-R-Achse
als senkrecht zu der Z-Achse bezeichnet wird, wie in 5 gezeigt
ist.
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Der
Statorkern 21A umfasst einen ringförmigen Kernrückseitenabschnitt 21Aa,
der eine im Wesentlichen kreisförmige
Außengestalt
und vorzugsweise z. B. acht Hauptpole 21Ab aufweist, die
von dem Kernrückseitenabschnitt 21Aa radial
zu der Innenseite hin vorstehen. Jeder Hauptpol 21Ab weist vorzugsweise
z. B. sechs Induktorzähne
auf, die in regelmäßigem Abstand
an seiner Spitze angeordnet sind. Der Zweckmäßigkeit halber werden die acht Hauptpole 21Aa,
die als Wicklungskerne dienen, in 5 in der
im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung als Hauptpole A bis H in
dieser Reihenfolge bezeichnet. Der Statorkern 21A des achtpoligen
HB-Zweiphasen-Schrittmotors dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels
wird vorzugsweise gebildet, indem Platten bis zu einer gewünschten
Dicke gestapelt und beispielsweise mittels Crimpen automatisch aneinander
befestigt werden. Wenn sie gestapelt werden, werden die mittels
Stanzen erhaltenen Platten bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
nacheinander um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedreht. Folglich sind dann, wenn vier Platten laminiert werden,
alle Permeanzen der Hauptpole der Laminierung im Wesentlichen identisch.
Das heißt,
die vierten harmonischen Komponenten der Permeanzen sind bei allen
Hauptpolen identisch. Deshalb können
die vierten harmonischen Komponenten der Permeanzen ausgeglichen
werden und sich gegenseitig aufheben. Dies trägt sehr zur Verringerung des Rastmoments
und der Schwingung bei.
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Die
Gründe,
aus denen das Rastmoment und die Schwingung stark verringert werden
können, indem
die um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedrehten Platten auf die zuvor er wähnte Weise laminiert werden,
werden ausführlicher
beschrieben. Zuerst kann dann, wenn die den Statorkern definierenden
Platten nacheinander um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedreht werden, der Unterschied bezüglich der Leichtigkeit eines
Passierens von Magnetflüssen
durch den Ring aus einer Siliziumstahlplatte zwischen der gewalzten
Richtung des Rings und der dazu senkrechten Richtung allgemein aufgehoben
werden.
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Zweitens
wird ein Ring eines Materials allgemein vorzugsweise dadurch gebildet,
dass das Material dünn
gewalzt wird, und es ist wahrscheinlich, dass die Entfernung zwischen
Walzen bei dem Walzvorgang ungleichmäßig wird, wodurch ohne Weiteres der
Dickenunterschied zwischen der L-Seite und der R-Seite bewirkt wird.
Falls die eine nicht-konstante Dicke aufweisenden Platten laminiert
werden, ohne gedreht zu werden, nimmt der Dickenunterschied zwischen
der L-Seite und der R-Seite mit zunehmender Anzahl der laminierten
Platten zu. Wenn der anhand einer derartigen Laminierung gebildete
Stator mit einer Halterung montiert wird, die Lager aufweist, kann
die Wellenmitte gekippt werden, und der Luftspalt zwischen der Innenoberfläche des
Stators und der Außenoberfläche des
Rotors kann ungleichmäßig werden,
was die Leistungsfähigkeit
eines resultierenden Schrittmotors beeinträchtigen kann. Die um 90° gedrehte
Laminierung bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Dickenabweichung eliminieren
oder minimieren.
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Drittens
können
Auswirkungen von Schwankungen, die durch den Permeanzunterschied
zwischen der Z-Achse-Richtung und der R-L-Richtung und die Dickenschwankung
in der R-L-Richtung bewirkt werden, auf die vierten harmonischen
Permeanzvektoren aufgehoben werden.
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Gewöhnlich wird
als Motor eine ungerichtete Magnetplatte verwendet. Jedoch liegt
sogar bei der ungerichteten Magnetplatte ein Permeanzunterschied
zwischen der gewalzten Richtung und der dazu senkrechten Richtung
vor. Hier wird angenommen, dass: ein Ring aus einer Siliziumstahlplatte
sukzessiv in die in 5 gezeigte Gestalt gestanzt
wird; Magnetflüsse
ohne weiteres in der Z-Achse-Richtung durch den Statorkern 21A gelangen
können
und deshalb die Permeanz groß ist;
und die Permeanz in der L-R-Richtung gering ist. In diesem Fall
weisen der Hauptpol-A-Abschnitt, der Hauptpol-D-Abschnitt, der Hauptpol-E-Abschnitt und der
Hauptpol-H-Abschnitt jeder mittels Stanzen erhaltenen Platte große Permeanzen
auf, da die Längsrichtungen
derselben nahe bei der Z-Achse-Richtung liegen. Andererseits weisen
der Haputpol-B-Abschnitt, der Hauptpol-C-Abschnitt, der Hauptpol-F-Abschnitt und der
Hauptpol-G-Abschnitt jeder Platte relativ zu dem Hauptpol-A-Abschnitt, dem Hauptpol-D-Abschnitt,
dem Hauptpol-E-Abschnitt und dem Hauptpol-H-Abschnitt geringere Permeanzen auf.
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Hier
wird der Hauptpol A des Statorkerns 21A als Beispiel beschrieben.
Die acht Hauptpole sind in einem Winkelabstand von beispielsweise
45° symmetrisch
angeordnet. Deshalb umfasst der Hauptpol A des Statorkerns 21A in
einem Fall, in dem Platten nacheinander in der gegen den Uhrzeigersinn
verlaufenden Richtung um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedreht werden und laminiert werden, um den Statorkern 21A zu
definieren, den Hauptpol-A-Abschnitt der ersten Platte, den Hauptpol-C-Abschnitt
der zweiten Platte, den Hauptpol-E-Abschnitt der dritten Platte
und den Hauptpol-G-Abschnitt der vierten Platte in dieser Reihenfolge,
und diese Vier-Platten-Laminierung wird wiederholt. Desgleichen
umfasst der Hauptpol H des Statorkerns 21A den Hauptpol-H-Abschnitt
der ersten Platte, den Hauptpol-B-Abschnitt der zweiten Platte,
den Hauptpol-D-Abschnitt der dritten Platte und den Hauptpol-F-Abschnitt
der vierten Platte in dieser Reihenfolge, und diese Laminierung
wird wiederholt. Somit umfasst der Hauptpol A des Statorkerns 21A zwei größere Permeanzabschnitte,
d. h. den Hauptpol-A-Abschnitt und den Hauptpol-E-Abschnitt. Der Hauptpol
H der resultierenden Laminierungseinheit umfasst ferner zwei größere Permeanzabschnitte,
d. h. den Hauptpol-D-Abschnitt und den Hauptpol-H-Abschnitt. Beide
Hauptpole A und H umfassen die kleineren Permeanzabschnitte als
andere zwei Abschnitte. Somit sind die durchschnittliche Permeanz
von vier Platten des Hauptpols A und die des Hauptpols H bei der
Laminierung von vier Platten identisch zueinander (hiernach wird
die Laminierung von vier Platten als Laminierungseinheit bezeichnet). Da
die Laminierung von vier Platten wiederholt wird, sind die Permeanzen
der Hauptpole A und H identisch. Falls die Anzahl der laminierten
Platten nicht gleich dem ganzzahligen Vielfachen der Anzahl der Laminierungseinheit
ist, konvergiert die durchschnittliche Permeanz an der Position
jedes der Hauptpole A und H des Statorkerns 21A zu demselben
Wert. Dies gilt auch für
andere Hautpole B bis G.
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Wenn
ein Ausgleichen von sechs Vektoren der vierten harmonischen Komponenten
der Permeanzen der sechs Induktorzähne T1 bis T6 der Hauptkörper in
der vierten Ebene betrachtet wird, werden bei einer Laminierungseinheit
zwei Abschnitte mit größerer Permeanz
und zwei Abschnitte mit geringerer Permeanz an der Position jedes
Hauptpols laminiert. Deshalb sind die Permeanzen der acht Hauptkörper innerhalb
der Laminierungseinheit immer identisch. Im Gegensatz dazu weisen
in einem Fall, in dem die mittels Stanzen erhaltenen Platten laminiert
werden, ohne um 90° gedreht
zu werden, die Hautpole A, D, E und H des resultierenden Statorkerns
größere Permeanzen
auf, und die Hauptpole B, C, F und G weisen geringere Permeanzen
auf. Obwohl die Permeanzvektoren von sechs Induktorzähnen für jeden
Hauptpol ausgeglichen sind, bleibt somit eine Permeanzdifferenz
zwischen den acht Hauptpolen bestehen. Diese Permeanzdifferenz bewirkt
beispielsweise ein hohes Rastmoment oder ein starkes Geräusch bei
einem resultierenden Motor.
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Als
Nächstes
wird ein Fall betrachtet, bei dem eine Dickenschwankung bei einer
Stahlplatte vorliegt, die gebildet wird, indem sie in die in 5 gezeigte(n)
Gestalt gestanzt wird. Im Einzelnen wird ein Fall betrachtet, bei
dem ein Ring verwendet wird, der die Dicke aufweist, die von der
R-Seite zu der L-Seite hin abnimmt. Um die Beschreibung zu vereinfachen,
wird angenommen, dass die Hauptpole A, B, C und D auf der R-Seite
der Z-Achse eine größere Dicke
und größere Permeanzen
aufweisen als die Hauptpole E, F, G und H auf der L-Seite der Z-Achse. Der
Hauptkörper
A bei der Laminierungseinheit von vier Platten umfasst den Hauptpol-A-Abschnitt,
den Hauptpol-C-Abschnitt, den Hauptpol-E-Abschnitt und den Hauptpol-G-Abschnitt,
während
der Hauptpol H den Hauptpol-H-Abschnitt,
den Hauptpol-B-Abschnitt, den Hauptpol-D-Abschnitt und den Hauptpol-F-Abschnitt umfasst.
Deshalb sind die durchschnittlichen Permeanzen der Hauptkörper A und
H zueinander identisch. Desgleichen ist, wenn ein Ausgleichen der
vierten harmonischen Permeanzen durch Verwendung derselben Anzahl
von Vektoren wie die Anzahl der Induktorzähne T1 bis T6 in Betracht gezogen
wird, der Mittelwert von sechs Permeanzvektoren bei den acht Hauptpolen
bei der Laminierungseinheit derselbe, da jeder der acht Hauptpole
zwei Abschnitte größerer Permeanz
und zwei Abschnitte mit geringerer Permeanz umfasst. Deshalb werden
die Permeanzvektoren in der vierten Ebene ohne Weiteres bei jedem
Hauptpol ausgeglichen, und die Permeanzvektoren in der vierten Ebene
werden ebenfalls in dem gesamten Motor ohne Weiteres ausgeglichen.
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6 zeigt
einen weiteren exemplarischen Statorkern 21B dieses bevorzugten
Ausführungsbeispiels.
Der Statorkern 21B ist ein Zweiphasentyp und umfasst vorzugsweise
acht Hauptpole, von denen jeder z. B. sechs Induktorzähne aufweist.
Die äußere Gestalt
des Statorkerns 21B ist ungefähr quadratisch. Der Statorkern 21B umfasst
einen ungefähr quadratringförmigen Kernrückseitenabschnitt 21Ba und
die Hautpole 21Ba, die von dem Kernrückseitenabschnitt 21Ba in
Richtung auf das Innere des Kernrückseitenabschnitts 21Ba radial
vorstehen. Wenn Platten, die den Statorkern 21B definieren,
mittels Stanzens aus einem Ring erhalten werden, dessen Breite nahe
bei der Länge
jeder Seite des ungefähr quadratischen
Kernrückseitenabschnitts 21Ba liegt, um
unbrauchbare Abschnitte des Rings zu verringern, entspricht die
Z-Achse-Richtung in 6 Wicklungsrichtung des Rings.
Hier wird angenommen, dass die Ringdicke von der L-Seite zu der
R-Seite hin abnimmt. Obwohl in 6 lediglich
die Induktorzähne
T1 und T6 gezeigt sind, um die Zeichnung zu vereinfachen, sind die
Induktorzähne
T1 bis T6 in der im Uhrzeigersinn verlaufenden Richtung in dieser
Reihenfolge angeordnet.
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Bei
diesem Beispiel nimmt die Dicke des Hauptpols A des Statorkerns 21B von
dem Induktorzahn T1 bis zu dem Induktorzahn T6 hin ab. Somit werden
die Beträge
der vierten Permeanzvektoren V1 bis V6 der Induktorzähne T1 bis
T6 allmählich kleiner,
um genau zu sein. Bei der folgenden Beschreibung wird der Einfachheit
der Beschreibung halber jedoch angenommen, dass der Betrag des vierten
Permeanzvektors auf der L-Seite der Z-Achse größer ist und auf der R-Seite
kleiner ist. Auf der Basis dieser Annahme sind die Beträge der vierten
Permeanzvektoren von sechs Induktorzähnen der Hauptpole F, G und
H zueinander identisch und sind größer als diejenigen der Hautpole
B, C und D, die zueinander identisch sind.
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Bei
dem Hauptpol A weisen die vierten Permeanzvektoren der Induktorzähne T1,
T2 und T3 untereinander denselben, größeren Betrag auf, und die vierten
Permeanzvektoren der Induktorzähne
T4, T5 und T6 weisen untereinander denselben, kleineren Betrag auf.
Bei dem Hauptpol E weisen die vierten Permeanzvektoren der Induktorzähne T4,
T5 und T6 untereinander denselben Betrag auf, die vierten Permeanzvektoren
der Induktorzähne
T1, T2 und T3 weisen untereinander denselben Betrag auf, der geringer
ist als der der Induktorzähne
T4, T5 und T6. Unter diesen Bedingungen umfasst, wenn Platten zum
Bilden des Statorkerns 21B nacheinander gedreht und laminiert
werden, um eine Laminierungseinheit zu bilden, der Hauptpol A bei
einer einzigen Laminierungseinheit den Hauptpol-A-Abschnitt, den Hauptpol-C-Abschnitt,
den Hauptpol-E-Abschnitt und den Hauptpol-G-Abschnitt. Für den Hauptkörper E ist der
Betrag der vierten Permeanzvektoren der Induktorzähne T1,
T2 und T3 kleiner, während
der der Induktorzähne
T4, T5 und T6 bei jeder Platte größer ist. Somit werden die Beträge der vierten
Permeanzvektoren der Induktorzähne
T1 bis T6 gemittelt, indem der Hauptpol-A-Abschnitt und der Hauptpol-E-Abschnitt
gestapelt werden. Desgleichen werden die Beträge der vierten Permeanzvektoren
der Induktorzähne
T1 bis T6 gemittelt, indem der Hauptpol-C-Abschnitt und der Hauptpol-G-Abschnitt gestapelt
werden. Das heißt,
bei dem Hauptpol A sind der Hauptpol-A-Abschnitt, der Hauptpol-C-Abschnitt,
der Hauptpol-E-Abschnitt und der Hauptpol-G-Abschnitt überlagert, wodurch die Beträge der Induktorzähne T1 bis
T6 gemittelt werden. Dies gilt auch für andere Hauptpole B bis H
des Statorkerns 21B. Folglich sind sechs überlagerte
Vektoren bezüglich
des Schnittpunkts der Z-Achse und der L-R-Achse in der vierten Ebene
symmetrisch verteilt und somit ausgeglichen.
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Die
ausführlichere
Beschreibung wird unter Bezugnahme auf 7A, 7B, 7C und 7D geliefert,
die eine Verteilung der vierten Permeanzvektoren V1 bis V6 der Induktorzähne T1 bis T6
in der vierten Ebene für
die Hauptpole A, C, E bzw. G zeigen. Da angenommen wird, dass die
auf der L-Seite der Z-Achse befindlichen Induktorzähne eine größere Permeanz
aufweisen als die auf der R-Seite befindlichen, wie oben beschrieben
wurde, sind die vierten Permeanzvektoren V1 bis V6 der Induktorzähne T1 bis
T6 für
die jeweiligen Hauptpole A, C, E und G so verteilt, wie dies in
den 7A, 7B, 7C und 7D gezeigt
ist.
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Falls
der Statorkern gebildet wird, indem Platten ohne Drehung laminiert
werden, sind für
den Hauptpol A die Beträge
der vierten Permeanzvektoren V1, V2 und V3 größer als die der vierten Permeanzvektoren
V4, V5 und V6, wie in 7A gezeigt ist, und somit sind
die vierten Permeanzvektoren V1 bis V6 nicht ausgeglichen. Für den Hauptpol
C sind die Beträge
der vierten Permeanzvektoren V1 bis V6 allesamt identisch und kleiner.
Für den
Hauptkörper E
sind die Beträge
der vierten Permeanzvektoren V1, V2 und V3 kleiner als die der vierten
Permeanzvektoren V4, V5 und V6, wie in 7C gezeigt
ist, und sind nicht ausgeglichen. Für den Hauptpol G sind die Beträge der vierten
Permeanzvektoren V1 bis V6 allesamt identisch und größer, wie
in 7D gezeigt ist. Wenn die 7A, 7B, 7C und 7D überlagert
werden, ist es offensichtlich, dass sechs Vektoren, die erhalten
werden, indem die Permeanzvektoren der Induktorzähne für die Hauptpole A, C, E und
G synthetisiert werden, gemittelt werden und untereinander denselben
Betrag aufweisen.
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Bei
der obigen Beschreibung wird der Vereinfachung der Beschreibung
halber angenommen, dass jeder Vektor einen von zwei Beträgen aufweist, d.
h. einen größeren Betrag
oder einen kleineren Betrag, je nachdem, ob sich der Induktorzahn
auf der R-Seite oder der L-Seite
der Z-Achse befindet. Jedoch kann die obige Beschreibung auf einen
Fall angewandt werden, in dem die vierten Permeanzvektoren V1 bis
V6 Beträge
aufweisen, die allmählich
geändert
werden. Im Einzelnen werden die Permeanzvektoren der Induktorzähne des
Hauptpols A der Laminierung dann, wenn vier Platten nacheinander
um 90° gedreht
werden und laminiert werden, um eine Laminierungseinheit zu definieren,
gemittelt, um anhand einer Überlagerung
des Hauptpol-A-Abschnitts und des Hauptpol-E-Abschnitts dieselben
Beträge aufzuweisen.
Deshalb mittelt eine Überlagerung
des Hauptpol-A-Abschnitts,
des Hauptpol-C-Abschnitts, des Hauptpol-E-Abschnitts und des Hauptpol-G-Abschnitts auch die
Permeanzvektoren der sechs Induktorzähne. Dieser Effekt wird geliefert,
indem um 90° gedrehte
Platten laminiert werden, und er kann auch für die Hauptpole B bis H erhalten
werden. Auf diese Weise kann die Laminierung von um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedrehten Platten bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
nachteilige Auswirkungen der Differenz der Permeanzrichtwirkung
bei den Siliziumstahlplatten stark verringern und kann den Ausgleich
der Permeanzvektoren der Induktorzähne in der vierten Ebene bedeutend
verbessern. Bei der vorliegenden Anmeldung wird dies als Zweiter-Permeanzvektor-Ausgleich-Effekt
in der vierten Ebene bezeichnet. Aufgrund dieses Effekts kann bei
einer elektrischen Drehmaschine eine Verringerung des Rastmoments
und der Schwingung erzielt werden.
-
Dieses
bevorzugte Ausführungsbeispiel
verwendet einen weiteren Ansatz zum Ausgleichen der Permeanzvektoren.
Als Nächstes
wird der dritte Ansatz zum Ausgleichen der Permeanzvektoren unter Bezugnahme
auf 8A und 8B beschrieben. Bei
einer elektri schen Drehmaschine vom HB-Typ sind zwei Rotoren vom
HB-Typ als Rotoreinheiten in der axialen Richtung nebeneinander
angeordnet, und Permanentmagnete sind in entgegengesetzten Richtungen
in der axialen Richtung magnetisiert. Das heißt, dass in der axialen Richtung
zwei unabhängige Magnetschaltungen
angeordnet sind. 8A zeigt die Verteilung der
vierten Permeanzvektoren von sechs Induktorzähnen in der vierten Ebene für einen Magnetpfad
einer Magnetschaltung (hiernach als Magnetpfad a bezeichnet), und 8B zeigt
die Verteilung für
einen Magnetpfad der anderen Magnetschaltung (hiernach als Magnetpfad
b bezeichnet). Aufgrund von Effekten, die dadurch geliefert werden, dass
der Magnetpfad in der axialen Richtung zweigeteilt wird, wodurch
der Magnetpfad verkürzt
wird, und aufgrund von Effekten, die durch Magnetfelder geliefert
werden, die einander an der Grenze zwischen den Magnetpfaden a und
b nicht stören,
wie nachstehend beschrieben wird, kann die Anordnung dieses bevorzugten
Ausführungsbeispiels
im Falle eines Erhöhens
der Statordicke in der axialen Richtung für den Zweck des Erhöhens eines
Drehmoments eine hocheffiziente elektrische Drehmaschine mit geringen
Schwankungen liefern.
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Bei
einem allgemeinen Schrittmotor vom HB-Typ beträgt die Abmessung des Luftspalts,
d. h. die Entfernung zwischen dem Stator und dem Rotor, vorzugsweise
z. B. etwa 0,05 mm. Ein derartiger kleiner Luftspalt wird erhalten,
indem für
die Innenoberfläche
des Stators ein „Abziehprozess” durchgeführt wird,
nachdem die Stahlplatten laminiert wurden. Der Abziehprozess ist
ein Prozess zum Schleifen des Innenradius durch Verwendung eines
zylindrischen Schleifsteins oder eines Honsteins bzw. Abziehsteins.
Jedoch ist es in einem Fall, in dem die Laminierungsdicke des Stators
gleich dem oder größer als der
Innendurchmesser des Stators ist, wahrscheinlich, dass der Innendurchmesser
von der Abziehanfangsposition aus, z. B. dem Eingang des Mittenlochs des
Stators, bis zu der Abziehendposition, z. B. dem tiefen Abschnitt
des Mittenlochs des Stators, aufgrund eines Planschlags des Schleifsteins
und dergleichen zunimmt. Da die Abmessung des Luftspalts z. B. nur
etwa 0,05 mm beträgt,
bewirkt die Differenz der Abmessung des Luftspalts die Permeanzdifferenz
sogar für
den Fall, dass die Differenz der Abmessung des Luftspalts sehr gering
ist. Sogar bei dem Stator, der anhand einer Laminierung von um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedrehten Platten definiert ist, sind die vierten Permeanzvektoren
in den Magnetpfaden a und b gemäß der Darstellung
in 8A bzw. 8B verteilt,
wenn sich die Abmessung des Luftspalts aus diesem Grund ändert und
die Änderung
des Luftspalts beispielsweise die Permeanz in dem Magnetpfad a erhöht und die
Permeanz in dem Magnetpfad b verringert.
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Falls
jedoch der zuvor erwähnte
Fehler bei dem Fertigstellungsprozess auftritt, werden die Permeanzvektoren
für den
Magnetpfad a und diejenigen für
den Magnetpfad b bei einem ganzen Motor überlagert und gemittelt, da
die Rotoreinheiten 3a und 3b feststehend sind, um
dieselbe Drehachse aufzuweisen. Deshalb sind Schwankungen zwischen
verschiedenen Motoren, z. B. ein Rastmoment, sehr gering. Überdies
wird erwartet, dass die Flexibilität des zweiten Permeanzvektor-Ausgleichs,
bei dem Schwankungen der sechs Permeanzvektoren der vierten harmonischen
Komponenten der Permeanzen der sechs Induktorzähne, die durch die Dickenschwankung
und die magnetische Richtwirkung der mittels Stanzen gebildeten
Magnetplatten verursacht werden, ausgeglichen werden, indem die
um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedrehten Platten laminiert werden, erhöht werden kann, indem vier
Arten von Vektoren, die anhand einer um 90° gedrehten Laminierung in einem
Magnetpfad a erhalten werden, und diejenigen in dem anderen Magnetpfad
b überlagert
werden.
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Bei
der obigen Beschreibung ist ein Fall beschrieben, in dem der Stator
vorzugsweise acht Hauptpole umfasst, von denen jeder vorzugsweise sechs
Induktorzähne
umfasst, die in regelmäßigem Abstand
angeordnet sind, und in dem die vierten harmonischen Vektoren ausgeglichen
sind. Bei einem Stator, der zwölf
Hauptpole aufweist, können
dieselben Effekte erhalten werden, indem Platten, die um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedreht werden, laminiert werden, wie oben beschrieben ist. Überdies kann
die obige Beschreibung auf einen Fall der sechsten harmonischen
Vektoren angewendet werden. Der oben beschriebene Effekt wird als
Dritter-Permeanzvektor-Ausgleich-Effekt bezeichnet, der geliefert
wird, indem zwei Magnetpfade angeordnet werden. Das heißt, dass
bei der elektrischen Drehmaschine dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels
die vierten harmonischen Permeanzkomponenten auf dreierlei Arten
ausgeglichen werden können.
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Es
ist bei der elektrischen Drehmaschine dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels
vorzuziehen, dass die Permanentmagnete des Rotors magnetisiert werden,
nachdem sie montiert wurden. Dadurch werden die Qualität verbessert
und die Kosten verringert. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
zuerst eine Magnetisierung in einer positiven Richtung entlang der
axialen Richtung durchgeführt, und
anschließend
wird eine Magnetisierung in der entgegengesetzten Richtung durchgeführt. Der Grund
hierfür
besteht darin, dass, falls eine Magnetisierung gleichzeitig in beiden
entgegengesetzten Richtungen durchgeführt wird, eine ausreichende Magnetisierungskraft
die Permanentmagnete aufgrund einer Magnetflussabstoßung nicht
erreicht. Im Einzelnen wird unter Bezugnahme auf 2 ein
Magnetfeld, das eine erforderliche Starke aufweist, zu dem Zweck,
bei der ersten Magnetisierung hauptsächlich den Permanentmagnet 36 zu
magnetisieren, von außerhalb
der elektrischen Drehmaschine angelegt. Anschließend wird ein Magnetfeld, das eine
erforderliche Stärke
zum Magnetisieren des Permanentmagnets 37 aufweist, teilweise
angelegt. Bei der zweiten Magnetisierung wird die Magnetisierungskraft
in der zu der der ersten Magnetisierung entgegengesetzten Richtung
ausgeübt,
und sie weist nach einer ge eigneten Stärkenanpassung vorzugsweise
eine andere Stärke
auf als die der ersten Magnetisierung. Die Art und Weise der Magnetisierung bei
diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
bei dem eine Magnetisierung in den entgegengesetzten Richtungen
in der axialen Richtung zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt wird
und die Magnetisierungskraft zwischen der ersten Magnetisierung
und der zweiten Magnetisierung auf geeignete Weise verändert wird,
ermöglicht,
dass die beiden Permanentmagnete in den jeweils entgegengesetzten
Richtungen ausreichend magnetisiert werden. Aufgrund dieser Art
und Weise der Magnetisierung ist es möglich, eine kostengünstige,
qualitativ hochwertige elektrische Permanentmagnet-Drehmaschine
zu liefern, die die oben erwähnten
Leistungsfähigkeiten
bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
bieten kann.
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Bei
der obigen Beschreibung wird das Beispiel beschrieben, bei dem Platten,
die vorzugsweise mittels Stanzens erhalten werden, beispielsweise nacheinander
in derselben Richtung um 90° bezüglich benachbarten
Platten gedreht werden. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht
auf diese Struktur und Anordnung beschränkt. Es ist lediglich notwendig,
dass eine Platte bei einer Laminierungseinheit von vier Platten
bezüglich
einer der übrigen
Platten um 90° gedreht
wird, wenn die vier Platten in derselben Richtung gedreht werden.
Das heißt,
die Laminierungseinheit von vier Platten umfasst die Platte als Referenzplatte
und drei Platten, die bezüglich
der Referenzplatte um 90°,
180° und
270° gedreht
werden. Bei dieser Laminierung können
dieselben oben beschriebenen Effekte erzielt werden.
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Das
zweite bevorzugte Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf 9 bis 11 beschrieben.
Bei der folgenden Beschreibung werden dieselben Bezugszeichen wie
bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
für dieselben
oder ähnliche
Komponenten wie die bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
verwendet.
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9 zeigt
bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
beispielsweise sechs Induktorzähne 21c' bei einem Statorhauptpol 21b'. Die sechs
Induktorzähne 21c' sind in unregelmäßigen Abständen angeordnet,
und sie weisen nicht alle dieselbe Breite auf. Als typischer Zweiphasen-Schrittmotor
vom HB-Typ mit acht Hauptpolen wird vielfach ein Schrittmotor eingesetzt,
bei dem die Anzahl von Magnetzähnen
eines Rotors vorzugsweise 50 beträgt, ein Schrittwinkel bzw.
Drehwinkel vorzugsweise etwa 1,8° beträgt und eine
Umdrehung vorzugsweise z. B. 200 Schritten entspricht. Bei dem Schrittmotor
beträgt
die Gesamtanzahl der Statorzähne
48, wenn sechs Induktorzähne
beispielsweise an der Spitze jedes von acht Hauptpolen angeordnet
sind, wobei 48 nahe bei der Gesamtanzahl der Rotorzähne, 50, liegt.
Deshalb liegt eine bevorzugte Obergrenze der Anzahl der Induktorzähne jedes
Hauptpols bei 6.
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Es
wird angenommen, dass die sechs Induktorzähne T1 bis T6 in dieser Reihenfolge
in der Drehrichtung des Rotors (bei dem Beispiel der 9 von links
nach rechts) angeordnet sind und die Zahnbreiten t1 bis t6 aufweisen;
die Rillen zwischen den Induktorzähnen T1 bis T6 die Breiten
U1 bis U5 aufweisen; und die Mitte der Rille zwischen den Induktorzähnen T3
und T4 an der Mitte des Hauptpols positioniert ist. Bei diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind zwei innerste Induktorzähne
T3 und T4 in der Mittelregion der sechs Induktorzähne T1 bis
T6 in dem ersten Abstand α angeordnet,
zwei dazwischen liegende Induktorzähne T2 und T5 auf der Außenseite
der innersten Induktorzähne
T3 und T4 sind in dem zweiten Abstand β von den inneren benachbarten
Induktorzähnen
T3 bzw. T4 angeordnet, und äußerste Induktorzähne T1 und
T6 auf der Außenseite
der dazwischen liegenden Induktorzähne T2 und T5 sind in dem dritten
Abstand γ von
den inneren benachbarten Induktorzähnen T2 bzw. T5 angeordnet.
Es ist zu beachten, dass der Zahnabstand bei dieser Anmeldung die
Entfernung zwischen der Mitte eines Induktorzahnes und der Mitte
des inneren benachbarten Induktorzahnes oder die Entfernung zwischen
den Mitten der innersten Induktorzähne angibt. Bei diesem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind die Zahnabstände,
die Zahnbreiten und die Rillenbreiten bezüglich der Mitte des Hauptpols,
die durch die Mitte der Rille mit der Breite U3 verläuft, vorzugsweise
symmetrisch. Das heißt,
t1 = t6, t2 = t5, t3 = t4, U1 = U5 und U2 = U4.
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Mit
dieser Anordnung ist es möglich,
die Flexibilität
eines Entwerfens von Abweichungswinkeln δ1 bis δ6 zwischen den jeweiligen Induktorzähnen des
Stators und den entsprechenden gegenüberliegenden Zähnen des
Rotors zu erhöhen,
wenn die Mitte der Rille zwischen gegebenen Rotorzähnen mit der
Mitte der Rille, die die Breite U3 aufweist, zusammenfällt, wie
in 9 gezeigt ist, im Vergleich zu einem Fall, in
dem die Induktorzähne
in einem regelmäßigen Abstand
angeordnet sind. Selbst wenn die äußersten Induktorzähne T1 und
T6 dieselbe Breite aufweisen wie die innersten Induktorzähne T3 und T4,
unterscheidet sich außerdem
die Permeanz der Induktorzähne
T1 und T6 von der der Induktorzähne T3
und T4 aufgrund einer Differenz des Magnetwiderstandes, einer Differenz
des Magnetpfades eines Magnetflusslecks und dergleichen, die von
der Lage des Induktorzahns abhängen.
Beispielsweise ändert sich
der Magnetpfad des Magnetflusslecks von dem Induktorzahn in Abhängigkeit
von der Form der Rille zwischen den Zähnen, und deshalb unterscheidet sich
die Permeanz des äußersten
Induktorzahns von derjenigen anderer Induktorzähne. Jedoch ermöglicht die
Unregelmäßiger-Abstand-
und Unregelmäßige-Breiten-Anordnung
der Induktorzähne
bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
dass die Permeanzdifferenz kompensiert wird, wodurch die Permeanzen
der sechs Induktorzähne
im Wesentlichen identisch werden. Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
kann in dem Fall, dass die sechs Induktorzähne dieselbe Zahnbreite aufweisen
und die Permeanz der äußersten
Induktorzähne
T1 und T6 beispielsweise geringer ist als die der innersten Induktorzähne T3 und
T4, die Permeanzdifferenz zwischen den äußersten Induktorzähnen und
den innersten Induktorzähnen
kompensiert werden, indem die Zahnbreiten derart verändert werden,
dass die Zahnbreite der äußersten
Induktorzähne
größer ist
als die der innersten Induktorzähne,
d. h. t1 = t6 > t3
= t4.
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Alle
Rillenbreiten U1 bis U3 können
sich voneinander unterscheiden, alle Zahnbreiten t1 bis t3 können sich
voneinander unterscheiden, und alle Zahnabstände α, β, und γ können sich voneinander unterscheiden.
Bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist es notwendig, dass sich zumindest eine der drei Rillenbreiten
von der bzw. den übrigen Rillenbreite(n)
unterscheidet, dass sich zumindest eine der drei Zahnbreiten von
der bzw. den verbleibenden Zahnbreite(n) unterscheidet und dass
sich zumindest ein Zahnabstand von dem übrigen Zahnabstand bzw. den übrigen Zahnabständen unterscheidet.
Für eine
Erhöhung
eines Drehmoments ist es vorzuziehen, dass Zahnbreite-Verhältnisse,
d. h. ein Wert, der erhalten wird, indem die Zahnbreite t3 (= t4)
durch den ersten Abstand α geteilt
wird, ein Wert, der erhalten wird, indem die Zahnbreite t2 (= t5) durch
den zweiten Abstand β geteilt
wird, und ein Wert, der erhalten wird, indem die Zahnbreite t1 (=
t6) durch den dritten Abstand γ geteilt
wird, z. B. etwa 0,4 betragen. Das heißt, es ist vorzuziehen, dass
t1/α = t2/β = t3/γ = 0,4. Wenn
diese Werte viel kleiner als etwa 0,4 sind, kann ohne Weiteres eine
Sättigung
der Magnetflüsse
von den Zähnen
auftreten. Im Gegensatz dazu nimmt das Magnetflussleck zu, wenn
diese Werte viel größer sind
als etwa 0,4. Der bevorzugte Wert von etwa 0,4 wird anhand einer
Computeranalyse und anhand von Experimenten erhalten, die beide
seitens der Erfinder bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung durchgeführt
wurden.
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10 zeigt
eine exemplarische Verteilung der Permeanzvektoren der Unregelmäßiger-Abstand-Induktorzähne in der
vierten Ebene. Angenommen, dass in 9 beispielsweise
der erste Abstand α etwa
6,66° beträgt und der
zweite und der dritte Abstand β und γ etwa 7,02° betragen,
so sind die Abweichungswinkel δ1
bis δ6 der
Induktorzähne
T1 bis T6 des Stators bezüglich
der entsprechenden entgegengesetzten Rotorzähne bei 10 Werte
in Klammern im mechanischen Winkel, und die vierten Permeanzvektoren
V1 bis V6 der Induktorzähne
T1 bis T6 sind so verteilt, wie es in 10 gezeigt
ist. Die Summe der Vektoren V1 bis V6 beträgt null. Falls die Vektoren
V2 und V5 größere Beträge aufweisen
als andere Vektoren, werden die Vektoren V2 und V5 aufgehoben. Außerdem heben
sich die auf einer Seite der Mitte des Hauptpols angeordneten Vektoren
V1, V2 und V3 gegenseitig auf, während
sich die auf der anderen Seite angeordneten Vektoren V4, V5 und
V6 gegenseitig aufheben. Das heißt, dass sich die Vektoren
auf derselben Seite der Mitte des Hauptpols gegenseitig aufheben.
Dies bedeutet, dass die Flexibilität eines Ausgleichens der Vek toren
bei der Unregelmäßiger-Abstand-Anordnung
der Induktorzähne
im Vergleich zu der Regelmäßiger-Abstand-Anordnung erhöht ist.
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Bei
der obigen Beschreibung beträgt
die Anzahl Ns der Induktorzähne
vorzugsweise 6. Falls Ns = 5, wird der zuvor erwähnte Vektorausgleich für fünf Vektoren
in der vierten Ebene durchgeführt.
Der zuvor erwähnte
Vektorausgleich ist bei diesem Ausführungsbeispiel der erste Ausgleich
der Permeanzvektoren in der vierten Ebene.
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Es
wurde bereits beschrieben, dass die bevorzugte Obergrenze der Anzahl
der Induktorzähne
6 beträgt,
wenn die Gesamtanzahl der Rotorzähne
beispielsweise 50 beträgt
und die Anzahl der Hauptpole 8 beträgt. Unter dieser Bedingung
ist es wünschenswert,
dass die Räume
zwischen den acht Hauptpolen für
den Zweck, ein problemloses Wickeln von Spulen um die jeweiligen
Hauptpole herum zu gewährleisten,
so groß wie
möglich
sind, da während
des Wicklungsvorgangs eine Spule in die Zwischenräume zwischen
den Hauptpolen eingefügt
werden muss. Um dies zu erzielen, ist es notwendig, dass der erste,
der zweite und der dritte Abstand α, β und γ der Unregelmäßiger-Abstand-Induktorzahnanordnung
und der Zahnabstand c des Rotorzahns die folgende Beziehung aus 9 erfüllen. Der
erste, der zweite und der dritte Abstand α, β und γ sind dahin gehend entworfen,
die vierten harmonischen Komponenten der Permeanzen der Induktorzähne, die
zu dem Rastmoment führen,
zu minimieren oder zu eliminieren, wie oben beschrieben wurde. {(α +
2β + 2γ)/5} < c (Ausdruck 7)
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Der
linke Abschnitt des Ausdrucks 7 stellt einen Mittelwert des ersten,
des zweiten und des dritten Abstands dar. Das heißt, dass
der Ausdruck 7 angibt, dass der erste, der zweite und der dritte
Abstand α, β und γ größer sein
können
als der Rotorzahnabstand c, es ist jedoch notwendig, dass der Mittelwert dieser
Zahnabstände
der sechs Induktorzähne
kleiner ist als der Rotorzahnabstand.
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Bei
dem Beispiel der 10 unterscheidet sich der erste
Abstand α von
dem zweiten und dem dritten Abstand β und γ, die identisch zueinander sind,
und der erste, der zweite und der dritte Abstand α, β und γ sind allesamt
kleiner als der Rotorzahnabstand c, d. h. etwa 7,2°. Eine weitere
exemplarische Unregelmäßiger-Abstand-Anordnung
der Induktorzähne
dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels
ist in 11 gezeigt, bei der α ≠ β ≠ γ. Der erste
Abstand α beträgt etwa
6,66°; der
zweite Abstand β beträgt etwa
6,84°; und
der dritte Abstand γ beträgt etwa
7,38°. Lediglich
der dritte Abstand γ ist
größer als
der Rotorzahnabstand c, beispielsweise etwa 7,2°. Bei diesem Beispiel sind die
Abweichungswinkel θ1
bis θ6
der Induktorzähne
bezüglich
der entsprechenden gegenüberliegenden
Rotorzähne
Wer te, die in 11 gezeigt sind. Die vierte
Permeanzkomponente P4 des Hauptpols wird wie folgt berechnet. P4 = cos(4·θ3) + cos(4·θ2) + cos(4·θ1) + cos(4·θ4) + cos(4·θ5) + cos(4·θ6)
=
2{cos(4 × 0,27° × 360°/7,2°) + cos(4 × 0,63° × 360°/7,2°) + cos cos(4 × 0,45° × 360°/7,2°)}
=
cos54° +
cos126° +
cos90°
=
0,5877 – 0,5877
= 0 (Ausdruck 8)
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In
diesem Fall wird die Grundpermeanzkomponente P1 des Hauptpols, die
verbindende Magnetflüsse
und das Motordrehmoment erzeugt, wie folgt berechnet. P1 = cosθ3
+ cosθ2
+ cosθ1
+ cosθ4
+ cosθ5
+ cosθ6
=
2{cos13,5° +
cos31,5° +
cos22,5°}/6
=
0,9163 (Ausdruck 9)
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Der
Ausdruck 9 zeigt, dass etwa 91,6% der Permeanz des Hauptpols die
Motordrehmomentkomponente darstellt. Dieser Wert ist größer als
etwa 90%, das bei der Regelmäßiger-Abstand-Induktorzahnanordnung
erhalten wird. Deshalb ist die Unregelmäßiger-Abstand-Anordnung in Bezug
darauf, ein hohes Drehmoment zu liefern, vorteilhafter als die Regelmäßiger-Abstand-Anordnung.
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Die
bevorzugten Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden oben beschrieben. Jedoch ist die
vorliegende Erfindung nicht hierauf beschränkt. Wenn beispielsweise m
bei dem 4m-Pol-Stator der elektrischen Drehmaschine der bevorzugten
Ausführungsbeispiele
auf 2 oder 3 festgelegt wird, wird der acht oder zwölf Hauptpole
aufweisende Stator erhalten, der zur praktischen Verwendung geeignet
ist. Der Schrittmotor, der diesen Stator aufweist, weist eine geringe
Wicklungsinduktivität
auf, weist während
einer Drehung mit hoher Geschwindigkeit eine geringe Drehmomentverringerung auf,
weist einen flachen Drehmomentverlauf auf und ist von einem Betrieb
bei geringer Geschwindigkeit bis zu einem Betrieb bei hoher Geschwindigkeit
sehr nützlich.
Der acht Hauptpole aufweisende Stator kann lediglich an eine elektrische
Zweiphasen-Drehmaschine angepasst werden, wohingegen der zwölf Hauptpole
aufweisende Stator sowohl an eine elektrische Zweiphasen-Drehmaschine
als auch an eine elektrische Dreiphasen-Drehmaschine angepasst werden
kann.
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Um
den Preis der elektrischen Drehmaschine zu verringern, während die
Größe und das
Drehmoment auf dem Niveau herkömmlicher
Maschinen gehalten werden, ist es vorzuziehen, in der axialen Richtung
zwei separate Magnetschaltungen anzuordnen, wie bei den bevorzugten
Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung beschrieben ist. Bei dieser Anordnung
kann der Magnetpfad verkürzt werden,
und ein minderwertiger Magnet, wie z. B. ein Ferritmagnet, kann
bei der Magnetschaltung verwendet werden. Falls ein Ferritmagnet
verwendet wird, ist es vorzuziehen, dass der Ferritmagnet eine Magnetfluss-Restdichte von beispielsweise
etwa 0,5 T oder weniger aufweist. Somit können die Kosten verringert werden. Überdies
kann im Fall einer Verwendung des Ferritmagnets der Arbeitspunkt
aufgrund eines flachen Anstiegs der B-H-Kurve des Ferritmagnets
stabil sein, wodurch eine einheitlichere Magnetflussdichte geliefert
wird. Deshalb kann ein Motor mit geringer Schwingung und geringen
Schwankungen erhalten werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass, wenn
die B-H-Kurve einen im Wesentlichen flachen Anstieg aufweist, die Änderung
des Magnetflusswertes sogar dann klein gehalten werden kann, wenn
der Arbeitspunkt durch die Schwankung der Abmessung des Luftspalts
oder dergleichen verlagert wird.
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Obwohl
oben bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, versteht es sich,
dass Variationen und Modifikationen Fachleuten einleuchten werden,
ohne von dem Schutzumfang und der Wesensart der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung ist deshalb
ausschließlich
anhand der folgenden Patentansprüche
zu bestimmen.