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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bei vierpoligen Permanentmagnet-Elektromotoren bekannter Bauart werden normalerweise vier Bürsten verwendet. 1A zum Beispiel zeigt einen Stator 100 eines vierpoligen Permanentmagnet-Elektromotors mit vier Bürsten 102 für den Kontakt mit einem Kommutator, der eine Vielzahl von Kommutatorstäben hat. 1B zeigt einen Rotor 104 für den vierpoligen Permanentmagnet-Elektromotor, wobei der Rotor 104 zwanzig Rotorzähne 106 hat, die zwanzig Rotornuten 108 definieren.
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In 1C, auf die ebenfalls Bezug genommen wird, sind die Bürsten 102 für eine Verbindung mit einer Vielzahl von Kommutatorstäben 110 an dem Rotor 104 konfiguriert. Eine Vielzahl von Wicklungen 112 ist mit den Kommutatorstäben 110 verbunden und um die Rotorzähne 106 herumgeführt und in den Rotornuten 108 aufgenommen. Während des Betriebs wird über die Kommutatorstäbe 110 Strom von den Bürsten 102 zu den Wicklungen 112 übertragen, wodurch Magnetfelder entstehen, die mit einer Vielzahl von Magnetkomponenten (z. B. Permanentmagnete), die an dem Stator 100 montiert sind, zusammenwirken und den Rotor 104 antreiben, so dass dieser sich relativ zu dem Stator 100 dreht. 1C ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Anordnungsschemas für Wicklungen 112 in der Konfiguration einer Schleifenwicklung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit zeigt 1C die Kommutatorstäbe 110 und die Rotorzähne 106 linear.
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Für bestimmte Anwendungen ist es wünschenswert, die Anzahl von Bürsten des Elektromotors zu verringern, um auf diese Weise die Herstellungskosten zu senken und die Anordnung weniger komplex zu gestalten. 2A zum Beispiel zeigt einen Permanentmagnet-Elektromotor 200 mit vier Magnetpolen und mit lediglich zwei elektrischen Bürsten (21 und 23) anstelle von vier.
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Ein Verfahren zum Verringern der Anzahl von Bürsten ist die Verwendung einer Ausgleichsvorrichtung, die die Kommutatorstäbe selektiv mit dem Elektromotor verbindet. Die Ausgleichsvorrichtung schlägt jedoch bei den Herstellungskosten ebenfalls zu Buche und macht die Anordnung komplexer. 2B zeigt zum Beispiel ein exemplarisches Anordnungsschema für Wicklungen 112 unter Verwendung einer Ausgleichsvorrichtung 114.
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Ein weiteres Verfahren zum Verringern der Anzahl von Bürsten in dem Elektromotor ist die Verwendung von Wellenwicklungen anstelle von Schleifenwicklungen. Typische Konfigurationen von Wellenwicklungen erfordern jedoch, dass der Kommutator Kommutatorstäbe in ungerader Zahl aufweist, weshalb Kommutator und Rotor bei bekannten Motoren separat ausgebildet werden müssen. Dies wiederum ist ein potenzieller Faktor für höhere Herstellungs- und Montagekosten.
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Demnach wäre es von Vorteil, die Herstellungskosten und die Komplexität der Anordnung eines Elektromotors zu verringern, indem eine verminderte Anzahl von Bürsten und ein Kommutator mit einer geraden Anzahl von Kommutatorstäben verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Einige Ausführungsformen sind auf einen Permanentmagnet-Gleichstrommotor gerichtet, dessen Herstellungskosten weniger hoch sind und dessen Montage weniger kompliziert ist, indem der Motor weniger elektrische Bürsten und einen Kommutator mit einer geraden Anzahl von Kommutatorstäben hat. Der Motor hat einen Stator mit einer Vielzahl von Magnetkomponenten, die 2P Magnetpole definieren, wobei P eine ganze Zahl größer als 1 ist, und einen Rotor, der für eine Drehung relativ zu dem Stator konfiguriert ist. In einigen Ausführungsformen ist P = 2.
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Der Rotor kann eine Ausgangswelle umfassen, einen Kommutator, der an der Ausgangswelle befestigt ist und eine Vielzahl von Kommutatorstäben aufweist, und Rotorwicklungen, die eine Vielzahl von Spulenelementen umfassen, wobei die beiden Enden eines Spulenelements an zwei Kommutatorstäben befestigt sind. In einigen Ausführungsformen beträgt die Anzahl der Kommutatorstäbe m, und die Kommutatorstäbe sind derart angeordnet, dass sie m Paare von Kommutatorstäben bilden, wobei m eine gerade Zahl größer als 2 ist. Der Rotor kann ferner einen Rotorkern mit einer Vielzahl von Rotorzähnen aufweisen, wobei die Rotorzähne eine Vielzahl von Wicklungsnuten definieren, die konfiguriert sind für die Aufnahme von Teilen der Vielzahl von Spulenelementen. In einigen Ausführungsformen hat der Rotorkern m Rotorzähne, die m Wicklungsnuten definieren. In einigen Ausführungsformen liegt m zwischen 16 und 24 einschließlich.
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In einigen Ausführungsformen sind die Rotorwicklungen in der Konfiguration als Wellenwicklung vorgesehen. Die Rotorwicklungen können derart konfiguriert sein, dass ein erstes Paar von benachbarten Kommutatorstäben durch P – 1 in Reihe geschaltete Spulenelemente verbunden ist und dass ein zweites Paar von benachbarten Kommutatorstäben durch P + 1 in Reihe geschaltete Spulenelemente verbunden ist. In einigen Ausführungsformen sind die verbleibenden Paare von benachbarten Kommutatorstäben durch P in Reihe geschaltete Spulenelemente verbunden.
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In einigen Ausführungsformen hat der Kommutator nicht mehr als zwei elektrische Bürsten, die sich mit den Kommutatorstäben des Kommutators in Gleitkontakt befinden.
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In einigen Ausführungsformen ist ein Kommutatorstab zu einem entsprechenden Rotorzahn der Vielzahl von Rotorzähnen in einer Umfangsrichtung um einen vorgegebenen Winkel versetzt. Der vorgegebene Winkel kann so konfiguriert sein, dass er zwischen 0 und 12 Grad beträgt. In anderen Ausführungsformen ist der Winkel derart konfiguriert, dass er zwischen 0 und 9 Grad beträgt.
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In einigen Ausführungsformen ist ein Spulenelement mit zwei Kommutatorstäben verbunden, und die beiden Kommutatorstäbe grenzen entweder aneinander oder sind durch einen vorgegebenen Abstand getrennt, der im Wesentlichen gleich einer Anzahl von Kommutatorstäben ist, die zwei Magnetpolen des Motors entspricht. In einigen Ausführungsformen, in denen P = 2 ist, kann ein Spulenelement der Vielzahl von Spulenelementen mit einem Paar von benachbarten Kommutatorstäben verbunden sein, und die verbleibenden Spulenelemente der Vielzahl von Spulenelementen können mit Kommutatorstäben verbunden sein, die sich an dem Kommutator in einander im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Positionen befinden.
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In einigen Ausführungsformen ist der Elektromotor für den Antrieb eines Gebläses konfiguriert, das in einem Kühlmodul für einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs verwendet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Zeichnungen zeigen die Ausgestaltung und die Zweckmäßigkeit von Ausführungsformen, wobei ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Diese Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Zum besseren Verständnis der Art und Weise, wie die vorstehend genannten und weitere Vorteile und Aufgaben erzielt werden, folgt eine detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen. In den Zeichnungen sind lediglich Ausführungsbeispiele dargestellt, die nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche zu betrachten sind.
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1A und 1B zeigen einen Stator und einen Rotor für einen Permanentmagnet-Elektromotor mit vier Magnetpolen und zwanzig Rotorzähnen;
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1C ist eine schematische Darstellung von Schleifenwicklungen für einen Permanentmagnet-Elektromotor;
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2A zeigt einen vierpoligen Permanentmagnet-Elektromotor mit zwei Bürsten gemäß einigen Ausführungsformen;
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2B ist eine schematische Darstellung von Schleifenwicklungen für einen Permanentmagnet-Elektromotor mit Nutzung einer Ausgleichsvorrichtung;
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3 ist eine schematische Darstellung von Wellenwicklungen für einen Permanentmagnet-Elektromotor gemäß einigen Ausführungsformen;
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4 ist eine schematische Darstellung der Verbindungen zwischen Spulenelementen, Wicklungsnuten und Kommutatorstäben gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform;
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5 zeigt EMV-Testergebnisse für einen Permanentmagnet-Elektromotor mit 4 Polen und 20 Nuten mit Wellenwicklungen gemäß einigen Ausführungsformen;
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6 zeigt EMV-Testergebnisse für einen üblichen Permanentmagnet-Elektromotor mit 4 Polen und 20 Nuten;
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7 zeigt ein System für ein Motorkühlsystem eines Kraftfahrzeugs, das einen Motor gemäß einigen Ausführungsformen aufweist.
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DETAILBESCHREIBUNG
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Nachstehend werden verschiedene Merkmale unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die Figuren nicht maßstabsgetreu sind und dass Elemente mit einer ähnlichen Konstruktion und Funktion in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Ebenfalls sollte beachtet werden, dass die Figuren lediglich Darstellungs- und Erläuterungszwecken dienen, soweit in einer oder mehreren speziellen Ausführungsformen nicht anders angegeben oder in einem oder mehreren speziellen Ansprüchen nicht anders beansprucht. Die Zeichnungsfiguren und verschiedene vorliegend beschriebene Ausführungsformen sind keine erschöpfende Darstellung oder Beschreibung von verschiedenen anderen Ausführungsformen und stellen keine Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche oder der Schutzumfangs weiterer Ausführungsformen dar, die sich dem Fachmann im Hinblick auf die in der Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen erschließen. Darüber hinaus muss eine dargestellte Ausführungsform nicht notwendigerweise sämtliche der aufgezeigten Aspekte oder Vorteile aufweisen.
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Ein Aspekt oder ein Vorteil, der im Zusammenhang mit einer bestimmten Ausführungsform beschrieben ist, ist nicht notwendigerweise auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern kann auch in anderen Ausführungsformen ausgeführt sein, auch wenn das so nicht dargestellt oder explizit beschrieben ist. Sofern in der vorliegenden Beschreibung auf ”einige Ausführungsformen” oder ”andere Ausführungsformen” Bezug genommen wird, bedeutet dies, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Konstruktion, ein bestimmtes Material oder eine bestimmte Charakteristik, die in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben sind, in mindestens einer Ausführungsform enthalten sind. Daher bezieht sich der Begriff ”in einigen Ausführungsformen”, ”in einigen oder mehreren Ausführungsformen” oder ”in anderen Ausführungsformen” an verschiedenen Stellen in der vorliegenden Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform oder auf dieselben Ausführungsformen.
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Einige Ausführungsformen sind auf einen Permanentmagnet-Gleichstrommotor gerichtet, umfassend einen Stator und einen Rotor, der für ein Zusammenwirken mit dem Stator konfiguriert ist. Wenngleich sich die dargestellten Ausführungsformen primär auf Permanentmagnet-Gleichstrommotoren beziehen, können gemäß anderen Ausführungsformen auch andere Motorarten verwendet werden.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Stator eine Vielzahl von Permanentmagneten, die 2P Magnetpole bilden, wobei P eine ganze Zahl größer als 1 ist. Im Fall von P = 2 zum Beispiel ist der Motor ein vierpoliger Motor, während der Motor ein achtpoliger Motor ist, wenn P = 4 ist. Die dargestellten Ausführungsformen beziehen sich zwar primär auf vierpolige Motoren (P = 2), doch versteht es sich, dass anderen Ausführungsformen eine andere Anzahl von Magnetpolen (z. B. P = 8) aufweisen können.
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Der Rotor kann eine Ausgangswelle, einen Kommutator, einen oder mehrere Rotorkerne mit einer Vielzahl von Rotorzähnen und um die Zähne herumgeführten Rotorwicklungen umfassen. Der Kommutator kann m Kommutatorstäbe aufweisen, wobei m eine gerade Zahl größer als 2 ist. In einigen Ausführungsformen ist m derart konfiguriert, dass m größer als P ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist m eine gerade Zahl zwischen 16 und 24 (d. h. 16, 18, 20, 22 oder 24). Die Rotorwicklungen umfassen eine Vielzahl von Spulenelementen mit jeweils zwei Enden, wobei die beiden Enden jedes Spulenelements mit einem Paar von Kommutatorstäben verbunden sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Rotorzähne des Rotorkerns gleich der Anzahl von Kommutatorstäben (d. h. m).
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In einigen Ausführungsformen ist der Motor ein Permanentmagnet-Gleichstrommotor mit 4 Polen und 20 Nuten (P = 2, m = 20). Mit anderen Worten: die in dem Stator des Elektromotors montierten Permanentmagnete bilden 4 Magnetpole, während der Rotorkern 20 Rotorzähne hat, wobei jedes Paar von benachbarten Rotorzähnen eine Wicklungsnut definiert, die für die Aufnahme eines Spulenelements verwendet wird, wodurch insgesamt 20 Wicklungsnuten gebildet werden.
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3 ist eine schematische Darstellung eines Wicklungsschemas 300 für einen 4-poligen Elektromotor mit 20 Nuten, der 20 Kommutatorstäbe hat, gemäß einigen Ausführungsformen. Zum Zweck der Veranschaulichung zeigt 3 die Kommutatorstäbe und die Rotorzähne ausgebreitet in einer linearen Anordnung anstelle einer im Wesentlichen kreis- oder ringförmigen Konfiguration wie im Fall eines tatsächlichen Motors.
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Die erste Reihe in 3 zeigt zwei elektrische Bürsten 21 und 23. In der dargestellten Ausführungsform nutzt der Elektromotor eine modifizierte Wellenwicklung, so dass nur zwei elektrische Bürsten 21 und 23 anstelle von vier Bürsten wie bei einem üblichen 4-poligen Elektromotor verwendet werden. Verglichen mit einem üblichen 4-poligen Elektromotor dient die verringerte Anzahl von elektrischen Bürsten und entsprechenden Bürstenkäfigen und Federn der Kostenreduzierung und der Vereinfachung der Anordnung sowie der Verringerung des Gewichts des Motors.
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Die zweite Reihe von 3 zeigt die 20 Kommutatorstäbe des Kommutators (Z1 bis einschließlich Z20). Zu Veranschaulichungszwecken wiederholt die Figur Z1 bis einschließlich Z10 nach Z20. Die dritte Reihe zeigt 20 Rotorzähne des Rotorkerns. Jedes Paar von benachbarten Rotorzähnen definiert eine Wicklungsnut, so dass die 20 Rotorzähne insgesamt 20 Wicklungsnuten S1 bis einschließlich S20 bilden. Ähnlich wie bei den Kommutatorstäben wiederholt die Figur zu Veranschaulichungszwecken die Wicklungsnuten S1 bis einschließlich S8 nach S20. Eine Vielzahl von Spulenelementen (W1 bis einschließlich W20) ist um die Rotorzähne gewickelt und durch die Wicklungsnuten (S) aufgenommen und mit entsprechenden Paaren von Kommutatorstäben (Z) verbunden.
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4 zeigt das Verhältnis zwischen den Spulenelementen (W), den Wicklungsnuten (S) und den Kommutatorstäben (Z) gemäß einer in 3 dargestellten Ausführungsform.
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Wie in 3 und 4 gezeigt ist, beginnt ein Spulenelement W1 an einem Ende an dem Kommutatorstab Z1, läuft in die Wicklungsnut S8 hinein und ist einmal oder mehrmals um die Rotorzähne zwischen den Wicklungsnuten S8 und S4 herumgewickelt. Danach verlässt das Spulenelement W1 die Wicklungsnut S4, wobei das andere Ende an dem Kommutatorstab Z11 befestigt ist. Ein zweites Spulenelement W11 beginnt an dem Kommutatorstab Z11, läuft in die Wicklungsnuts 18 hinein, schlingt sich um die Rotorzähne zwischen S18 und S14 und läuft aus der Wicklungsnut S14 heraus, um mit dem Kommutatorstab Z2 verbunden zu werden.
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In ähnlicher Weise ist das Spulenelement W2 an einem Ende mit dem Kommutatorstab Z2 und an dem anderen Ende mit Z12 verbunden, während das Spulenelement W12 mit Z12 und Z3 verbunden ist. Das Verhältnis zwischen den Kommutatorstäben (Z), den Spulenelementen (W) und den Wicklungsnuten (S) ist in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben. Jedes Spulenelement ist an einem Ende mit einem ersten Kommutatorstab verbunden, läuft in eine erste Wicklungsnut (Eintrittsnut) hinein, läuft aus einer zweiten Wicklungsnut (Austrittsnut) heraus und ist an dem gegenüberliegenden Ende mit einem zweiten Kommutatorstab verbunden.
| Komm.-Stab | Spulenelement | Komm.-Stab | Spulenelement | Komm.- Stab |
| # | Eintrittsnut | Austrittsnut | # | Eintrittsnut | Austrittsnut |
| Z1 | W1 | S8 | S4 | Z11 | W11 | S18 | S14 | Z2 |
| Z2 | W2 | S9 | S5 | Z12 | W12 | S19 | S15 | Z3 |
| Z3 | W3 | S10 | S6 | Z13 | W13 | S20 | S16 | Z4 |
| Z4 | W4 | S11 | S7 | Z14 | W14 | S1 | S17 | Z5 |
| Z5 | W5 | S12 | S8 | Z15 | W15 | S2 | S18 | Z6 |
| Z6 | W6 | S13 | S9 | Z16 | W16 | S3 | S19 | Z7 |
| Z7 | W7 | S14 | S10 | Z17 | W17 | S4 | S20 | Z8 |
| Z8 | W8 | S15 | S11 | Z18 | W18 | S5 | S1 | Z9 |
| Z9 | W9 | S16 | S12 | Z19 | W19 | S6 | S2 | Z10 |
| Z10 | W10 | S17 | S13 | Z20 | W20 | S7 | S3 | Z1 |
Tabelle 1
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Wie aus Tabelle 1 ersichtlich ist, ist jedes Paar von benachbarten Kommutatorstäben (z. B. Z1 und Z2, Z2 und Z3) generell mit den beiden Enden von P (z. B. P = 2 in der dargestellten Ausführungsform) in Reihe geschalteten Spulenelementen verbunden. Zum Beispiel sind die benachbarten Kommutatorstäbe Z1 und Z2 über zwei Spulenelemente W1 und W11 verbunden, während benachbarte Kommutatorstäbe Z2 und Z3 über Spulenelemente W2 und W12 verbunden sind. Als Ausnahme zur allgemeinen Regel sind die Kommutatorstäbe Z20 und Z1 über lediglich 1 (P – 1) Spulenelement (W20) verbunden. Als weitere Ausnahme sind die Kommutatorstäbe Z10 und Z11 durch die Enden von 3 (P + 1) in Reihe geschalteten Spulenelementen (W10, W20 und W1) verbunden.
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Zusammengefasst haben die Wellenwicklungen gemäß einigen Ausführungsformen die folgenden Merkmale, wenn der Motor 2P Magnetpole (wobei P eine gerade Zahl größer als 1 ist) und m Kommutatorstäbe (wobei m eine ganze Zahl größer als P ist) aufweist.
- (1) Bei den m Kommutatorstäben, die m Paare von benachbarten Kommutatorstäben bilden, erfolgt die Verbindung eines Paares von benachbarten Kommutatorstäben (z. B. Z20 und Z1) durch die beiden Enden von P – 1 in Reihe geschalteten Spulenelementen, während die Verbindung eines weiteren Paares von benachbarten Kommutatorstäben (z. B. Z10 und Z11) durch die beiden Enden von P + 1 in Reihe geschalteten Spulenelementen erfolgt. Bei den verbleibenden m – 2 Paaren von benachbarten Kommutatorstäben erfolgt die Verbindung von benachbarten Kommutatorstäben jeweils durch die beiden Enden von P in Reihe geschalteten Spulenelementen.
- (2) Die beiden Enden jedes Spulenelements sind mit zwei Kommutatorstäben verbunden, wobei die beiden Kommutatorstäbe entweder aneinanderliegen (z. B. die Kommutatorstäbe Z20 und Z1) oder durch einen vorgegebenen Abstand getrennt sind. Der vorgegebene Abstand kann im Wesentlichen gleich einer Anzahl von Kommutatorstäben sein, die zwei Magnetpolen des Motors entspricht. Bei einem Elektromotor mit 4 Polen und 20 Kommutatorstäben zum Beispiel entspricht jeder Magnetpol 5 Kommutatorstäben. Die Kommutatorstäbe Z1 und Z11 (die durch das Spulenelement W1 verbunden sind) liegen an einander im Wesentlichen diametral gegenüberliegenden Positionen an dem Kommutator und sind durch 10 Kommutatorstäbe getrennt, die im Wesentlichen gleich der Anzahl von Kommutatorstäben sind, die zwei Magnetpolen entsprechen. Die Kommutatorstäbe Z11 und Z2 (die durch das Spulenelement W11) verbunden sind, liegen einander an dem Kommutator ebenfalls im Wesentlichen diametral gegenüber und sind durch 11 Kommutatorstäbe getrennt, was im Wesentlichen gleich der Anzahl von Kommutatorstäben ist, die zwei Magnetpolen entsprechen.
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Es versteht sich, dass vorliegend der Begriff ”im Wesentlichen”, wie beispielsweise ”an dem Kommutator einander im Wesentlichen gegenüberliegend”, verwendet wird, um auf bestimmte Merkmale hinzuweisen, und sich dabei auf ein exaktes Merkmal beziehen kann oder auf ein Merkmal, das geringfügig abweicht oder auf andere Weise nicht vollkommen ist. In einer Ausführungsform mit 20 Kommutatorstäben zum Beispiel, die durch 10 Kommutatorstäbe getrennt sind, liegen sich Z1 und Z11 diametral genau gegenüber und können somit als ”als einander an dem Kommutator im Wesentlichen diametral gegenüberliegend” bezeichnet werden. Es kann jedoch auch Paar von Kommutatorstäben als ”einander an dem Kommutator im Wesentlichen diametral gegenüberliegend” bezeichnet werden, das von der genau diametralen Gegenüberlage geringfügig abweicht (z. B. bei einer Trennung um 11 oder 12 Kommutatorstäbe).
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Ähnlich kann der Begriff ”im Wesentlichen gleich der Anzahl von Kommutatorstäben, die zwei Magnetpolen entspricht” eine Anzahl von Kommutatorstäben angeben, die gleich der Anzahl von Kommutatorstäben ist, die zwei Magnetpolen entspricht (z. B. 10 Kommutatorstäbe bei einem Motor mit 4 Polen und 20 Nuten), oder einer Anzahl von Kommutatorstäben, die um einen oder um zwei Kommutatorstäbe von der zwei Magnetpolen entsprechenden Anzahl abweicht (z. B. 8, 9, 11 oder 12 Kommutatorstäbe).
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Wenngleich die dargestellten Ausführungsformen einen Elektromotor mit 4 Magnetpolen beschreiben, können anderen Ausführungsformen bei einem Motor mit mehr als 4 Magnetpolen angewendet werden. Zum Beispiel kann P gleich 2, 3, 4 oder jeder anderen ganzen Zahl größer als 1 entsprechen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl der Rotorzähne gleich der Anzahl von Kommutatorstäben m. Die m Rotorzähne definieren Wicklungsnuten, die die Spulenelemente der Rotorwicklungen behausen oder aufnehmen.
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In 3, auf die Bezug genommen wird, gleicht die Anzahl der Rotorzähne an dem Rotorkern der Anzahl von Kommutatorstäben. In einigen Ausführungsformen können die Kommutatorstäbe und ihre entsprechenden Rotorzähne in Umfangsrichtung um einen vorgegebenen Winkel zueinander versetzt sein. Zum Beispiel entspricht L1 der Achslinie des Kommutatorstabs Z1, während L2 der Achslinie des Rotorzahns entspricht, der dem Kommutatorstab Z1 entspricht. L1 und L2 sind in Umfangsrichtung um einen vorgegebenen Winkel α versetzt. Der Winkel α ist definiert als der Winkel zwischen einer ersten Ebene, die durch die Achslinie L1 des Kommutatorstabs Z1 und die Rotormitte definiert wird, und einer zweiten Ebene, die durch die Achslinie L2 eines entsprechenden Rotorzahns und die Rotormitte definiert wird. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel α derart konfiguriert, dass er größer als 0 Grad, jedoch kleiner als 12 Grad ist, wobei der Versatz in Umfangsrichtung entweder mit dem oder entgegen dem Uhrzeigersinn erfolgt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Winkel α derart konfiguriert, dass er zwischen 0 und 9 Grad beträgt.
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5 zeigt EMV-Testergebnisse für einen Permanentmagnet-Elektromotor mit 4 Polen und 20 Nuten, bei dem eine Wellenwicklung gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform verwendet wird. 6 zeigt EMV-Testergebnisse für einen üblichen Permanentmagnet-Elektromotor mit 4 Polen und 20 Nuten.
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In den Diagrammen der 5 und 6 entspricht die x-Achse der in Megahertz (MHz) gemessenen EMV-Frequenz, während die y-Achse die EMV-Feldstärke im Verhältnis zur Entfernung an einer logarithmischen Skala (dBμV/m) misst. Normalerweise ist eine Verminderung der Störausstrahlung (EMV) des Motors erwünscht. Gemäß den Richtlinien der Bundeskommunikationskommission (FCC) zum Beispiel muss die EMV-Feldstärke in dem Frequenzbereich von 30 bis 88 MHz in 3 Meter Abstand unter 40 dBμV/m liegen. In den Figuren ist zu sehen, dass ein Permanentmagnet-Elektromotor mit 4 Polen und 20 Nuten bessere EMV-Charakteristiken (eine geringere EMV-Feldstärke) zeigt als ein üblicher Elektromotor.
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Tabelle 2 zeigt die Wicklungsanordnung eines Permanentmagnet-Gleichstrommotors mit 4 Polen und 20 Nuten gemäß einer alternativen Ausführungsform.
| Komm.-Stab | Spulenelement | Komm.-Stab | Spulenelement | Komm.-Stab |
| # | Eintrittsnut | Austrittsnut | # | Eintrittsnut | Austrittsnut |
| Z1 | W1 | S8 | S4 | Z11 | W11 | S18 | S14 | Z20 |
| Z20 | W2 | S9 | S5 | Z10 | W12 | S19 | S15 | Z19 |
| Z19 | W3 | S10 | S6 | Z9 | W13 | S20 | S16 | Z18 |
| Z18 | W4 | S11 | S7 | Z8 | W14 | S1 | S17 | Z17 |
| Z17 | W5 | S12 | S8 | Z7 | W15 | S2 | S18 | Z16 |
| Z16 | W6 | S13 | S9 | Z6 | W16 | S3 | S19 | Z15 |
| Z15 | W7 | S14 | S10 | Z5 | W17 | S4 | S20 | Z14 |
| Z14 | W8 | S15 | S11 | Z4 | W18 | S5 | S1 | Z13 |
| Z13 | W9 | S16 | S12 | Z3 | W19 | S6 | S2 | Z12 |
| Z12 | W10 | S17 | S13 | Z2 | W20 | S7 | S3 | Z1 |
Tabelle 2
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Das Wicklungsschema der Ausführungsform, die in Tabelle 2 dargestellt ist, unterscheidet sich von der Ausführungsform, die in den 3–5 und in Tabelle 1 dargestellt ist, in verschiedener Hinsicht. Zum Beispiel beginnt das Spulenelement W1 in der in Tabelle 1 dargestellten Ausführungsform an dem Kommutatorstab Z1 und läuft über den Abstand von 10 Kommutatorstäben zu Z11, gefolgt von dem Spulenelement W11, das an dem Kommutatorstab Z11 beginnt und über einen Abstand von 11 Kommutatorstäben zu dem Kommutatorstab Z2 läuft. In der in Tabelle 2 dargestellten Ausführungsform hingegen überspannt das Spulenelement W1 10 Kommutatorstäbe von Z1 bis Z11, während das Spulenelement W11 nur 9 Kommutatorstäbe von Z11 bis Z19 überspannt. Wie vorstehend beschrieben, können die Abstände von 10, 11 oder 9 Kommutatorstäben sämtlich als im Wesentlichen gleich der Anzahl von Kommutatorstäben, die zwei Magnetpolen entspricht, betrachtet werden.
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Erfindungsgemäße Elektromotoren benötigen daher nur zwei elektrische Bürsten anstelle von vier, während eine gerade Anzahl von Kommutatorstäben und Rotorzähnen erhalten bleibt. Dadurch können Elektromotoren gemäß den Ausführungsformen unter Verwendung der gleichen Rotorkerne und Kommutatoren wie bei den bekannten Elektromotoren, die vier Bürsten aufweisen, hergestellt werden, ohne zusätzlich in Entwicklung und ergänzende Montagebänder investieren zu müssen, wodurch Herstellungskosten und Komplexität potenziell verringert werden.
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Die vorliegenden Ausführungsformen finden Anwendung sowohl im Haushaltsbereich als auch in der Industrie. Elektromotoren gemäß einigen Ausführungsformen können zum Beispiel in einem Kühlmodul für eine Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Wie 7 zeigt, kann ein Kühlmodul für die Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs ein Gebläse 40 und einen Permanentmagnet-Elektromotor 50 umfassen, wobei das Gebläse durch den Motor 50 angetrieben wird, um die Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs zu kühlen.
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In der vorstehenden Beschreibung wurden verschiedene Aspekte mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen erläutert. Es ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen möglich sind, ohne den Kern der Erfindung und den Rahmen der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen zu verlassen. Zum Beispiel wurden die vorstehend beschriebenen Systeme oder Module mit Bezug auf bestimmte Anordnungen von Komponenten beschrieben. Dennoch können die Ordnung oder räumliche Beziehung vieler der beschriebenen Komponenten ohne Einfluss auf die Funktion und Wirkung der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen geändert werden. Ebenso versteht es sich, dass zwar bestimmte Merkmale dargestellt und beschrieben wurden, dass diese jedoch nicht den Schutzumfang der Ansprüche oder den Schutzumfang anderen Ausführungsformen einschränken. Der Fachmann wird also erkennen, dass verschiedene Änderungen und Modifikation vorgenommen werden können, ohne den Schutzrahmen der hier beschriebenen Ausführungsformen zu verlassen. Die Beschreibung und die Zeichnung dienen somit lediglich dem Zweck der Darstellung und Erläuterung und sind nicht im Sinne einer Einschränkung zu verstehen, so dass durch die beschriebenen Ausführungsformen Alternativen, Modifikationen und Äquivalente erfasst sind.
