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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor und/oder Elektrogenerator gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren oder aber Elektrogeneratoren in vielfältigen Anwendungen bekannt. Beispielsweise kommen Elektromotoren bei Bohrgeräten, wie Bohrmaschinen oder sonstigen haushaltsähnlichen Anwendungen zum Einsatz, bei denen sie ein Drehmoment von wenigen Newtonmetern besitzen. Darüber hinaus sind Anwendungen von Elektromotoren beispielsweise in Kraftfahrzeugen bekannt, wo sie eine Kraftentfaltung von mehreren hundert Newtonmetern besitzen. Auch werden Elektromotoren oder aber Elektrogeneratoren in Großanwendungen eingesetzt, beispielsweise bei Windrädern, in denen sie insbesondere im Elektrogeneratorbetrieb eine Leistung von mehreren Megawatt entfachen.
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Die im bisher bekannten Stand der Technik offenbarten Elektromotoren werden dabei mit Gleichstrom oder aber auch Wechselstrom betrieben und weisen bei dem bereitgestellten Strom einen besonders hohen Wirkungsgrad auf. So ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 011 408 A1 ein Elektromotor offenbart, bei dem topfförmig angeordnet Außen- und Innenrotor in Axialrichtung ineinandergreifend ausgebildet sind.
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Durch die
US 2008/0169720 A1 ist ein weiterer Elektromotor bekannt, welcher einen Innenstator sowie einen Außenstator und einen dazwischen angeordneten Rotor aufweist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen, so dass durch eine unterschiedliche Bestromung die Rotoreinheit in Bewegung versetzt werden kann.
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Die
DE 10 2010 010 127 A1 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Elektromotors, welcher aus einem Innenstator, einem Außenstator sowie einem darin angeordneten Rotor besteht. Durch die aufgezeigte Ausgestaltung des Elektromotors soll es durch ein insgesamt geringes Gewicht sowie die Anordnung von einer Vielzahl von Polen innerhalb der Statoren möglich sein, besonders präzise und schnell Leistung zur Verfügung zu stellen.
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Ein weiterer Elektromotor, bei dem ein Rotor zwischen zwei Statoren angeordnet ist, ist durch die
DE 10 2012 109 875 A1 bekannt.
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Ferner ist ein gattungsbildender Elektromotor aus der
DE 36 09 351 A1 bekannt. Dieser Motor weist einen Außenstator und einen Innenstator auf, zwischen denen ein Rotor drehbar angeordnet ist.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Elektromotor bereit zu stellen, der in seinem Aufbau vereinfacht ist und der ein verbessertes Ansprechverhalten sowie eine erhöhte Kraftentfaltung besitzt.
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Die zuvor genannte Aufgabe des erfindungsgemäßen Elektromotors und/oder Elektrogenerators wird gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der Elektromotor und/oder Elektrogenerator weist einen Stator und einen relativ gegenüber dem Stator drehend gelagerten Rotor auf, wobei ein Außenstator und radial dazu nach innen versetzt ein Innenstator angeordnet sind, wobei zwischen dem Außenstator und dem Innenstator der Rotor drehbar angeordnet ist, wobei der Rotor radial umlaufend zueinander versetzt mindestens zwei magnetfeldleitende Körper aufweist und der Innenstator und der Außenstator Spulenkörper aufweisen.
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Die magnetfeldleitenden Körper auf dem Rotor sind insbesondere in Radialrichtung magnetisierte Permanentmagnete.
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Der Elektromotor und/oder Elektrogenerator ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass ein topfförmiges Außengehäuse mit einstückig ausgebildetem hohlem Innenzylinder angeordnet ist, dessen Öffnung in Axialrichtung orientiert ist, wobei in dem topfförmigen Außengehäuse der Außenstator und der Innenstator angeordnet sind und der Rotor einseitig auf einer Welle gelagert ist, wobei die Welle den Innenzylinder durchgreift und beidseitig des Innenzylinders drehbar gelagert ist und die Öffnung mit einer Platte verschlossen ist, wobei das Außengehäuse die Platte und die Welle aus magnetfeldleitendem Werkstoff ausgebildet sind.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor kann somit im motorischen Antrieb genutzt werden oder aber auch alternativ im Generatorbetrieb, so dass er als Elektrogenerator genutzt werden kann. Im Folgenden wird der motorische Betrieb erläutert, so dass maßgeblich auf den Elektromotor abgestellt wird. Im Elektrogeneratorbetrieb würde sich die erfindungsgemäße Anordnung entsprechend in umgekehrter Weise nutzen lassen, so dass nicht durch elektrische Energiezufuhr mechanische Energie erzeugt wird, sondern mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt wird.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor zeichnet sich dadurch aus, dass er nach einem Mittelläuferprinzip arbeitet. Der Rotor ist somit als Mittelläufer ausgebildet und dreht sich zwischen einem Außenstator und einem Innenstator. Außenstator und Innenstator sind selbst insbesondere ring- bzw. zylinderförmig, ganz besonders bevorzugt hohlzylinderförmig ausgebildet. Der Außenstator erstreckt sich somit radial umlaufend ringförmig und in Axialrichtung als Hülsenbauteil, wobei auch mehrere Außenstatoren in Axialrichtung aneinandergereiht sein können. Analog dazu ist der Innenstator ausgebildet, welcher ebenfalls radial umlaufend als Ringbauteil ausgebildet ist und sich als Hülsenbauteil bevorzugt in Axialrichtung erstreckt, wobei der Innenstator auch durch mehrere Ringe ausgebildet sein kann, die in Axialrichtung aneinandergereiht sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Elektromotor dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor radial umlaufend zueinander versetzt Permanentmagnete aufweist, wobei sich die Permanentmagnete bevorzugt in Axialrichtung erstrecken. Insbesondere sind 2 bis 36 Permanentmagnete auf dem Rotor angeordnet.
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Der Innenstator und der Außenstator weisen in diesem Fall dann Spulenkörper auf, wobei sich auch hier der Wicklungsdraht insbesondere in Axialrichtung erstreckt. Die Wicklungen eines jeden Spulenkörpers sind somit um eine Radialachse gewickelt und der Draht verläuft hauptsächlich in Axialrichtung. Bevorzugt ist die Anzahl der Spulenkörper auf Innenstator und Außenstator gleich. Je nach Steuerungsart des so ausgebildeten Elektromotors werden dann pro Permanentmagnet vier oder fünf Spulenkörper benötigt, so dass beispielsweise eine Vier- oder Fünfphasensteuerung ermöglicht ist. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch bei dieser Ausführungsvariante eine Dauerbestromung, Phasenbestromung oder Pulsbestromung als Steuerungsart zum Betreiben des Elektromotors einsetzbar.
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Im Rahmen der Erfindung sind die Spulenkörper von Außenstator und Innenstator gegenläufig mit elektrischer Energie beaufschlagt, so dass die elektromagnetisch erzeugten Feldlinien in Radialrichtung entgegengesetzt verlaufen. Die auf dem Rotor angeordneten Permanentmagnete werden somit von in Radialrichtung bezogen innen und außen durch die jeweilige Bestromung eines Spulenkörpers auf dem Innenrotor und korrespondierend gleichzeitig auf dem Außenrotor angezogen bzw. abgestoßen, so dass auch hier der Rotor nach dem Mittelläuferprinzip arbeitet und die möglichen zu übertragenden Drehmomente bei konstruktiv einfachen Aufbau deutlich erhöht sind. Im Rahmen der Erfindung wird besonders bevorzugt mit einer Mehrphasensteuerung gearbeitet, wobei sich in Abhängigkeit der Magneten sowie der Phasen die Anzahl der Spulenkörper, welche radial umlaufend verteilt auf dem Außenstator sowie auf dem Innenstator sind, ergeben. Bei einer 4-Phasen-Steuerung mit sechs auf dem Rotor radial umlaufend verteilten Permanentmagneten werden somit 6x4=24 Spulenkörper auf dem Außenstator und 24 Spulenkörper auf dem Innenstator benötigt. Die Spulenkörper selbst können dann wiederum in Gruppen zusammengefasst werden, so dass entsprechend einer Steuerungsvorgabe eine Gruppe von Spulenkörpern gleichzeitig ansteuerbar ist. Dies vereinfacht die elektrische Verkabelung für einen erfindungsgemäßen Elektromotor.
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Das Außengehäuse ist als topfförmiges Außengehäuse mit einstückig ausgebildetem hohlem Innenzylinder ausgebildet, wobei eine Öffnung des hohlen Innenzylinders in Axialrichtung orientiert ist, so dass eine Achse bzw. Welle des Rotors durch den topfförmigen Zylinder greifen kann. Auf einer Außenmantelfläche des topfförmigen hohlen Innenzylinders ist dann der Innenstator ausgebildet und auf einer Innenmantelfläche des Außengehäuses ist der Außenstator angeordnet. Damit nunmehr der Rotor nach dem Prinzip eines Mittelläufers drehbar gelagert werden kann, ist dieser einseitig an einem von der Welle oder aber Nabe sich in Radialrichtung erstreckend angeordneten Körper angeordnet und greift ausgehend von diesem Körper freischwebend dann zwischen Innenstator und Außenstator. Die Nabe selbst ist beidseitig des Außengehäuses gelagert, so dass hier eine hohe zu übertragende Kraft bei gleichzeitig geringen Schwingungen gegeben ist und eine hohe Dauerhaltbarkeit des so hergestellten Elektromotors wiederum gegeben ist. Im Rahmen der Erfindung ist es auch vorstellbar, dass der Rotor in Axialrichtung an beiden Endseiten vor einem sich in Radialrichtung von der Welle erstreckenden Körper gelagert ist. Damit nunmehr ein einfacher Zusammenbau des erfindungsgemäßen Elektromotors, insbesondere bei der Erstmontage oder aber bei Wartungsarbeiten, gegeben ist, ist einseitig an dem Außengehäuse eine Platte angeordnet, mit der das Außengehäuse verschließbar ist. Außengehäuse und Platte sind magnetfeldleitend ausgebildet, so dass sich entsprechend ein geschlossener Magnetfeldkreis ergibt.
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Ein weiterer besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der erfindungsgemäße Elektromotor in einem magnetfeldleitenden Gehäuse unterzubringen ist, so dass durch ein geschlossenes Permanentmagnetfeld die Anziehungs- bzw. Abstoßungskraft, welche auf den Rotor ausgeübt wird, nochmals verstärkt ist. Das magnetfeldleitende Außengehäuse führt dabei die Magnetfeldlinien und schließt den Magnetfeldlinienkreis von Innenstator über Rotor zu Außenstator in das Außengehäuse hin zu Seitenteilen des Außengehäuses wiederum an ein Innengehäuse und von dort in den Innenstator.
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Besonders bevorzugt sind dabei die Magnetfeldlinien, welche von einem jeweiligen Spulenkörper auf den Außenstator und korrespondierend dazu auf dem Innenstator erzeugt werden, in gleiche Richtung verlaufend orientiert. Somit verstärken sich die Magnetfeldlinien von Innenstator und Außenstator gegenseitig, was wiederum die Effizienz des Elektromotors weiter steigert. Ist nunmehr ein jeweiliger Permanentmagnet angeordnet, welcher in Radialrichtung magnetisiert ist, kann durch den Permanentmagneten je nach Orientierung der Magnetfeldlinien dieser Effekt weiter verstärkt werden. Abhängig ist dies bei der Phasensteuerung davon, ob die jeweiligen Spulenkörper in der Phase anziehen bzw. abstoßen.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 und 2 eine Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung in Längsschnittansicht und Querschnittsansicht;
- 3 eine Ansicht auf 1 im Zusammenbau und
- 4 eine Orientierung der Magnetfeldlinien bei Bestromung des erfindungsgemäßen Motors anhand eines Querschnitts gemäß 3.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Elektromotors 1 nach dem Mittelläuferprinzip, wobei Permanentmagnete 3 an dem Rotor 2 ausgebildet sind und ein jeweiliger Spulenkörper 6 am Außenstator 4 und Innenstator 5 angeordnet sind. Im Rahmen der Erfindung wäre es weiterhin vorstellbar in Richtung der zu übertragenden Magnetfeldlinien M an dem Außengehäuse 7 und/oder dem Innenzylinder 10 Permanentmagnete 3 anzuordnen oder aber das Außengehäuse 7 und/oder den Innenzylinder 10 permanent zu magnetisieren. Je nach Polung des Spulenkörpers 6 kann es dann dazu kommen, dass die Richtung des von dem Spulenkörper 6 erzeugten Magnetfelds dem permanent erzeugten Magnetfeld entgegenwirkt. Daher ist die Permanentmagnetisierung derart zu wählen, dass sie in gleiche Richtung der jeweils zwei auf Anziehen gepolten Spulenkörper 6 an Innenstator 5 und Außenstator 4 gerichtet ist, so dass diese verstärkt werden. Für den auf Abstoßen gepolten Spulenkörper 6 würden die Permanentmagnete 3 eine Verminderung der erzeugbaren Magnetkraft bedeuten. Da hier jedoch jeweils zwei Spulenkörper 6 verstärkt werden und nur ein Spulenkörper 6 vermindert wird, tritt insgesamt eine Verstärkungswirkung ein. Damit zunächst der Rotor in Rotation versetzt wird, werden bei einer Vierphasensteuerung die ersten drei Spulen auf Anziehen geschaltet. Somit ist das in Rotation setzen in eine Laufrichtung beginnend. Soll nunmehr in die entgegengesetzte Laufrichtung rotiert werden, werden zum ersten in Rotation des Rotors setzen dann die Spulen 2 bis 4 anziehend geschaltet. Ist der Rotor 2 in Rotation versetzt, werden dann die Spulen derart geschaltet, dass bei einer Vierphasensteuerung eine Spule abstößt, zwei anziehend und eine neutral geschaltet wird. Soll in Laufrichtung entgegengesetzter Richtung geführt werden, wird die erste Spule neutral, zwei anziehend und eine abstoßend geschaltet. Hierdurch ergibt sich dann jeweils eine Verstärkungswirkung bei gleichzeitiger Permanentmagnetisierung des Stators durch die zwei anziehend geschalteten Spulen in Relation zu der einen abstoßend geschalteten Spule.
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Im Rahmen der Erfindung kann der Elektromotor 1 auch mit einem Ecolauf betrieben werden. Hierzu werden die ersten drei Spulen auf anziehend gepolt, um den Rotor 2 in Rotation zu versetzen. Anschließend wird die erste Spule auf abstoßend gepolt sowie die Spulen 2 und 3 auf anziehend. Nach einem halben Zeittakt wird dann auch die vierte Spule auf anziehend gepolt, um die Anziehung eines zweiten Rotormagneten zu minimieren.
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Wie gemäß Querschnittsansicht in 2 gut zu erkennen ist, sind sowohl auf dem Außenstator 4 als auch auf dem Innenstator 5 radial umlaufend versetzt einzelne Spulenkörper 6 angeordnet, deren Drahtwickelrichtung hauptsächlich sich in Axialrichtung A erstreckt. Die Anzahl der umlaufenden Spulenkörper 6 von Außenstator 4 und Innenstator 5 sind gleich, wobei ein jeweiliger Spulenkörper 6 bezogen auf einen Winkelbereich ω des Innenstators 5 den gleichen Winkelbereich ω abdeckt, wie ein Spulenkörper 6 auf dem Außenstator 4.
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Der Innenstator 5 und der Außenstator 4 sind dabei in einem topfförmigen Außengehäuse 7 aufgenommen, wobei bevorzugt der Außenstator 4 an einer Innenmantelfläche 8 des Außengehäuses 7 und der Innenstator 5 an einer Außenmantelfläche 9 eines hohlen Innenzylinders 10 angeordnet sind. Der hohle Innenzylinder ist dann von einer Welle 11 durchgriffen, wobei auf der Welle 11 der Rotor 2 angeordnet ist. In dieser Ausführung ist der Rotor 2 drehfest mit der Welle 11 verbunden und die Welle 11 wird insbesondere auf die Bildebene bezogen von 1 links- und rechtsseitig des Außengehäuses 7 gelagert. Insbesondere erfolgt die Lagerung über Gelenklager 12. Es ist auch vorstellbar, dass der Rotor 2 relativ gegenüber der Welle 11 drehbar gelagert ist.
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An dem Rotor 2 sind dann die Permanentmagnete 3 angeordnet, wobei diese, wie hier dargestellt, an einer Scheibe 13 angeordnet sind oder aber der Rotor 2 kann auch als Hohlzylinder ausgebildet sein und dann können die Permanentmagnete 3 in der Mantelfläche des Hohlzylinders des Rotors 2 ausgebildet sein.
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Gemäß 2 ist erkennbar, dass die Permanentmagnete 3 auf die Radialrichtung bezogen versetzt mit einem Abstand zueinander angeordnet sind. In dieser Ausführungsvariante sind die Permanentmagnete 3 derart magnetisiert, dass der Nordpol auf die Radialrichtung R bezogen nach außen orientiert ist und der Südpol auf die Radialrichtung R bezogen nach innen orientiert ist. Wird nunmehr durch Bestromung der Spulenkörper 6 ein Magnetfeld erzeugt, so ist bevorzugt das Außengehäuse 7 aus magnetfeldleitendem Werkstoff ausgebildet, so dass sich, wie im unteren Bereich angedeutet, ein geschlossenes Magnetfeld innerhalb der Mantelfläche 8, 9 des Außengehäuses 7 ergibt, wobei das Magnetfeld kurzzeitig erzeugt wird, so dass der jeweilige Permanentmagnet 3 des Rotors 2 angezogen oder aber abgestoßen wird. Auf die Bildebene von 1 bezogen auf der rechten Seite wird eine Öffnung 14 des Außengehäuses 7 durch eine Platte 15 verschlossen. Die Platte 15 ist bevorzugt magnetfeldleitend, so dass auch hierdurch das angedeutete Magnetfeld geschlossen wird.
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Das Funktionsprinzip des in 1 und 2 dargestellten Mittelläufermotors ist derart ausgebildet, dass insbesondere drei Spulenkörper 6 einen gleichen Winkelbereich ω abdecken, gegenüber einem Permanentmagneten 3 auf dem Rotor 2. Der vierte Spulenkörper 6 ist dann gegenüber dem Rotor 2 freibleibend und was durch den Abstand der Permanentmagnete 3 zueinander überdeckt wird. Nunmehr werden die einzelnen Spulenkörper 6 derart bestromt, dass der erste Spulenkörper 6.1 auf den Permanentmagneten 3 abstoßend wirkt, sowie die Spulenkörper zwei und drei 6.2, 6.3 anziehend, wobei der vierte Spulenkörper 6.4 neutral bleibt. Die Spulenkörper 6 am Innenstator 5 und Außenstator 4 werden dabei derart gleichgeschaltet, dass sie zu gleicher Zeit bestromt werden und sich jeweils von Innenstator 5 über Rotor 2 zu Außenstator 4 ein homogenes mit in Radialrichtung R orientierten Magnetfeldlinien M bildet, wie in 4 dargestellt. Ferner in 2 ist gut ersichtlich, dass entsprechend die Anzahl n=4 Spulenkörper in dem Winkelbereich ω vorhanden sind, wobei der Winkelbereich ω3, über den sich der Permanentmagnet erstreckt, entsprechend n-1 in Relation zu den Permanentmagneten ist.
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Der Vorteil bei der Ausführungsvariante gemäß 1 ist, dass an den Rotor 2 keine elektrische Energie übertragen werden muss und somit nur bei statisch angeordneten Spulenkörpern 6 der Außenstator 4 und Innenstator 5 mit Energie versorgt werden müssen. Somit entfallen bei dieser Ausführungsvariante jegliche Kontakte oder aber Übertragungen zwischen sich relativ zueinander bewegenden Teilen.
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In 4 sind die bei Bestromung der Spulenkörper 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 erzeugten Magnetfeldlinien M. Dabei ist das Magnetfeld der ersten Spulenkörper 6.1 nach außen orientiert und stößt den Permanentmagneten 3 ab, wohingegen die Magnetfeldlinien M der zweiten und dritten Spulenkörper 6.2, 6.3 auf die Radialrichtung R bezogen nach innen orientiert sind und die vierten Spulenkörper 6.4 neutral geschaltet sind. Hierdurch wird dann der Permanentmagnet 3 durch den zweiten und dritten Spulenkörper 6.2, 6.3 angezogen sowie durch den ersten Spulenkörper 6.1 abgestoßen, wodurch der Rotor 2 in Rotation versetzt wird. Die Magnetfeldlinien M sind auf die Radialrichtung R bezogen von Außenstator 4 und Innenstator 5 in gleicher Richtung orientiert, so dass sie sich gegenseitig verstärken und der Magnetkreis sich schließt.
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Bezugszeichenliste
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- 1 -
- Elektromotor
- 2 -
- Rotor
- 3 -
- Permanentmagnet
- 4 -
- Außenstator
- 5 -
- Innenstator
- 6 -
- Spulenkörper
- 7 -
- Außengehäuse
- 8 -
- Innenmantelfläche
- 9 -
- Außenmantelfläche
- 10-
- Innenzylinder
- 11 -
- Welle
- 12 -
- Gelenklager
- 13 -
- Scheibe
- 14 -
- Öffnung
- 15 -
- Platte
- R -
- Radialrichtung
- A -
- Axialrichtung
- ω -
- Winkelbereich
- ω3 -
- Winkelbereich
- n -
- Anzahl
- M -
- Magnetfeldlinien
