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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen Bürstenmotor mit einem geringen Risiko eines Durchbrennens seiner Ausgleichsdrähte.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein Bürstenmotor hat einen an einem Läufer montierten Kommutator und mindestens ein an einem Ständer montiertes Bürstenpaar. Der Kommutator ist mit den Läuferwicklungen elektrisch verbunden. Die Bürsten sind derart angeordnet, dass sie sich im Schleifkontakt mit Segmenten des Kommutators befinden, um den Läufer mit Energie zu versorgen. Normalerweise ist die Anzahl der Bürstenpaare gleich der Anzahl der Ständerpolpaare.
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9 zeigt in einer Abwicklung einen typischen Bürstenmotor mit sechs Polen und neun Schlitzen. Die Wicklung des Motors umfasst 18 Spulen 80, die um neun Zähne T1–T9 eines Ständers gewickelt sind. Der Kommutator des Motors hat 18 Segmente S1–S18, die mit den Spulen 80 elektrisch verbunden sind. Der Motor hat ferner eine Anzahl von Ausgleichsdrähten e1–e6, deren jeder mehrere äquipotentiale Segmente S1–S18 derart elektrisch verbindet, dass die Spannung der mehreren äquipotentialen Segmente die gleiche ist. Das heißt, die Ausgleichsdrähte e1–e6 können ein oder mehrere Bürstenpaare ersetzen. Auf diese Weise kann durch die Verwendung von Ausgleichsdrähten die Anzahl von Bürsten reduziert werden. Die Bürsten sind in 9 nicht dargestellt.
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In 10 ist der Motor nur mit einem Paar von Bürsten 71 und 72 ausgestattet. Wenn sich die Bürsten 71, 72 jeweils mit den Segmenten S1 und S10 in Kontakt befinden, haben die Segmente S7 und S13 jeweils ein Potential, das gleich jenem des Segments S1 ist, da die Segmente S1, S7 und S13 durch den Ausgleichsdraht e1 elektrisch zusammengeschaltet sind. Die Segmente S4 und S16 haben jeweils ein Potential, das gleich jenem des Segments S10 ist, da die Segmente S4, S10 und S16 durch den Ausgleichsdraht e4 elektrisch zusammengeschaltet sind. Dadurch werden in den Wicklungen sechs parallele Schaltkreise gebildet, deren jeder drei Spulen 80 enthält, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Pfeile in 10 zeigen die Richtung des Stromflusses in den Spulen 80. Angenommen die Stromstärke in jedem parallelen Schaltkreis angenommen beträgt I, dann beträgt die Stärke des Stroms, der in dem zwischen die Segmente S1 und S7 geschalteten Ausgleichsdraht e1 fließt, 4 I, d. h. der in dem Ausgleichsdraht e1 fließende Strom ist zu groß und das Risiko, dass der Ausgleichsdraht e1 durchbrennt, möglicherweise sehr hoch.
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11 zeigt den Motor, der mit zwei weiteren Bürsten 73, 74 versehen ist. Angenommen auch hier eine Stärke des Stroms in jedem parallelen Schaltkreis I beträgt F, beträgt die Stärke des Stroms, der in dem zwischen die Segmente S7 und S13 geschalteten Ausgleichsdraht e1 fließt, 2 I, so dass der in dem Ausgleichsdraht fließende Strom ebenfalls zu groß ist, obwohl ein weiteres Bürstenpaar 73, 74 hinzugefügt wurde.
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Aus diesem Grund besteht auf dem einschlägigen Fachgebiet die Notwendigkeit eines verbesserten Bürstenmotors, bei dem das Risiko eines Durchbrennens der Ausgleichsdrähte gering ist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Läufer für einen Bürstenmotor angegeben, wobei der Läufer umfasst: einen Kommutator mit einer Mehrzahl von Segmenten, die eine Mehrzahl von gleich beabstandeten, äquipotentialen Segmenten bilden; Wicklungen, die mit den Segmenten des Kommutators elektrisch verbunden sind; und eine Mehrzahl von Ausgleichseinheiten, deren jede eine jeweilige Mehrzahl von äquipotentialen Segmenten elektrisch zusammenschaltet, wobei die Ausgleichseinheiten eine Mehrzahl von parallelen elektrischen Schaltkreisen zwischen den Segmenten der jeweiligen Mehrzahl von äquipotentialen Segmenten bilden.
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Vorzugsweise ist jede Ausgleichseinheit in Form eines Spannungsausgleichsdrahts vorgesehen, und der Spannungsausgleichsdraht bildet einen geschlossenen Kreis, der die Segmente der jeweiligen Mehrzahl von äquipotentialen Segmenten elektrisch zusammenschließt.
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Vorzugsweise umfasst jede Ausgleichseinheit eine Mehrzahl von Ausgleichsdrähten, die sämtlich von demselben Segment ausgehen, mit demselben Zwischensegment verbunden sind und an demselben Segment enden.
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Vorzugsweise besteht jede Ausgleichseinheit aus zwei Ausgleichsdrähten.
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Vorzugsweise sind die Ausgleichsdrähte jeder Ausgleichseinheit miteinander verdrillt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Elektromotor angegeben, umfassend: einen Ständer, der eine Mehrzahl von Polen bildet; einen Läufer, umfassend: einen Kommutator mit einer Mehrzahl von Segmenten, die eine Mehrzahl von gleich beabstandeten, äquipotentialen Segmenten bilden; Wicklungen, die mit den Segmenten des Kommutators elektrisch verbunden sind; und eine Mehrzahl von Ausgleichseinheiten, deren jede eine jeweilige Mehrzahl von äquipotentialen Segmenten elektrisch zusammenschaltet; und eine Mehrzahl von Bürsten, die derart angeordnet sind, dass sie sich mit den Segmenten des Kommutators in einem Schleifkontakt befinden, wobei die Anzahl der Bürsten kleiner als die Anzahl der Ständerpole ist und wobei die Ausgleichseinheiten eine Mehrzahl von parallelen elektrischen Schaltkreisen zwischen den Segmenten der jeweiligen Mehrzahl von äquipotentialen Segmenten bilden.
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Vorzugsweise ist jede Ausgleichseinheit in Form eines Ausgleichsdrahts vorgesehen, und der Ausgleichsdraht bildet einen geschlossenen Kreis, der die Segmente der jeweiligen Mehrzahl von äquipotentialen Segmenten elektrisch zusammenschließt.
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Vorzugsweise umfasst jede Ausgleichseinheit eine Mehrzahl von Ausgleichsdrähten, die sämtlich von demselben Segment ausgehen, mit demselben Zwischensegment verbunden sind und an demselben Segment enden.
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Vorzugsweise besteht jede Ausgleichseinheit aus zwei Ausgleichsdrähten.
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Vorzugsweise sind die Ausgleichsdrähte jeder Ausgleichseinheit miteinander verdrillt.
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Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Ständerpole sechs, und die Anzahl der Bürsten beträgt zwei oder vier.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand eines Beispiels erläutert, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 ist eine schematische Darstellung von Wicklungen eines Motors gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei die Zähne und die Segmente in einer Abwicklung gezeigt sind;
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2 zeigt einen Kommutator des Motors von 1, wobei eine auf dem Kommutator gewickelte Ausgleichseinheit gezeigt ist.
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3 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm für den Motor von 1, wobei die elektrische Beziehung zwischen dem Läufer und den Bürsten dargestellt ist und wobei der Motor mit zwei Bürsten ausgestattet ist;
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4 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm für den Motor von 1, wobei ebenfalls die elektrische Beziehung zwischen dem Läufer und den Bürsten dargestellt ist und wobei der Motor mit vier Bürsten ausgestattet ist;
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5 eine schematische Darstellung von Wicklungen eines Motors gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei die Zähne und Segmente in einer Abwicklung gezeigt sind;
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6 zeigt einen Kommutator des Motors von 5, wobei eine auf dem Kommutator gewickelte Ausgleichseinheit dargestellt ist;
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7 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm für den Motor von 5, wobei die elektrische Beziehung zwischen dem Läufer und den Bürsten dargestellt ist und wobei der Motor mit zwei Bürsten ausgestattet ist;
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8 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm für den Motor von 5, wobei ebenfalls die elektrische Beziehung zwischen dem Läufer und den Bürsten dargestellt ist und wobei der Motor mit vier Bürsten ausgestattet ist;
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9 ist eine schematische Darstellung von Wicklungen eines typischen Motors, wobei die Zähne und Segmente in einer Abwicklung gezeigt sind;
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10 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm für den Motor von 9, wobei die elektrische Beziehung zwischen dem Läufer und den Bürsten dargestellt ist und wobei der Motor mit zwei Bürsten ausgestattet ist; und
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11 ist ein äquivalentes Schaltungsdiagramm für den Motor von 9, wobei ebenfalls die elektrische Beziehung zwischen dem Läufer und den Bürsten dargestellt ist und wobei der Motor mit vier Bürsten ausgestattet ist.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird auf 1 Bezug genommen, in der ein Bürstenmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Ständer und einen Läufer hat. In dieser Ausführungsform ist der Motor lediglich zu Darstellungszwecken ein Motor mit sechs Polen, neun Schlitzen und 18 Lamellen, was bedeutet, dass der Motor sechs Ständerpole, neun Läuferpole und 18 Kommutatorsegmente hat.
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Der Ständer hat sechs Magnetpole, d. h. drei Nordpole und drei Südpole. Die Nordpole und die Südpole sind entlang einer Umfangsrichtung des Ständers alternierend angeordnet. Der Läufer hat einen Läuferkern mit neun Zähnen T1–T9, einen Kommutator mit 18 Segmenten S1–S18, konzentrierte Läuferwicklungen, die um die Zähne T1–T9 herumgeführt sind und an den Segmenten S1–S18 enden. Die Wicklungen umfassen 18 Spulen 80, deren jede in dieser Ausführungsform um einen Zahn gewickelt ist.
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Der Läufer hat ferner sechs Ausgleichseinheiten E1–E6, deren jede in dieser Ausführungsform jeweils zwei Ausgleichsdrähte umfasst. Jede Ausgleichseinheit E1–E6 verbindet elektrisch drei äquipotentiale Segmente in Aufeinanderfolge entlang einer Umfangsrichtung des Kommutators. In dieser Ausführungsform sind die drei äquipotentialen Segmente in einem Winkel von 60° voneinander beabstandet. Insbesondere gehen die Ausgleichsdrähte einer Ausgleichseinheit von demselben Segment aus, sind mit demselben Zwischensegment elektrisch verbunden und enden an demselben Segment.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, in der aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich die erste Ausgleichseinheit E1 dargestellt ist. Die erste Ausgleichseinheit E1 umfasst zwei Ausgleichsdrähte E11 und E12. Die Ausgleichsdrähte E11 und E12 gehen beide von dem Segment S1 aus, sind dann mit dem Segment S7 elektrisch verbunden und enden schließlich an dem Segment S13. Auf diese Weise werden zwei identische parallele Zweige zwischen den Segmenten S1, S7 und S13 gebildet. Mit anderen Worten: Der eine Ausgleichsdraht E11 verbindet die Segmente S1, S7 und S13 der Reihe nach elektrisch entlang der Umfangsrichtung, wodurch zwischen den Segmenten S1, S7 und S13 ein Zweig gebildet wird. Der andere Ausgleichsdraht E12 verbindet die Segmente S1, S7 und S13 der Reihe nach elektrisch entlang derselben Umfangsrichtung, wodurch der andere, identische Zweig zwischen den Segmenten S1, S7 und S13 gebildet wird. Auf diese Weise werden zwischen den Segmenten S1, S7 und S13 zwei identische Zweige gebildet. Die weiteren Ausgleichseinheiten E2–E6 verbinden entsprechende Segmente jeweils elektrisch, um zwischen diesen Segmenten zwei identische parallele Zweige zu bilden, wobei die gleiche Vorgehensweise wie bei der ersten Ausgleichseinheit gewählt wird.
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Vorzugsweise werden die Ausgleichseinheiten E1–E6 vor dem Wickeln der Läuferspulen 80 mit den Segmenten verbunden. Gemäß einer Alternative können die Ausgleichseinheiten E1–E6 jedoch auch während des Wickelns oder nach dem Wickeln des Läufers mit den Segmenten verbunden werden.
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Es ist vorteilhaft, die Ausgleichsdrähte einer Ausgleichseinheit vor der Verbindung der Ausgleichseinheiten E1–E6 mit den Segmenten S1–S18 zu verdrillen und sie zusammen mit den Segmenten zu verschweißen, so dass die Ausgleichsdrähte in einer Ausgleichseinheit integriert sind, um den Vorgang des Verbindens der Ausgleichseinheit mit den Segmenten zu vereinfachen.
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Es wird auf 3 Bezug genommen, in der der Motor mit zwei Bürsten 71 und 72 ausgestattet ist, die an einer (nicht dargestellten) Endkappe montiert sind. Die Bürsten 71, 72 sind für einen Schleifkontakt mit den Segmenten S1–S18 des Kommutators angeordnet, um den Läufer mit Energie zu versorgen. Aus diesem Grund wird bei einem Kontakt der Bürsten 71, 72 mit den jeweiligen Segmenten S1 und S10 an den Segmenten S1 und S10 die Potentiale angelegt, die jeweils gleich dem positiven Pol und dem negativen Pol der Stromversorgung sind. Da die Segmente S1, S7 und S13 durch die Ausgleichsdrähte E11 und E12 zusammengeschaltet sind, haben die Segmente S7 und S13 jeweils ein Potential, das gleich jenem des Segments S1 ist, und der Strom wird über die Ausgleichsdrähte E11 und E12 zu den Segmenten S7 und S13 geleitet. Ähnlich haben die Segmente S4 und S16 jeweils ein Potential, das gleich dem Segment S10 ist, da die Segmente S4, S10 und S16 durch die Ausgleichsdrähte E41 und E42 elektrisch zusammengeschaltet sind. Aus diesem Grund werden in den Wicklungen sechs parallele Schaltkreise gebildet, deren jeder drei Spulen 80 umfasst, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Ausgleichseinheiten E1–E6 wirken sozusagen als vier weitere Bürsten.
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Die Pfeile in 3 zeigen die Richtung des Stromflusses in den Wicklungen. Wenn der Strom in jedem Parallelschaltkreis angenommen I beträgt, beträgt der zwischen den Segmenten S1 und S7 fließende Gesamtstrom 4 I, so dass der in jedem der Ausgleichsdrähte E11 und E12 fließende Strom 2 I beträgt, da die Ausgleichsdrähte E11 und E12 zwischen den Segmenten S1 und S7 zwei Shunt-Pfade bilden. Das heißt, die Stärke des Stroms, der in jedem der Ausgleichsdrähte E11 und E12 fließt, beträgt die Hälfte der Stärke des Stroms, der in dem Ausgleichsdraht e1 fließt, der zwischen die Segmente S1 und S7 des typischen Motors von 9 geschaltet ist. Die Wärme, die in jedem der Ausgleichsdrähte E11 oder E12 produziert wird, wird somit im Vergleich zu der in dem Ausgleichsdraht e1 des typischen Motors produzierten Wärme bedeutend verringert, wodurch auch das Risiko verringert wird, dass die Ausgleichsdrähte E11 und E12 durchbrennen.
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Selbstverständlich kann die Anzahl der Ausgleichsdrähte in einer Ausgleichseinheit mehr als zwei betragen. In diesem Fall bildet die Ausgleichseinheit mehr als zwei Shunt-Pfade, wodurch die Stärke des Stroms in jedem Ausgleichsdraht noch weiter reduziert wird. Entsprechend geringer ist auch das Risiko eines Durchbrennens der Ausgleichsdrähte.
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Der Motor von 4 ist mit zwei weiteren Bürsten 73 und 74 ausgestattet, hat also insgesamt vier Bürsten 71–74. Wenn wiederum angenommen wird, dass die Stromstärke in jedem Parallelschaltkreis I beträgt, beträgt der Gesamtstrom zwischen den Segmenten S7 und S13 dementsprechend 2 I, und deshalb beträgt der Strom, der in jedem der Ausgleichsdräten E11 und E12 fließt, I, da die Ausgleichsdrähten E11 und E12 zwei Shunt-Pfade zwischen den Segmenten S7 und S13 bilden. Das heißt, die Stärke des Stroms, der in jedem der Ausgleichsdrähten E11 und E12 fließt, beträgt die Hälfte der Stärke des Stroms, der in dem Ausgleichsdraht e1 fließt, der zwischen die Segmente S1 und S1 des typischen Motors geschaltet ist. Dadurch wird die in jedem Ausgleichsdraht E11 oder E12 produzierte Wärme im Vergleich zu der in dem Ausgleichsdraht e1 des typischen Motors produzierten Wärme bedeutend reduziert, womit auch das Risiko reduziert wird, dass die Ausgleichsdrähte E11 und E12 durchbrennen.
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Es wird auf 5 Bezug genommen, in der ein Motor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass jede Ausgleichseinheit E1'–E6' ein Ausgleichsdraht E1'–E6' ist, der drei äquipotentiale Segmente entlang einer Umfangsrichtung der Reihe nach elektrisch zu einem geschlossenen Kreis verbindet, wodurch die drei Segmente egalisiert werden.
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6 zeigt lediglich eine Ausgleichseinheit bzw. einen Ausgleichsdraht E1' zur Darstellung der Verbindung zwischen den Ausgleichsdrähten E1'–E6' und den Segmenten S1–S18. Der Ausgleichsdraht E1' geht von dem Segment Staus, erstreckt sich entlang einer Uhrzeigerrichtung in 6, schließt elektrisch an das Segment S7 und dann an das Segment S13 an und endet schließlich an dem Segment S1, wodurch zwischen den Segmenten S1, S7 und S13 ein geschlossenen Kreis gebildet wird. Ebenso ist denkbar, dass der Ausgleichsdraht E1' von dem Segment S1 ausgeht, sich entlang einer Gegenuhrzeigerrichtung in 6 erstreckt, elektrisch an das Segment S13, dann an das Segment 7 anschließt und schließlich an dem Segment S1 endet, so dass zwischen den Segmenten S1, S7 und S13 ein geschlossener Kreis gebildet wird.
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7 zeigt ein äquivalentes Schaltungsdiagramm des in 5 dargestellten Motors, wobei der Motor mit zwei Bürsten 71 und 72 ausgestattet ist. In diesem Zustand befinden sich die Bürsten 71 und 72 jeweils in Kontakt mit den Segmenten S1 und S10. Wenn angenommen wird, dass die Stärke des Stroms in jedem Parallelschaltkreis I beträgt, so beträgt sowohl der Strom, der von dem Segment S1 zu dem Segment S7 fließt, als auch der Strom, der von dem Segment S1 zu dem Segment S13 fließt, 2 I, da zwei Abschnitte des Ausgleichsdrahts E1' das Segment S1 jeweils mit dem Segment S7 und S13 verbinden. Der maximale Strom, der in dem Ausgleichsdraht E1' fließt, beträgt die Hälfte des Stroms, der in dem Ausgleichsdraht e1 des typischen Motors von 9 fließt. Dadurch wird die in dem Ausgleichsdraht E1' produzierte Wärme im Vergleich zu der in dem Ausgleichsdraht e1 des typischen Motors produzierten Wärme bedeutend reduziert, womit auch das Risiko reduziert wird, dass der Ausgleichsdraht E1' durchbrennt.
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Es wird auf 8 Bezug genommen, in der der dargestellte Motor mit zwei weiteren Bürsten 73 und 74 versehen ist, also insgesamt vier Bürsten 71–74 hat. Wenn wiederum angenommen wird, dass der in jedem Parallelschaltkreis fließende Strom die Stärke I hat, dann entspricht der Maximalstrom in dem Ausgleichsdraht E1' gleich I und damit der Hälfte des Stroms in dem Ausgleichsdraht e1 des typischen Motors. Dadurch wird die in dem Ausgleichsdraht E1' produzierte Wärme im Vergleich zu der in dem Ausgleichsdraht e1 des typischen Motors produzierten Wärme bedeutend reduziert, womit auch das Risiko reduziert wird, dass der Ausgleichsdraht E1' durchbrennt.
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Verglichen mit dem Motor gemäß der ersten Ausführungsform hat der Motor gemäß der zweiten Ausführungsform nur sechs Ausgleichsdrähte E1'–E6', wodurch das Material für die Ausgleichsdrähte insgesamt reduziert wird, wobei insbesondere im Vergleich zu den Ausgleichsdrähten des Motors gemäß der ersten Ausführungsform im Wesentlichen ein Viertel des Materials eingespart wird.
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Es ist anzumerken, dass der in den Ausführungsformen dargestellte Motor zwar ein sechspoliger Motor ist, doch kann der Motor in der Praxis auch ein Motor mit 2(n + 1) Polen sein, wobei n eine natürliche Zahl ist, solange die Anzahl der Bürsten kleiner als die der Pole ist und dadurch eine Notwendigkeit für Ausgleichsdrähte besteht.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
