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Die Erfindung betrifft einen zwei- oder mehrphasigen Elektromotor.
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Es sind sogenannte bürstenlose, elektronisch kommutierte Scheibenläufermotoren bekannt, bei denen der Rotor eine Magnetscheibe aus einem Permanentmagneten umfasst, und bei denen als Stator mehrere Spulen in der Form einer feststehenden Spulenscheibe auf zumindest einer Seite der Magnetscheibe angeordnet sind. Bei einem beispielsweise dreiphasigen Motor sind zumindest drei Spulen auf der Spulenscheibe vorhanden, die derart phasenweise mit einem Strom beaufschlagt werden, dass ein magnetisches Drehfeld entsteht. Dies führt zu einer Drehbewegung des Rotors.
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Diese Motoren weisen die Nachteile auf, dass die Herstellung der Spulenscheibe, insbesondere das Wickeln der Spulen dieser Spulenscheibe, häufig mit einem erhöhten Aufwand verbunden ist, oder dass für die Magnetscheibe meist hochwertiges und damit teures magnetisches Material verwendet werden muss, oder dass die üblicherweise sich ergebende Scheibenform dieser Motoren für viele Anwendungen ungeeignet ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Elektromotor zu schaffen, der einfacher und kostengünstiger hergestellt werden kann.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen zwei- oder mehrphasigen Elektromotor nach dem Anspruch 1.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor ist mit einem Rotor versehen, der mindestens eine Magnetscheibe mit mindestens zwei Polbereichen aufweist. Weiterhin ist der erfindungsgemäße Elektromotor mit einem Stator versehen, der mindestens zwei Spulenscheiben mit jeweils mindestens einer Spule aufweist. Die Magnetscheibe ist dabei zwischen den beiden Spulenscheiben angeordnet. Erfindungsgemäß ist jede der beiden Spulenscheiben genau einer einzigen Phase des Elektromotors zugeordnet.
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Mit anderen Worten bedeutet dies, dass durch die Spule/n ein- und derselben Spulenscheibe genau eine Phase des Elektromotors realisiert wird.
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Während somit bei den bekannten bürstenlosen Scheibenläufermotoren von der dortigen Spulenscheibe mehrere Phasen des Motors realisiert werden, ist dies bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor nicht der Fall. Dort wird von einer einzigen Spulenscheibe nur eine einzige Phase des Elektromotors realisiert.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Elektromotors besteht darin, dass dessen Spulenscheibe einfach hergestellt werden kann. Dies ergibt sich daraus, dass insbesondere das Wickeln der Spule/n der Spulenscheibe aufgrund der Einphasigkeit einfach ausführbar ist.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Elektromotors besteht in dessen vergleichsweise höherer Leistungsdichte. Dies ergibt sich einerseits aus der mehrfachen abwechselnden Stapelung der Magnet- und Spulenscheiben und andererseits aus den dünner und kompakter fertigbaren einphasigen Spulenscheiben.
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Die daraus resultierende höhere Leistungsdichte des erfindungsgemäßen Elektromotors ermöglicht es, dass bei der Herstellung der Magnetscheibe gegebenenfalls magnetisch weniger hochwertiges und damit kostengünstigeres Material verwendet werden kann.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Elektromotors besteht darin, dass er keine Scheibenform, sondern eine für Elektromotoren eher übliche Zylinderform aufweist. Diese Zylinderform ermöglicht eine einfache Verwendung des erfindungsgemäßen Elektromotors in den meisten gängigen Anwendungen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind drei Spulenscheiben vorhanden, und es sind zwei Magnetscheiben zwischen den drei Spulenscheiben angeordnet. Damit kann auf einfache Weise ein dreiphasiger Elektromotor realisiert werden. Ein Vorteil der Erfindung besteht dabei darin, dass die einzelnen Bauteile des Elektromotors, insbesondere die Spulenscheiben und die Magnetscheiben, in einfacher Weise modular ergänzt und damit die Phasenzahl des Elektromotors verändert werden kann.
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Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung ist benachbart zu den beiden äußeren Spulenscheiben jeweils eine weitere Magnetscheibe angeordnet oder es ist benachbart zu den beiden äußeren Spulenscheiben jeweils eine vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material bestehende Endscheibe angeordnet oder es ist eine Kombination der beiden vorstehenden Merkmale vorhanden. Mit Hilfe dieser beiden äußeren Magnetscheiben und/oder der beiden Endscheiben kann in einfacher Weise ein endseitig kurzgeschlossener axialer Magnetfluss in dem Rotor des erfindungsgemäßen Elektromotors erzeugt werden.
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Sind Endscheiben aus weichmagnetischem Material vorgesehen, so können diese Endscheiben auch über einen Luftspalt von der benachbarten Magnetscheibe getrennt und feststehend ausgeführt sein. Auf diese Weise kann die Masse des Rotors vermindert werden. Vorzugsweise konnen dabei Ringbandkerne zum Einsatz kommen.
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Bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung enthalten die Spulenscheiben jeweils zwei, vier, sechs, acht oder mehr Spulen. Die Anzahl der Spulen pro Spulenscheibe kann dabei in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der erwünschten Leistung und/oder der Größe oder anderen Kriterien des Elektromotors gewählt werden.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Spule/n jeder der Spulenscheiben in einem Spritz- oder Gussmaterial enthalten ist/sind. Vorzugsweise ist/sind die Spule/n aus einem Back-Lack-Draht gewickelt und fest verbacken. Durch diese Maßnahme kann die Herstellung des erfindungsgemäßen Elektromotors vereinfacht werden.
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Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn die Spulenscheiben jeweils einen T-förmigen Querschnitt aufweisen. Damit kann eine bessere Ausnutzung des dem Elektromotor zur Verfügung stehenden Raumes bzw. Volumens erreicht werden.
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Weiterhin kann damit erreicht werden, dass die Spulenscheiben mit einer großen Umfangsfläche an der Innenfläche des Gehäuses des Elektromotors anliegen. Auf diese Weise kann einerseits innerhalb der Spulenscheiben entstehende Wärme auf das Gehäuse abgeleitet werden, und andererseits kann durch die große Umfangsfläche der Spulenscheiben eine einfachere drehfeste Verbindung zwischen den Spulenscheiben und dem Gehäuse und damit eine größere Stabilität erreicht werden.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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1 der Zeichnung zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit teilweise aufgeschnittenem Gehäuse, 2 zeigt eine schematische Ansicht des Rotors des Elektromotors der 1, 3 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch den Rotor der 2 mit zusätzlich eingezeichneten Spulenscheiben des Stators, 4a, 4b zeigen schematische Ansichten einer der Spulenscheiben der 3, und 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b zeigen schematische Darstellungen möglicher Ausgestaltungen der Magnetscheiben und der Spulenscheiben des Elektromotors der 1.
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In der 1 ist ein dreiphasiger Elektromotor 10 dargestellt, bei dem es sich um einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Mehrscheibenmotor handelt.
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Der Elektromotor 10 weist ein zylinderförmiges Gehäuse 12 auf, das stirnseitig von jeweils einem Lagerschild 13, 14 verschlossen ist. In den beiden Lagerschilden 13, 14 ist eine Rotorwelle 16 gelagert, die im Wesentlichen koaxial zum Gehäuse 12 ausgerichtet ist. Das Gehäuse 12 kann beispielsweise aus einem elektrisch und magnetisch schlecht leitenden Material bestehen, beispielsweise aus einem Edelstahlrohr oder aus einem Kunststoffrohr. Damit können über das Gehäuse 12 keine magnetischen Verluste oder Wirbelstromverluste entstehen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind gemäß den 2 und 3 insgesamt vier im Wesentlichen gleichartige Magnetscheiben 17a, 17b, 17c, 17d auf der Rotorwelle 16 angeordnet. Die Scheibenfläche der Magnetscheiben 17 ist im Wesentlichen quer zur Rotorwelle 16 ausgerichtet. Alle Magnetscheiben 17 besitzen im Wesentlichen denselben Außendurchmesser. Weiterhin sind die vier Magnetscheiben 17 in dem in der 2 gezeigten Ausführungsbeispiel in axialer Richtung jeweils im Wesentlichen gleich lang. Die axiale Länge ist dabei kleiner als der Durchmesser der Magnetscheiben 17. Die vier Magnetscheiben 17 bestehen aus einem permanentmagnetischen Material, beispielsweise aus einem Neodym-haltigen Material oder aus einem Ferrit-haltigen Material oder aus Mischungen davon oder aus sonstigen entsprechenden Materialien oder Legierungen.
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Zwischen den Magnetscheiben 17 sind drei gleichartige Abstandsringe 18a, 18b, 18c auf die Rotorwelle 16 aufgesteckt, so dass drei gleich große Zwischenräume zwischen den vier Magnetscheiben 17 vorhanden sind. Die Abstandsringe 18 können, müssen aber nicht drehfest mit der Rotorwelle 16 verbunden sein.
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Die vier Magnetscheiben 17 sind drehfest mit der Rotorwelle 16 verbunden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Magnetscheiben 17 direkt auf die Rotorwelle 16 aufgepresst sind. Gegebenenfalls kann dies durch einen Formschluss unterstützt werden. Alternativ kann dies auch beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die einzelnen Magnetscheiben 17 drehfest mit jeweils einer Buchse, z. B. einer Kunststoffbuchse, verbunden sind, und dass die Buchsen wiederum drehfest mit der Rotorwelle 16 verbunden sind. Im Falle der Buchsen ist es dabei möglich, dass sich die Buchsen in axialer Richtung über die Magnetscheiben 17 hinaus erstrecken und damit gleichzeitig die abstandsbildende Funktion der Abstandsringe 18 übernehmen.
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Auf den einander abgewandten Seiten der beiden endseitigen Magnetscheiben 17a, 17d ist jeweils eine Endscheibe 19a, 19b auf der Rotorwelle 16 angeordnet. Die Scheibenfläche der Endscheiben 19 ist im Wesentlichen quer zur Rotorwelle 16 ausgerichtet und die Endscheiben 19 besitzen im Wesentlichen denselben Außendurchmesser, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwas kleiner ist als der Außendurchmesser der Magnetscheiben 17. Die beiden Endscheiben 19 bestehen aus einem weichmagnetischen Material, beispielsweise aus einem Stahl oder dergleichen.
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Die beiden Endscheiben 19 sind drehfest mit der Rotorwelle 16 verbunden. Dies kann in entsprechender Weise erreicht werden, wie dies im Zusammenhang mit den Magnetscheiben 17 erläutert worden ist. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die beiden Endscheiben 19 mit der jeweils zugehörigen Magnetscheibe 17a, 17d drehfest verbunden sind, z. B. mittels einer Klebung.
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Alternativ ist es möglich, dass die beiden Endscheiben 19a, 19b über einen Luftspalt von der jeweils benachbarten Magnetscheibe 17a, 17d getrennt und feststehend ausgeführt sind. Beispielsweise können die beiden Endscheiben 19a, 19b in diesem Fall als Ringbandkerne ausgeführt und innerhalb des Gehäuses 12 befestigt sein.
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Die vier Magnetscheiben 17 erzeugen einen Magnetfluss, wie er in der 2 schematisch durch Pfeile 21 angedeutet ist, und wie er im Zusammenhang mit den 5 bis 7 noch ergänzend erläutert werden wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der 2 erzeugen die vier Magnetscheiben 17 somit einen zueinander entgegengesetzt verlaufenden, im Wesentlichen axialen Magnetfluss, der über die beiden Endscheiben 19 geschlossen ist.
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Aufgrund der drehfesten Verbindung der Magnetscheiben 17 und der Endscheiben 19 mit der Rotorwelle 16 durchdringt der erzeugte Magnetfluss kein stehendes weichmagnetisches Material. Insoweit kann der Elektromotor 10 – trotz der vorhandenen Endscheiben 19 – als eisenlos bezeichnet werden.
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Alternativ ist es möglich, dass die den Magnetfluss kurzschließende Funktion der beiden Endscheiben 19 von den beiden endseitigen Magnetscheiben 17a, 17d übernommen wird. In diesem Fall sind die beiden endseitigen Magnetscheiben 17a, 17d derart magnetisiert, dass sie den von den beiden mittleren Magnetscheiben 17b, 17c gebildeten, zueinander entgegengesetzt verlaufenden, axialen Magnetfluss auf beiden Seiten fortführen und kurzschließen. Die beiden endseitigen Magnetscheiben 17a, 17d können zu diesem Zweck in axialer Richtung etwas länger ausgebildet sein als die beiden mittleren Magnetscheiben 17b, 17c und die beiden Endscheiben 19a, 19b können dann entfallen.
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Weiterhin ist es alternativ möglich, dass nur die beiden Endscheiben 19 vorhanden sind, die beiden endseitigen Magnetscheiben 17a, 17d jedoch nicht vorhanden sind. In diesem Fall erfolgt der magnetische Kurzschluss nur über die beiden Endscheiben 19.
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Die Rotorwelle 16 mit den darauf angeordneten Magnetscheiben 17 und den gegebenenfalls vorhandenen Abstandsringen 18 und Endscheiben 19 bildet den Rotor des Elektromotors 10.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist gemäß der 3 in den drei Zwischenräumen zwischen den vier Magnetscheiben 17 jeweils eine gleichartige Spulenscheibe 23a, 23b, 23c angeordnet. Die Scheibenfläche der Spulenscheiben 23 ist im Wesentlichen quer zur Rotorwelle 16 ausgerichtet. Alle Spulenscheiben 23 besitzen im Wesentlichen denselben Innen- und Außendurchmesser. Der Innendurchmesser ist dabei zumindest geringfügig größer als der Außendurchmesser der Abstandsringe 18, so dass eine ungehinderte Drehbewegung der Abstandsringe 18 möglich ist.
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In axialer Richtung sollte der Luftspalt zwischen den Magnetscheiben 17 und. den Spulenscheiben 23 jeweils möglichst gering sein. Der radiale Abstand der Spulenscheiben 23 zu den Magnetscheiben 17 und den Abstandsringen 18 kann größer ausgebildet sein.
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Die drei Spulenscheiben 23 sind drehfest mit dem Gehäuse 12 verbunden. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Spulenscheiben 23 in das Gehäuse 12 eingepresst sind. Alternativ oder zusätzlich können die Spulenscheiben 23 durch einen Formschluss und/oder eine Klebung drehfest mit dem Gehäuse 12 verbunden sein.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Spulenscheiben 23 auch eine andere Form aufweisen können. Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, dass die Spulenscheiben 23 kreisförmig ausgebildet sind. Es ist auch möglich, dass die Spulenscheiben 23 eine beispielsweise ovale Außenform oder eine Doppel-Keulenform oder dergleichen besitzen, wobei dann die drehfeste Verbindung der Spulenscheiben 23 mit dem Gehäuse 12 entsprechend angepasst werden muss.
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In der 4a ist eine der drei Spulenscheiben 23 in einer schematischen Draufsicht aus einer axialen Richtung und in 4b ist diese Spulenscheibe 23 in einem schematischen Querschnitt entlang der Linie a-a gezeigt.
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Die dargestellte Spulenscheibe 23 weist beispielhaft in der Draufsicht eine Kreisform auf. Im Querschnitt gesehen ist die Spulenscheibe 23 in der Form eines „T” ausgebildet, das um die von der Rotorwelle 16 gebildete Rotationsachse umläuft. In dem Längsteil und gegebenenfalls auch in den beiden abstehenden Querteilen des „T” sind dabei ein oder mehrere Spulen vorhanden, wie dies im Zusammenhang mit den 5 bis 8 noch erläutert werden wird. Es wird darauf hingewiesen, dass die im vorliegenden Ausführungsbeispiel erläuterte T-Form auch entfallen kann oder durch eine andersartig ausgebildete Querschnittsform ersetzt sein kann.
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In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der 4 sind in der Spulenscheibe 23 beispielhaft sechs Spulen 24 vorhanden. Die Spulen 24 sind in den 4a, 4b gestrichelt dargestellt, da sie sich – wie bereits angedeutet und wie auch noch erläutert werden wird – im Innern der Spulenscheibe 23 befinden.
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Zur Herstellung der Spulenscheibe 23 sind die Spulen 24 jeweils aus einem isolierten Draht gewickelt und innerhalb der „T”-Form der Spulenscheiben 23 ausgeformt. Der Draht der Spulen 24 reicht dabei auch in die abstehenden Querteile des „T”. Die fertig gewickelten und geformten und entsprechend den 4a, 4b angeordneten Spulen 24 werden dann mit Hilfe eines die „T”-Form vorgebenden Werkzeugs in einem Spritz- oder Gussmaterial vergossen bzw. ausgespritzt. Im fertiggestellten Zustand befinden sich die Spulen 24 somit im Inneren des Spritz- oder Gussmaterials und sind gegebenenfalls von außen nicht sichtbar. Das Spritz- oder Gussmaterial mit den darin enthaltenen Spulen 24 bildet die Spulenscheibe 23.
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Bei dem Draht, aus dem die Spulen 24 gewickelt sind, kann es sich um einen isolierten Draht oder einen Lackdraht handeln, insbesondere um einen Runddraht oder um einen Rechteckdraht, der beispielsweise in der Form einer Folie oder eines Rechtecks oder Quadrats ausgebildet ist.
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Alternativ ist es möglich, dass die Spulen 24 aus einem sogenannten Back-Lack-Draht bestehen. Dabei handelt es sich um einen isolierten Draht, der von einem zusätzlichen Kleber oder Thermoplast umgeben ist. Nachdem die Spulen 24 fertig gewickelt und geformt und angeordnet sind, kann in diesem Fall die nunmehr vorhandene Anordnung mit Hilfe eines die „T”-Form der Spulenscheibe 23 vorgebenden Werkzeugs erwärmt und/oder gepresst werden. Dies hat zur Folge, dass der Kleber oder Thermoplast des Back-Lack-Drahtes weich wird und zu fließen beginnt, womit in diesem Fall die Spulenscheibe 23 erzeugt wird. Diese Vorgehensweise wird auch als ein sogenanntes Verbacken bezeichnet.
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Weiterhin ist es alternativ möglich, dass die Spulen 24 nicht aus einem Draht gewickelt sind, sondern dass einzelne Spulen oder alle Spulen ähnlich einer gedruckten Leiterplatte hergestellt werden oder aus einem elektrisch leitenden Blech mittels eines Laser oder Wasserstrahls geschnitten oder gedruckt oder gestanzt werden.
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Wie bereits erwähnt wurde und wie sich auch aus der 4a ergibt, erstrecken sich die Spulen 24 bis in die Querteile der „T”-Form der Spulenscheibe 23. Wie sich aus der 3 ergibt, liegt die Außen- bzw. Umfangsfläche der Spulenscheibe 23 an der Innenfläche des Gehäuses 12 an. Im Betrieb in den Spulenscheiben 23 entstehende Wärme kann somit über die Querteile der „T”-Form an das Gehäuse abgeleitet werden.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Spulen 24 ein- und derselben Spulenscheibe 23 aus einem einzigen Draht gewickelt. Ein- und dieselbe Spulenscheibe 23 ist somit bei dem beispielhaft beschriebenen Elektromotor 10 einsträngig ausgebildet. Zu jeder Spulenscheibe 23 gibt es also nur eine einzige Zuleitung zu dem zugehörigen Draht und eine einzige Rückleitung von diesem Draht. Für diese Zu- und Rückleitung kann/können gemäß der 1 ein Kanal 26 bzw. mehrere Kanäle in der radial äußeren Fläche der Spulenscheibe 23 vorhanden sein.
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Jede der Spulenscheiben 23a, 23b, 23c ist genau einer einzigen Phase des Elektromotors 10 zugeordnet. Mit den Spulen 24 jeder der Spulenscheiben 23 wird also genau eine einzige Phase des Elektromotors 10 realisiert. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Elektromotor 10 somit aufgrund der drei vorhandenen Spulenscheiben 23 genau drei Phasen auf.
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Die Zuordnung jeder der Spulenscheiben 23a, 23b, 23c zu genau einer einzigen Phase des Elektromotors 10 wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit Hilfe der einsträngigen Ausbildung der Spulen 24 jeder der Spulenscheiben 23 erreicht. Diese einsträngige Ausbildung der einzelnen Spulenscheiben 23 ist gleichbedeutend damit, dass mit jeder der Spulenscheiben 23 auch nur eine einzige Phase des Elektromotors 10 realisiert sein kann.
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Es wird aber darauf hingewiesen, dass die einzelnen Spulenscheiben 23 auch mehrsträngig ausgebildet sein können, wobei trotzdem jede der Spulenscheiben 23 nur einer einzigen Phase des Elektromotors 10 zugeordnet ist. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn unterschiedliche Spulen 24 der Spulenscheibe 23 unabhängig voneinander – also mit separaten Drähten – gewickelt werden. Durch eine entsprechende Verschaltung dieser Spulen 24 kann in diesem Fall aber – wie gesagt – trotzdem eine Zuordnung aller Spulen 24 dieser Spulenscheibe 23 zu ein- und derselben Phase des Elektromotors 10 erreicht werden. Dabei ist es möglich, dass unterschiedliche Spulen 24 von ein- und derselben Spulenscheibe 23 auf der Spulenscheibe 23 selbst oder außerhalb der Spulenscheibe miteinander verschaltet sind, also beispielsweise in Reihe oder parallel geschaltet sind. Dies kann dazu führen, dass nicht nur zwei, sondern mehrere Drähte mit dieser Spulenscheibe 23 verbunden sind.
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Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Spulenscheiben 23 innerhalb des Elektromotors 10 auch kleiner oder größer als drei gewählt werden kann. Dies hat dann zur Folge, dass sich die Phasenzahl des Elektromotors 10 in entsprechender Weise ändert. So kann z. B. ein fünf-phasiger Elektromotor 10 dadurch erzeugt werden, dass – im Vergleich zum vorliegenden Ausführungsbeispiel – zwei weitere Magnetscheiben 17 mit dazwischen angeordneten Abstandsringen 18 sowie zwei weitere Spulenscheiben 23 in den auf diese Weise geschaffenen Zwischenräumen eingebracht werden. In entsprechender Weise ist es möglich, einen zwei-phasigen Elektromotor 10 aus zwei Spulenscheiben 23 und einer dazwischen angeordneten Magnetscheibe 17 herzustellen. Der vorliegende Elektromotor 10 ist insoweit modular aufgebaut und kann für eine nahezu beliebige Phasenzahl eingerichtet werden.
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In den 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b sind unterschiedliche Ausgestaltungen der Magnetscheiben 17 und der Spulenscheiben 23 des Elektromotors 10 der 1 dargestellt. Die 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b gehen von einer im Hintergrund befindlichen Ansicht der jeweiligen Magnetscheibe 17 in axialer Richtung aus. Im Vordergrund, also vor der jeweiligen Magnetscheibe 17 ist/sind die Spule/n 24 der jeweils zugehörigen Spulenscheibe 23 schematisch dargestellt. Die Spulenscheibe 23 als solche, also insbesondere das Spritz- oder Gussmaterial der Spulenscheibe 23, ist in den 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b nicht gezeigt.
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Wie erläutert wurde, ist die Magnetscheibe 17 ein Teil des Rotors des Elektromotors 10 und die Spulen 24 der Spulenscheibe 23 bilden einen Teil des Stators. Insoweit zeigen die 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b nur eine bestimmte Drehstellung der Magnetscheibe 17 und der Spulen 24 zueinander.
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In den 5a und 5b ist die Magnetscheibe 17 zweipolig in zwei Pol-Hälften aufgeteilt, die in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind. Es entstehen dadurch zwei Polbereiche, die beispielhaft mit N für Nord und mit S für Süd gekennzeichnet sind. Diese beiden entgegengesetzt magnetisierten Polbereiche korrespondieren dabei zu den entgegengesetzten Richtungen des Magnetflusses im oberen und unteren Bereich der Magnetscheiben 17 gemäß den Pfeilen 21 in der 2.
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In der 5a weist die zugehörige Spulenscheibe 23 zwei Spulen 24a, 24b auf. Die beiden Spulen 24a, 24b besitzen beispielhaft jeweils eine im Wesentlichen ovale oder etwa trapezförmige Form und erstrecken sich jeweils nur in einer Hälfte der Spulenscheibe 23. Das Zentrum jeder der beiden Spulen 24a, 24b befindet sich etwa symmetrisch in der jeweiligen Hälfte der Spulen 24a, 24b. Die beiden Spulen 24a, 24b sind gegensinnig gewickelt und in Reihe geschaltet. Damit fließt ein Strom durch die Spulen 24a, 24b, wie er in der 5a durch die Pfeile 28 angegeben ist.
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In der 5b weist die zugehörige Spulenscheibe 23 nur eine Spule 24 auf, die beispielhaft im Wesentlichen eine Kreisform besitzt. Die Spule 24 befindet sich in einer der beiden Hälften der Spulenscheibe 23 und erstreckt sich asymmetrisch in einem geringen Umfang in die andere der beiden Hälften. Es fließt ein Strom durch die Spule 24, wie er in der 5b durch den Pfeil 28 angegeben ist.
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In den 6a und 6b ist die Magnetscheibe 17 vierpolig in vier Pol-Viertel aufgeteilt, die aufeinanderfolgend in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind. Es entstehen dadurch vier Polbereiche, die beispielhaft mit N für Nord und mit S für Süd gekennzeichnet sind. Jeweils zwei aneinander angrenzende Polbereiche dieser vier abwechselnd entgegengesetzt magnetisierten Polbereiche korrespondieren dabei zu den entgegengesetzten Richtungen des Magnetflusses gemäß den Pfeilen 21 in der 2.
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In der 6a weist die zugehörige Spulenscheibe 23 vier Spulen 24a, 24b, 24c, 24d auf. Die vier Spulen 24a, 24b, 24c, 24d besitzen beispielhaft jeweils eine etwa trapezförmige Form und erstrecken sich jeweils nur in einem Viertel der Spulenscheibe 23. Alternativ können die Spulen 24a, 24b, 24c, 24d auch im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sein. Das Zentrum jeder der vier Spulen 24a, 24b, 24c, 24d befindet sich etwa symmetrisch in dem jeweiligen Viertel der Spulen 24a, 24b, 24c, 24d. Die vier Spulen 24a, 24b, 24c, 24d sind abwechselnd gegensinnig gewickelt und in Reihe geschaltet. Damit fließt ein Strom durch die Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, wie er in der 6a durch die Pfeile 28 angegeben ist.
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In der 6b weist die zugehörige Spulenscheibe 23 nur eine Spule 24 auf, die beispielhaft im Wesentlichen eine Doppel-Keulenform besitzt. Alternativ kann die Spule 24 auch eine etwa ovale Form besitzen. Das Zentrum der Spule 24 ist etwa koaxial zu der Spulenscheibe 23 ausgerichtet. Es fließt ein Strom durch die Spule 24, wie er in der 6b durch den Pfeil 28 angegeben ist.
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In den 7a und 7b ist die Magnetscheibe 17 in sechs gleich große Teile aufgeteilt, die aufeinanderfolgend in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind. Es entstehen dadurch sechs Polbereiche, die beispielhaft mit N für Nord und mit S für Süd gekennzeichnet sind.
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In der 7a weist die zugehörige Spulenscheibe 23 sechs Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f auf. Die 7a entspricht somit dem Ausführungsbeispiel der 4.
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Die sechs Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f besitzen jeweils beispielhaft im Wesentlichen eine Kreisform und erstrecken sich jeweils nur in einem Sechstel der Spulenscheibe 23. Alternativ können die Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f auch eine im Wesentlichen trapezförmige Gestalt besitzen. Das Zentrum jeder der sechs Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f befindet sich etwa symmetrisch innerhalb des Sechstels der jeweiligen Spule 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f. Die sechs Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f sind abwechselnd gegensinnig gewickelt und in Reihe geschaltet. Damit fließt ein Strom durch die Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, wie er in der 7a durch die Pfeile 28 angegeben ist.
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In der 7b weist die zugehörige Spulenscheibe 23 nur eine Spule 24 auf, die beispielhaft im Wesentlichen eine aus drei abstehenden Keulen aufgebaute Form besitzt. Der Verlauf der Keulen kann auch beispielsweise ähnlich eines dreiblättrigen Kleeblatts ausgebildet sein. Das Zentrum der Spule 24 ist etwa koaxial zu der Spulenscheibe 23 ausgerichtet und die Keulen der Spule 24 sind im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet. Es fließt ein Strom durch die Spule 24, wie er in der 7b durch den Pfeil 28 angegeben ist.
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In den 8a und 8b ist die Magnetscheibe 17 in acht gleich große Teile aufgeteilt, die aufeinanderfolgend in entgegengesetzte Richtungen magnetisiert sind. Es entstehen dadurch acht Polbereiche, die beispielhaft mit N für Nord und mit S für Süd gekennzeichnet sind.
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In der 8a weist die zugehörige Spulenscheibe 23 acht Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h auf. Die acht Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h besitzen jeweils beispielhaft eine im Wesentlichen trapezförmige Gestalt und erstrecken sich jeweils nur in einem Achtel der Spulenscheibe 23. Alternativ können die Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h auch eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt besitzen. Das Zentrum jeder der acht Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h befindet sich etwa symmetrisch innerhalb des Achtels der jeweiligen Spule 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h. Die acht Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h sind abwechselnd gegensinnig gewickelt und in Reihe geschaltet. Damit fließt ein Strom durch die Spulen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, 24g, 24h, wie er in der 8a durch die Pfeile 28 angegeben ist.
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In der 8b weist die zugehörige Spulenscheibe 23 nur eine Spule 24 auf, die beispielhaft im Wesentlichen eine aus vier abstehenden Keulen aufgebaute Form besitzt. Der Verlauf der Keulen ist beispielsweise ähnlich eines vierblättrigen Kleeblatts ausgebildet. Das Zentrum der Spule 24 ist etwa koaxial zu der Spulenscheibe 23 ausgerichtet und die Keulen der Spule 24 sind im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet. Es fließt ein Strom durch die Spule 24, wie er in der 8b durch den Pfeil 28 angegeben ist.
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Von den in den 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b schematisch dargestellten Magnetscheiben 17 sind im Falle des Ausführungsbeispiels der 1 bis 4 – wie erläutert wurde – jeweils vier Stück vorhanden. Diese vier Magnetscheiben 17 sind dabei auf der Rotorwelle 16 in Drehrichtung derart zueinander ausgerichtet, dass die erläuterten Übergänge der Polbereiche der vier Magnetscheiben 17 im Wesentlichen keinen Drehwinkel zueinander aufweisen und dass gleichartige Polbereiche der vier Magnetscheiben 17 im Wesentlichen in gleichen Drehwinkelbereichen vorhanden sind.
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Von den in den 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b schematisch dargestellten Spulenscheiben 23 sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel des dreiphasigen Elektromotors 10 der 1 bis 4 – wie erläutert wurde – jeweils drei Stück vorhanden. Diese drei Spulenscheiben 23 sind dabei auf der Rotorwelle 16 in Drehrichtung derart zueinander ausgerichtet, dass die Spulen 24 der drei Spulenscheiben 23 einen bestimmten Drehwinkelversatz zueinander aufweisen.
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Allgemein ergibt sich der Drehwinkelversatz im Wesentlichen wie folgt:
360 Grad/((Anzahl der Polbereiche) × (Anzahl der Phasen)).
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Für drei Phasen und im Falle der 5a und 5b beträgt der Drehwinkelversatz somit jeweils 60 Grad, im Falle der 6a und 6b jeweils 30 Grad, und im Falle der 7a und 7b jeweils 20 Grad. Im Falle von drei Spulenscheiben und achtpoligen Magnetscheiben gemäß den 8a, 8b beträgt der Drehwinkelversatz jeweils 15 Grad.
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Wie erläutert wurde, weisen die Magnetscheiben 17 eine bestimmte Anzahl von Polbereichen auf. In den 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b sind die Übergänge zwischen diesen Polbereichen jeweils schematisch als gerade Linien dargestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Übergänge auch bogenförmig oder auf sonstige Weise geschwungen ausgebildet sein können.
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Weiterhin ist es möglich, dass die genannten Polbereiche nicht durch Magnetisierungen der Magnetscheiben 17 erzeugt werden, sondern dass stattdessen einzelne separate Magnetsegmente auf einer Trägerscheibe ein- oder beidseitig angeordnet und befestigt sind.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Magnetscheiben 17 und die Spulenscheiben 23 in zwei oder mehr Gruppen vorzusehen. Dies bedeutet, dass eine erste Gruppe von Magnetscheiben 17 und Spulenscheiben 23 auf die beschriebene Weise vorhanden ist, und dass weiterhin eine gleichartige zweite Gruppe von Magnetscheiben 17 und Spulenscheiben 23 vorhanden ist. Die Magnetscheiben 17 und Spulenscheiben 23 der beiden Gruppen sind dabei auf der Rotorwelle 16 hintereinander angeordnet und die einander zugeordneten Spulenscheiben 23 der beiden Gruppen sind in Reihe oder parallel geschaltet. Zwischen den Gruppen können dabei gegebenenfalls vorhandene Endscheiben entfallen. Auf diese Weise kann z. B. ein dreiphasiger Elektromotor erzeugt werden, der zwei Gruppen mit jeweils drei Spulenscheiben 23 aufweist.
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Gemäß den vorstehenden Erläuterungen können damit bei dem Elektromotor 10 folgende Parameter nahezu beliebig gewählt werden:
- – die Anzahl der Polbereiche der Magnetscheiben 17,
- – die Anzahl der Spulen der Spulenscheibe 23,
- – die Anzahl der Spulenscheiben 23 und damit die Anzahl der Phasen des Elektromotors 10, und
- – die Anzahl der Gruppen, aus denen der Elektromotor 10 aufgebaut ist. Insbesondere können diese Parameter in Abhängigkeit von der vorgesehenen Größe und/oder Geometrie und/oder der erwünschten Leistung bzw. dem erwünschten Drehmoment und/oder der angestrebten Drehzahl des Elektromotors 10 ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden.
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Weiterhin kann auch das Magnetmaterial für die Magnetscheibe/n nahezu beliebig gewählt werden. Insbesondere ist es nicht zwingend erforderlich, für die Magnetscheibe/n ein hochwertiges und damit teures Magnetmaterial zu verwenden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die insbesondere anhand der 5a, 5b, 6a, 6b, 7a, 7b, 8a, 8b erläuterten Kombinationsmöglichkeiten der Anzahl der Polbereiche und der Anzahl der Spulen nur beispielhaft und keinesfalls abschließend zu verstehen ist. Ebenfalls ist die den 1 bis 3 zugrundeliegende Dreiphasigkeit des Elektromotors 10 nur beispielhaft gewählt und soll keinesfalls beschränkend sein. Entsprechendes gilt für die erläuterte Möglichkeit von Gruppenbildungen.
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Wie erläutert wurde, realisiert jede der Spulenscheiben 23 genau eine einzige Phase des Elektromotors 10. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel drei Spulenscheiben 23 vorhanden sind, ergeben sich insgesamt drei Phasen. Diese drei Phasen sind beispielsweise mittels einer Dreieck- oder Sternschaltung untereinander verschaltet. Weiterhin sind die drei Phasen mit einer Steuerelektronik verbunden. Die Steuerelektronik ist dazu vorgesehen, die drei Phasen im Sinne einer elektronischen Kommutierung anzusteuern. Zur Erzeugung einer Drehbewegung des Elektromotors 10 werden die vorhandenen Spulenscheiben 23 somit von der Steuerelektronik mit einem entsprechenden Strom beaufschlagt.
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Die Steuerelektronik kann dabei beispielsweise in einem oder in beiden der in der 1 vorhandenen Zwischenräume zwischen den beiden Lagerschilden 13, 14 und den Endscheiben 19 des Rotors angeordnet sein. Beispielsweise kann die Steuerelektronik in der Form einer Elektronikscheibe zwischen einem der Lagerschilde 13, 14 und der zugewandten Endscheibe 19 drehfest in dem Gehäuse 12 gehalten sein. Der andere Zwischenraum kann dann zu anderen Zwecken genutzt sein, beispielsweise zur Unterbringung eines Sensors, z. B. eines Hall-Sensors. Der andere Zwischenraum kann auch entfallen. Die Steuerelektronik kann aber auch außerhalb des Elektromotors 10 vorgesehen sein.
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Die einzelnen Phasen des Elektromotors 10, also die einzelnen Spulenscheiben 23, werden von der Steuerelektronik im Wesentlichen nacheinander mit einem Strom beaufschlagt. Die zeitliche Abfolge ergibt sich dabei aus der Anzahl der vorhandenen Phasen des Elektromotors 10. Während der Ansteuerung durch die Steuerelektronik werden dabei immer alle Spulen 24 der jeweiligen Spulenscheibe 23 bestromt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies beispielhaft durch die jeweils einsträngige Ausbildung der Spulenscheiben 23 erreicht.
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Wird eine der Spulenscheiben 23 mit einem Strom beaufschlagt, so hat dies zur Folge, dass die bestromte Spulenscheibe 23 eine Anzahl von Magnetfeldern erzeugt, die der Anzahl von Spulen 24 der Spulenscheibe 23 entspricht. Aufgrund der gegensinnigen Wicklungen der Spulen 24 sind aufeinanderfolgende Magnetfelder entgegengesetzt ausgerichtet.
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Zusammen mit den Polbereichen der benachbarten Magnetscheibe 17 bzw. zusammen mit dem von diesen Polbereichen jeweils erzeugten Magnetfluss bewirken die entsprechend bestromten Spulenscheiben 23 jeweils ein pulsierendes Drehmoment.
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Die einzelnen Phasen und damit die einzelnen Spulenscheiben 23 des Elektromotors 10 werden dabei zeitlich versetzt zueinander angesteuert. Dieser elektrische Versatz beträgt allgemein 360 Grad/Anzahl der Phasen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eines dreiphasigen Elektromotors 10 beträgt der Versatz jeweils 120 Grad.
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Weiterhin sind die Spulenscheiben 23, wie erläutert wurde, mit einem Drehwinkelversatz zueinander auf der Rotorwelle 16 angeordnet. Durch diese Maßnahmen entsteht insgesamt ein im Wesentlichen gleichförmiges Drehmoment.
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Dies hat zur Folge, dass der Rotor des Elektromotors 10 in eine Drehbewegung versetzt wird. Diese Drehbewegung wird dann durch eine entsprechende aufeinanderfolgende Ansteuerung der Spulenscheiben 23 des Elektromotors 10 aufrechterhalten bzw. beschleunigt oder verzögert.
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Der beschriebene Elektromotor 10 kann in beliebigen Größen realisiert werden. Insbesondere kann der Elektromotor 10 beispielsweise als Kleinmotor oder als Kleinstmotor realisiert werden. Dabei kann es sich um Elektromotoren mit einem Außendurchmesser von beispielsweise etwa 10 mm bis beispielsweise etwa 40 mm handeln.
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Weiterhin kann der beschriebene Elektromotor 10 in beliebigen Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere kann der Elektromotor 10 beispielsweise ganz allgemein in der Industrie-Automatisierung oder der Medizintechnik oder auch bei elektrischen Pumpen oder elektrischen Antrieben, beispielsweise bei Traktionsantrieben zum Einsatz kommen.
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Der beschriebene Elektromotor 10 stellt einen Innenläufermotor dar. Es versteht sich, dass der Elektromotor 10 in entsprechender Weise auch als Außenläufermotor ausgebildet werden kann.
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Weiterhin versteht es sich, dass der beschriebene Elektromotor 10 in entsprechender Weise und gegebenenfalls mit einer entsprechend angepassten Beschaltung auch als Generator verwendet werden kann.
