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Die Erfindung betrifft einen elektrischen bürstenlosen Kleinstantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere einen elektrischen bürstenlosen Kleinstantrieb, aufweisend einen genuteten Stator mit einer um Statorzähne des Stators gewickelten 3-phasigen Motorwicklung, und einen als Außenläufer ausgebildeten, mit Permanentmagneten versehenen Rotor, wobei ein Magnetfeldsensor die Permanentmagnete des Rotors abtastet und Sensorsignale erzeugt, wobei der Magnetfeldsensor zwischen zwei benachbarten Statorzähnen mit entgegengesetztem Wickelsinn einer Phase der Motorwicklung im radial äußeren Bereich der Statorzähne angeordnet ist. Weiterhin tasten mindestens zwei lineare Magnetfeldsensoren die Permanentmagnete des Rotors ab, und die linearen Magnetfeldsensoren sind derart angeordnet, dass ihre jeweiligen Sensormitten in einem umfangsgemäßen Bereich einer Mitte zwischen zwei benachbarten Statorzähnen einer Phase der Motorwicklung mit entgegengesetztem Wickelsinn und in einem radial äußeren Bereich der Statorzähne angeordnet sind. Die Sensorsignale der linearen Magnetfeldsensoren werden von einer Motorelektronik zu Kommutierungssignalen zur Kommutierung der Motorwicklung und/oder zu Encodersignalen zur Lagebestimmung des Rotors verarbeitet.
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Aus der
DE 10 2014 114 657 A1 ist ein gattungsgemäßer bürstenloser Elektromotor bekannt. Es ist bekannt, dass dieser Elektromotor als ein Außenläufer-Motor ausgebildet sein kann. Weiterhin weist dieser Elektromotor Magnetfeldsensoren auf, welche die Permanentmagnete des Rotors abtasten. Die Ausgangssignale der Magnetfeldsensoren werden dabei zur Kommutierung des Stroms in der Motorwicklung mittels einer Motorelektronik verwendet.
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Aus der
DE 10 2009 028 170 A1 ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor, aufweisend einen permanentmagneterregten Rotor und einen Stator, bekannt. Hierbei ist eine Steuerung vorgesehen, welche zum Erfassen der Rotorposition Hall-Sensoren verwendet.
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Aus der
DE 10 2011 007 147 A1 ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor mit einer Rotorpositionserfassung mit Störfeldkompensation bekannt. Dieser Elektromotor weist zumindest einen Hall-Sensor auf, welcher ausgebildet ist, wenigstens einen Betrag eines Gebermagnetfeldes, erzeugt von einem mit dem Rotor verbundenen Gebermagnet, zu erfassen. Zudem wird ein magnetoresistiver Sensor verwendet, um eine Ausrichtung eines Gesamtmagnetfeldes während eines Rotorumlaufes des Rotors zu erfassen und ein dieses repräsentierendes Rotorpositionssignal zu erzeugen. Das Gesamtmagnetfeld umfasst dabei das Gebermagnetfeld und ein dieses überlagerndes Störmagnetfeld.
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Ein ähnlicher 2-phasiger Außenläufermotor ist zum Beispiel aus der
DE 28 35 210 A1 bekannt. Der Motor verwendet einen Hallgenerator als Sensor, der die Bestromung der Motorwicklung in Abhängigkeit der Rotorstellung steuert. Der Hallgenerator ist im Wesentlichen äquidistant zwischen zwei Statorzähnen angeordnet, so dass die Störeinflüsse der Motorwicklung auf den Hallgenerator stark reduziert werden. Die Reduzierung der Störeinflüsse auf den Hallgenerator wird zur Verbesserung des Anlaufverhaltens des Motors verwendet. Bei diesem Motor sind die Anzahl der Statornuten und die Anzahl der Rotormagnete jedoch relativ gering. Zudem ist die Positionierung des Hallgenerators genau in der Mitte zwischen den Statorzähnen bei der Montage aufwändig. Außerdem ist das zur Kommutierung verwendete Sensorsignal des Hallsensors trapezförmig und nicht zur Verwendung als Encodersignal für eine feine Lagebestimmung des Rotors geeignet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kleinstantrieb zur Verfügung zu stellen, der eine verbesserte Positionsbestimmung, insbesondere eine feine Lagebestimmung, des Rotors und vorzugsweise eine kleine Bauform ermöglicht, vorteilhaft kostengünstig herzustellen ist und zweckmäßig unter allen Betriebsbedingungen eine möglichst hohe Leistungsfähigkeit aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. So ist vorgesehen, dass mindestens zwei lineare Magnetfeldsensoren die Permanentmagnete des Rotors abtasten, und die Magnetfeldsensoren derart angeordnet sind, dass ihre jeweiligen Sensormitten in einem umfangsgemäßen Bereich einer Mitte zwischen zwei benachbarten Statorzähnen einer Phase der Motorwicklung mit entgegengesetztem Wickelsinn und in einem radial äußeren Bereich der Statorzähne angeordnet ist, und die Sensorsignale der linearen Magnetfeldsensoren von einer Motorelektronik zu Kommutierungssignalen zur Kommutierung der Motorwicklung und/oder zu Encodersignalen zur Lagebestimmung des Rotors verarbeitet werden. Dies ermöglicht eine Stabilisierung der Phasenlage der Sensorsignale und ermöglicht eine Steigerung der Leistungsfähigkeit in allen Belastungssituationen und eine präzisere Rotorpositionsbestimmung.
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Erfindungsgemäß beträgt eine umfangsgemäße Winkelabweichung der Position der Sensormitte der Magnetfeldsensoren von der umfangsgemäßen Mitte zwischen zwei benachbarten Statorzähnen einer Phase maximal
wobei NZ der Anzahl der Nuten des Stators entspricht. Es hat sich herausgestellt, dass eine Positionierung in diesem Bereich eine ausreichende Reduzierung der Störeinflüsse ermöglicht.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß die jeweilige Sensormitte der Magnetfeldsensoren in einem radialen Abstand von dem Zentrum des Stators angeordnet, der kleiner gleich dem Außenradius des Stators und größer gleich dreiviertel des Außenradius des Stators ist. Dies ermöglicht insbesondere eine Verbesserung des sinusförmigen Verlaufs der Sensorsignale der linearen Magnetfeldsensoren und somit eine Verbesserung bezüglich der Verwendung der Sensorsignale als Encodersignale für eine feine Lagebestimmung des Rotors.
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In einer bevorzugten Ausführungsform berechnet die Motorelektronik aus von den Magnetfeldsensoren erzeugten Sensorsignalen virtuelle Sensorsignale von virtuellen Sensoren und verwendet diese als Kommutierungssignale zur Kommutierung der Motorwicklung und/oder als Encodersignale zur Lagebestimmung des Rotors.
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Insbesondere berechnet die Motorelektronik die virtuellen Sensorsignale der virtuellen Sensoren, indem sie die Phasenlage der Sensorsignale der linearen Magnetfeldsensoren zwischen zwei benachbarten Statorzähnen einer Phase der Motorwicklung mit entgegengesetztem Wickelsinn von der Motorelektronik derart anpasst, dass die virtuellen Signale der virtuellen Sensoren jeweils einem Sensorsignal eines Magnetfeldsensors entsprechen, der zwischen zwei benachbarten Statorzähnen jeweils einer unterschiedlichen Phase positioniert ist. Dies ermöglicht eine genauere Kommutierung der Motorwicklung und somit eine verbesserte Leistungsfähigkeit unter allen Betriebsbedingungen.
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In einer weiteren Ausführungsform reduziert die Motorelektronik bei der Berechnung der virtuellen Signale der virtuellen Sensoren Oberwellen der Sensorsignale der linearen Magnetfeldsensoren durch eine Verschaltung und/oder Verrechnung, insbesondere durch eine Addition, der Sensorsignale unterschiedlicher Magnetfeldsensoren zwischen zwei benachbarten Statorzähnen einer Phase der Motorwicklung mit entgegengesetztem Wickelsinn. Dies verbessert wiederum den sinusförmigen Verlauf der Sensorsignale und somit die Verwendung der Sensorsignale als Encodersignale für eine feine Lagebestimmung des Rotors.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor als hochpoliger genuteter Außenläufer mit mindestens sechs Einzelsegmentmagneten ausgebildet. Dies verbessert die Auflösung und Genauigkeit der Lagebestimmung des Rotors und erhöht die Leistungsfähigkeit des Kleinstantriebs, insbesondere das Drehmoment.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Figurenbeschreibung und den abhängigen Unteransprüchen.
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Es zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kleinstantrieb,
- 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Kleinstantrieb,
- 3 ein vergrößerter Ausschnitt der 2 und
- 4 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Stators eines erfindungsgemäßen Kleinstantriebes.
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In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Zu der anschließenden Beschreibung wird beansprucht, dass die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele und dabei nicht auf alle oder mehrere Merkmale von beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt ist, vielmehr ist jedes einzelne Teilmerkmal des/jedes Ausführungsbeispiels auch losgelöst von allen anderen im Zusammenhang damit beschriebenen Teilmerkmalen für sich und auch in Kombination mit beliebigen Merkmalen eines anderen Ausführungsbeispiels von Bedeutung für den Gegenstand der Erfindung.
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1 zeigt einen Längsschnitt entlang einer Motorachse X-X einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kleinstantriebes 1. Der Kleinstantrieb 1 ist als ein 3-phasiger, bürstenloser Gleichstrommotor oder auch BLDC-Motor aufgebaut. Im Sinne der Erfindung bedeutet Kleinstantrieb, dass der Durchmesser des Antriebs in einem Bereich von 5 mm bis 100 mm liegt. Dabei liegt das Aspektverhältnis von Länge des Antriebs zu Durchmesser des Antriebs in einem Bereich von 0,1:1 bis 3:1. Für derartige Kleinstantriebe 1 liegt die Dauerbetriebsleistung insbesondere in einem Bereich kleiner gleich 1 kW. Der Rastmoment des Kleinstantrieb 1 liegt insbesondere in einem Bereich von kleiner 10% des Dauerdrehmoments.
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Der Kleinstantrieb 1 weist einen Stator 3 auf, der insbesondere als ein genutetes Blechpaket aus Elektroblech oder SMC-Material (Soft-Magnetic-Composite) ausgebildet ist. Die Blechstärke des durch das Blechpaket gebildeten Eisenkerns ist vorzugsweise kleiner als 0,5 mm. Der Stator 3 ist vorzugsweise mit einem Motorflansch 5 verbunden. Der Motorflansch 5 bildet eine insbesondere zylinderförmige Lageraufnahme 7, in der vorzugsweise mindestens ein Lager 9 zur drehbaren Lagerung einer Motorwelle 11 angeordnet ist.
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Zudem weist der Kleinstantrieb 1 einen als hochpoligen Außenläufer ausgebildeten Rotor 13 auf. Der Rotor 13 ist topfförmig ausgebildet und umschließt den Stator 3. Der Rotor 13 weist an seinem Innenumfang mehrere über den Innenumfang verteilte Einzelsegmentmagnete 15 auf. Hochpolig bedeutet im Sinne der Erfindung eine Anzahl von mindestens vier, insbesondere mindestens sechs, vorteilhafterweise von mindestens zwölf, vorzugsweise von mindestens vierzehn Einzelsegmentmagneten 15. Die Einzelsegmentmagnete 15 sind insbesondere aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) Legierungen gebildet. Die Einzelsegmentmagnete 15 sind insbesondere derart ausgebildet, dass sie einen sinusförmigen oder trapezförmigen Magnetfeldverlauf erzeugen. In der dargestellten Ausführungsform gemäß 2 weist der Rotor 13 vierzehn Einzelsegmentmagnete 15 auf. Der Rotor 13 ist mit der Motorwelle 11 mechanisch verbunden und drehbar in dem Motorflansch 5 gelagert.
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Wie insbesondere in 2 ersichtlich, weist der Stator 3 mehrere über seinen Umfang verteilte und durch Nuten 17 voneinander getrennte, die Statorpole bildende Statorzähne 19 auf. Die Statorzähne 19 haben eine im Querschnitt übliche T-Form. Dabei ist die Nutenanzahl NZ vorteilhafterweise eine gerades Vielfaches von drei und mindestens sechs, insbesondere zwölf, vorzugsweise achtzehn. In der dargestellten Ausführungsform gemäß 2 weist der Stator 3 zwölf Nuten 17 und zwölf Statorzähne 19 auf und bildet somit zwölf Statorpole. Durch eine derartige Nutenanzahl NZ und somit eine entsprechende Anzahl von Statorpolen wird die mögliche Auflösung und Genauigkeit der Lagebestimmung erhöht und ermöglicht auch eine Verbesserung der Leistungsmerkmale des Motors.
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Die Statorzähne 19 nehmen in den Nuten 17 die insbesondere dreisträngige Motorwicklung 21 auf. Wie sich aus 2 ergibt, weist die Motorwicklung 21 auf benachbarten Statorzähnen 19 einer Phase U, V, W einen gegenläufigen Wickelsinn L, R auf.
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Die Motorwicklung 21 ist vorzugsweise mit einer Leiterplatte 23 elektrisch verbunden und wird von einer insbesondere auf der Leiterplatte 23 angeordneten, nicht dargestellten Motorelektronik elektronisch angesteuert. Die Leiterplatte 23 dient insbesondere als Schaltungsträger zur Wicklungskontaktierung und Wicklungsverschaltung der Motorwicklung 21.
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Der Rotor 13 ist derart ausgebildet und dessen Einzelsegmentmagnete 15 derart am Innenumfang angeordnet, dass zwischen der radial äußersten Umfangsfläche des Stators 3 und zwischen den radial innersten Umfangsflächen der Einzelsegmentmagnete 15 ein axial verlaufender Arbeitsluftspalt 24 gebildet ist.
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Zudem weist der Kleinstantrieb 1 mehrere, insbesondere drei, Magnetfeldsensoren 25 auf. Die Magnetfeldsensoren 25 sind vorzugsweise als lineare, insbesondere analoge, Magnetfeldsensoren 25 ausgebildet. Die Magnetfeldsensoren 25 sind insbesondere entlang der Motorachse X-X axial vom Rotor 13 gesehen hinter dem Stator 3 und besonders bevorzugt axial unmittelbar anschließend an die Statorzähne 19 angeordnet, so dass die Magnetfeldsensoren 25 axial in einem Bereich unmittelbar neben dem Stator 3 angeordnet sind. Zudem sind die Magnetfeldsensoren 25 insbesondere axial in einem Bereich unmittelbar neben den Einzelsegmentmagneten 15 des Rotors 13 angeordnet. Unmittelbar bedeutet im Sinne der Erfindung, dass lediglich ein axial und umfangsgemäß verlaufender Luftspalt 27 zwischen den Statorzähnen 19 und den Magnetfeldsensoren 25 beziehungsweise zwischen den Einzelsegmentmagneten 15 und den Magnetfeldsensoren 25 vorhanden ist. Vorteilhafterweise sind die Magnetfeldsensoren 25 auf der Leiterplatte 23 angeordnet und mit der Motorelektronik elektrisch verbunden.
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Wie in 2 und 3 ersichtlich, sind die Magnetfeldsensoren 25 bezogen auf ihre umfangsgemäße Verteilung jeweils zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 19 einer gleichen Phase U, V, W mit gegenläufigem Wickelsinn L, R der Motorwicklung 21 erfindungsgemäß in einem Bereich mit einer umfangsgemäßen Winkelabweichung φ der Position der Sensormitte der Magnetfeldsensoren 25 zur Mitte zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 19 einer gleichen Phase U, V, W von maximal ± 360 ° / (15 * Nutenanzahl NZ) angeordnet. Erfindungsgemäß sind die Magnetfeldsensoren 25 bezogen auf ihre umfangsgemäße Verteilung in der Mitte zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 19 einer Phase U, V, W mit gegenläufigem Wickelsinn L, R der Motorwicklung 21 angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass von den Magnetfeldsensoren 25 erzeugte Sensorsignale möglichst gering von der Bestromung der Motorwicklung 21 beeinflusst werden, da sich die Störeinflüsse der benachbarten Statorzähne 19 einer Phase U, V, W mit gegenläufigem Wickelsinn L, R gegenseitig aufheben.
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Insbesondere sind die Magnetfeldsensoren 25 derart ausgebildet und angeordnet, dass die erzeugten Sensorsignale der Magnetfeldsensoren 25 als Kommutierungssignale zur Steuerung der Kommutierung der Motorwicklung 21 und/oder als Encodersignale zur Lagebestimmung des Rotors 13 verwendet werden. Dazu sind die Magnetfeldsensoren 25 in geeigneter Weise mit einer dazu geeigneten Motorelektronik verschaltet. Vorzugsweise werten die Magnetfeldsensoren 25 mehrere Raumrichtungen, insbesondere axial, radial und tangential zur Motorwelle 11 verlaufend, des gemessenen Magnetfeldes aus.
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Erfindungsgemäß sind die Magnetfeldsensoren 25 in einem radialen Abstand AS der radialen Sensormitte der Magnetfeldsensoren 25 zu dem Zentrum des Stators 3 kleiner gleich dem Außenradius RA des Stators 3 und größer gleich ¾ des Außenradius RA des Stators 3 angeordnet. Dadurch wird die Signalqualität bezogen auf den sinusförmigen Verlauf der Sensorsignale der Magnetfeldsensoren 25 verbessert.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Motorelektronik vorteilhafterweise derart ausgebildet, dass sie aus von den Magnetfeldsensoren 25 erzeugten Sensorsignalen virtuelle Sensorsignale von virtuellen Sensoren 26 berechnet.
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Dazu passt die Motorelektronik vorteilhafterweise die Phasenlage beziehungsweise den Phasenwinkel der von den Magnetfeldsensoren 25 zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 19 einer Phase U, V, W der Motorwicklung 21 mit entgegengesetztem Wickelsinn erzeugten Sensorsignale an, so dass die virtuellen Sensorsignale der virtuellen Sensoren 26 jeweils einem Sensorsignal eines Magnetfeldsensors entsprechen, der zwischen zwei Statorzähnen unterschiedlicher Phase angeordnet wäre (siehe auch 2).
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Zudem passt die Motorelektronik in einer weiteren Ausgestaltung die Phasenlage beziehungsweise den Phasenwinkel der virtuellen Sensorsignale der virtuellen Sensoren 26 derart an, dass sie an die Verschaltungsart des Motors, wie zum Beispiel eine Sternschaltung oder eine Dreieckschaltung, angepasst ist.
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Vorzugsweise berechnet dazu die Motorelektronik die virtuellen Sensoren 26 für die jeweils gewünschte umfangsgemäße Position durch Verrechnung oder Verschaltung, insbesondere durch Addition, zweier von den Magnetfeldsensoren 25 zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 19 einer Phase U, V, W der Motorwicklung 21 mit entgegengesetztem Wickelsinn erzeugten Sensorsignalen.. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Kommutierung der Motorwicklung 21 anhand der berechneten virtuellen Sensorsignale.
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In einer weiteren Ausführungsform wird bei der Generierung der virtuellen Sensorsignale der virtuellen Sensoren 26 eine Oberwellenreduzierung für die von den Magnetfeldsensoren 25 erzeugten Sensorsignale durch Verrechnung oder Verschaltung der Sensorsignale der Magnetfeldsensoren 25 zwischen zwei benachbarten Statorzähnen 19 einer Phase U, V, W der Motorwicklung 21 mit entgegengesetztem Wickelsinn in der Motorelektronik durchgeführt, wodurch eine Harmonisierung der berechneten virtuellen Sensorsignale an eine Sinusform erreicht wird. Dies ermöglicht eine Verbesserung der Encodergenauigkeit für die Lagebestimmung des Rotors 13.
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In einem weiter bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Kupferfüllfaktor der Motorwicklung 21 in den Nuten 17 mindestens 35 %. Gemäß 4 ist im Sinne der Erfindung der Kupferfüllfaktor bezogen auf den Raum in einer Nut 17 zwischen den Statorzähnen 19 von der Basis 29 der Statorzähne 19 bis radial zum Außenradius RA des Stators 3.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. Es wird ausdrücklich betont, dass die Ausführungsbeispiele nicht auf alle Merkmale in Kombination beschränkt sind, vielmehr kann jedes einzelne Teilmerkmal auch losgelöst von allen anderen Teilmerkmalen für sich eine erfinderische Bedeutung haben.
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Bezugszeichenliste:
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- 1
- Kleinstantrieb
- 3
- Stator
- 5
- Motorflansch
- 7
- Lageraufnahme
- 9
- Lager
- 11
- Motorwelle
- 13
- Rotor
- 15
- Einzelsegmentmagnete
- 17
- Nuten
- 19
- Statorzähne
- 21
- Motorwicklung
- 23
- Leiterplatte
- 24
- Arbeitsluftspalt
- 25
- Magnetfeldsensoren
- 26
- virtuelle Sensoren
- 27
- Luftspalt
- 29
- Basis
- NZ
- Nutenanzahl
- U,V,W
- Phase
- L, R
- Wickelsinn
- φ
- Winkelabweichung
- AS
- radialer Abstand der radialen Sensormitte
- AR
- Außenradius des Stators
