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GEBIET DER ERFINDUNG
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Vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Gleichstrommotor und insbesondere einen Ständer und einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit demselben.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) haben in charakteristischer Weise eine Ständerwicklung und einen Permanentmagnetläufer. Die Richtung des Stroms in der Ständerwicklung wird basierend auf der Position des Läufers geändert, wodurch ein alternierendes Magnetfeld erzeugt wird, das den Läufer zu einer kontinuierlichen Drehung antreibt. Bürstenlose Gleichstrommotoren sind langlebig und geräuscharm.
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Der bestehende BLDC-Motor ist insgesamt kreiszylinderförmig ausgebildet. Der Ständer hat einen ringförmigen Ständerkern und eine Mehrzahl von Zähnen, die sich radial von dem Ständerkern erstrecken. Die Zähne sind in einer Umfangsrichtung des Ständerkerns gleichmäßig angeordnet. Die Wicklung ist um die Zähne herumgeführt. Der Läufer ist in dem Ständer aufgenommen und liegt dem Ständer gegenüber. Da der Ständerkern jedoch eine durchgehende Ringstruktur aufweist, entsteht ein gewisses Maß eines magnetischen Streuflusses, so dass der Magnetfluss und der Wirkungsgrad verringert werden. Zum anderen begrenzt der ringförmige Ständerkern auch eine Schlitzöffnung zwischen den Zähnen, wodurch das Herstellen der Wicklungen erschwert wird und zu einem geringen Schlitzfüllfaktor führt.
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ÜBERSICHT
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Es werden daher ein Ständer und ein Motor mit einem solchen Ständer gewünscht, durch welchen der Schlitzfüllfaktor und der Magnetfluss und folglich der Wirkungsgrad des Motors verbessert werden können.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Ständer vorgeschlagen, der eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Segmenten und eine Stützhalterung aufweist, die die Segmente miteinander verbindet. Jedes Segment hat eine Segment-Kerneinheit und eine Wicklungsanordnung an der Segment-Kerneinheit. Die Segment-Kerneinheiten definieren zwischen zwei einander benachbarten Segmenten einen Spalt.
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Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Segmente 3N, wobei N ≥ 1 ist.
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Vorzugsweise ist ein Teil der Stützhalterung in den Spalt zwischen den Segment-Kerneinheiten der beiden einander benachbarten Segmente eingesetzt.
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Vorzugsweise hat die Stützhalterung eine Endplatte und eine Mehrzahl von Verbindungsbereichen, die sich von der Endplatte erstrecken, wobei der jeweilige Verbindungsbereich in den Spalt zwischen den Segment-Kerneinheiten von zwei einander benachbarten Segmenten eingesetzt ist.
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Vorzugsweise sind der Teil der Stützhalterung und die Segment-Kerneinheit durch einen Verriegelungsmechanismus miteinander verbunden, wobei der Verriegelungsmechanismus einen Verriegelungsschlitz und einen mit dem Verriegelungsschlitz in Eingriff zu bringenden Verriegelungsblock umfasst.
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Vorzugsweise bildet jede Segment-Kerneinheit eine axiale Öffnung, die Stützhalterung bildet eine Mehrzahl von Befestigungsstiften, und jeder Befestigungsstift befindet sich im Eingriff mit der axialen Öffnung einer jeweiligen Segment-Kerneinheit.
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Vorzugsweise hat der Ständer ferner eine weitere Stützhalterung, die eine Endplatte und eine Mehrzahl von Befestigungsstiften aufweist, die sich von der Endplatte erstrecken, wobei jeder Befestigungsstift sich mit der axialen Öffnung einer jeweiligen Segment-Kerneinheit im Eingriff befindet.
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Vorzugsweise sind die Befestigungsstifte der weiteren Stützhalterung jeweils auf die Befestigungsstifte der Stützhalterung ausgerichtet.
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Vorzugsweise ist die Segment-Kerneinheit allgemein W-förmig und hat zwei Flügelbereiche und einen zwischen den beiden Flügelbereichen angeordneten Stegbereich, wobei die Flügelbereiche und der Stegbereich zwischen sich einen Montageraum definieren und die Wicklungsanordnung rund um den Stegbereich angebracht und in dem Montageraum angeordnet ist.
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Vorzugsweise bildet die Stützhalterung eine Trennplatte, die sich von der Endplatte erstreckt, und die Trennplatte ist in den Montageraum zwischen dem Stegbereich und einem benachbarten Flügelbereich eingesetzt, um die Wicklungsanordnung von dem Flügelbereich zu isolieren.
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Vorzugsweise besteht die Stützhalterung aus einem nichtmagnetischen Material.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein bürstenloser Gleichstrommotor angegeben, der den vorgenannten Ständer und einen relativ zu dem Ständer drehbaren Läufer aufweist.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt einen bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 zeigt einen Ständer des Motors von 1;
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3 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Ständers von 2;
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4 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Ständers aus einer anderen Betrachtungsrichtung;
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5 zeigt ein einzelnes Segment des Ankers des Ständers;
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6 ist eine auseinandergezogene Darstellung des Ankersegments von 5;
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7 ist eine Schnittansicht des Ständers;
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8 zeigt einen Läufer des Motors von 1;
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9 ist eine Längsschnittansicht des Läufers von 8;
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10 ist eine Querschnittsdarstellung des Läufers von 8.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt einen bürstenlosen Gleichstrommotor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der bürstenlose Gleichstrommotor hat einen Ständer 10 und einen Läufer 30, der sich relativ zu dem Ständer 10 drehen kann. In dieser Ausführungsform ist der Motor ein Innenläufermotor, wobei der Läufer 30 in dem Ständer 10 drehbar montiert ist.
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Es wird auf 2 bis 4 Bezug genommen. Der Ständer 10 hat einen Anker 11 und zwei Stützhalterungen 12 (nachfolgend als obere Stützhalterung 12a und untere Stützhalterung 12b bezeichnet), die an den beiden axialen Enden des Ankers 11 angeordnet sind. Der Anker 11 ist eine segmentierte Konstruktion mit einer Mehrzahl von Segmenten 13. Die Anzahl der Segmente 13 beträgt 3N, wobei N eine ganze Zahl gleich oder größer 1 ist, d. h. N ≥ 1. Vorzugsweise sind die Segmente 13 des Ankers 11 im Wesentlichen baugleich und entlang einer Umfangsrichtung gleichmäßig angeordnet. Einander benachbarte Segmente 13 definieren zwischen sich einen Spalt 14, d. h. die Segmente 13 sind in der Umfangsrichtung diskontinuierlich angeordnet. In dieser Ausführungsform hat der Anker 11 drei Segmente 13, und die Außenform des Ankers 11 ist insgesamt im Allgemeinen ein Dreieck. Die drei Segmente 13 definieren zusammenwirkend eine kreisförmige Durchgangsöffnung 15, wobei der Läufer 30 in der Durchgangsöffnung 15 aufgenommen ist. Dadurch hat der zusammengebaute Motor insgesamt im Allgemeinen eine Dreiecksform.
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In einer alternativen Ausführungsform ist die Außenform des Motors/Ankers 11 basierend auf der Anzahl der Segmente 13 im Wesentlichen ein Polygon mit 3N Seiten. Zum Beispiel bilden sechs Segmente 13 einen Motor/Anker 11 in Form eines Sechsecks, und neun Segmente 13 bilden einen Motor/Anker 11 in Form eines Neunecks. Im Vergleich zu dem traditionellen runden oder viereckigen Motor können bei dem Motor/Anker 11 in Form eines Polygons mit 3N Seiten überschüssige Kernbereiche entfernt werden, wodurch sich das Gewicht und die Größe des Motors/Ankers 11 verringern und daher die speziellen Anforderungen eines Benutzers bezüglich des Einbauraums erfüllt werden.
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Es wird auf 5 und 6 Bezug genommen. Jedes Segment 13 des Ankers 11 hat eine Segment-Kerneinheit 16 und eine Wicklungsanordnung 17 rund um die Segment-Kerneinheit 16. Die Segment-Kerneinheit 16 ist durch eine Mehrzahl von geschichteten Kernlamellen wie beispielsweise Siliziumstahllamellen gebildet. Die Segment-Kerneinheit 16 ist insgesamt W-förmig, hat zwei Flügelbereiche 18 und einen zwischen den beiden Flügelbereichen 18 angeordneten Stegbereich 19. Radial äußere Enden der Flügelbereiche 18 und des Stegbereichs 19, d. h. die Enden auf einer radial äußeren Seite des Ständers 10, sind miteinander verbunden. Radial innere Enden der Flügelbereiche 18 und des Stegbereichs 19, d. h. die dem Läufer 30 zugewandten Enden, sind voneinander getrennt. Jeder Flügelbereich 18 und der Stegbereich 19 bilden zwischen sich einen Montageraum zum Montieren der Wicklungsanordnung 17.
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Vorzugsweise bildet jeder Flügelbereich 18 eine Durchgangsöffnung 21, die axial durch die Flügelbereiche 18 hindurchfährt. Das radial innere Ende jedes Flügelbereichs 18 springt radial nach innen vor, um einen Verriegelungsblock 22 für die Befestigung mit der Stützhalterung 12 zu bilden.
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Die Wicklungsanordnung 17 hat eine Isolierhalterung 23 und eine Wicklung 24, die um die Isolierhalterung 23 herumgeführt ist. Vorzugsweise besteht die Isolierhalterung 23 aus isolierendem Kunststoff. Ein elektrisch leitender Stift ist fest in die Isolierhalterung 23 eingesetzt. Die Wicklung 24 ist an der Isolierhalterung 23 ausgeführt und mit dem elektrisch leitenden Stift elektrisch verbunden. Die Wicklungsanordnung 17 ist rund um den Stegbereich 19 der Segment-Kerneinheit 16 befestigt. Ein zentraler Bereich der Isolierhalterung 23 definiert eine dem Stegbereich 19 entsprechende Montageöffnung 230.
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Die aus einem nichtmagnetischen Material wie Isolierkunststoff hergestellte Stützhalterung 12 verbindet die Segmente 13 des Ankers 11 miteinander, wobei die Segment-Kerneinheiten 16 der jeweiligen Segmente 13 getrennt sind, um magnetischen Streufluss zu verringern. Es wird auch auf 3 und 4 Bezug genommen. Die obere Stützhalterung 12a und die untere Stützhalterung 12b sind in der Konstruktion ähnlich. Beide weisen eine Endplatte 25 und eine Mehrzahl von Befestigungsstiften 26 auf, die sich von der Endplatte 25 senkrecht erstrecken. Die Endplatten 25 sind Bleche, die jeweils die beiden axialen Enden des Ankers 11 abdecken. Jede Endplatte 25 hat eine Außenform und eine Größe, die dem Anker 11 angepasst sind. In dieser Ausführungsform zum Beispiel ist jede Endplatte 25 im Wesentlichen dreieckig mit einer runden Innenöffnung. Die Befestigungsstifte 26 der oberen und der unteren Stützhalterung 12a, 12b sind in der axialen Richtung aufeinander ausgerichtet. Eine Gesamtlänge der beiden aufeinander ausgerichteten Befestigungsstifte 26, die sich aus den Endplatten 25 heraus erstrecken, ist nicht größer als eine axiale Höhe der Segment-Kerneinheit 16. Dadurch behindern sich die aufeinander ausgerichteten Befestigungsstifte 26 der beiden Stützhalterungen 12a, 12b nach dem Zusammensetzen nicht gegenseitig. Die Befestigungsstifte 26 korrespondieren mit den Durchgangsöffnungen 21 der Fügelbereiche 18 der Segment-Kerneinheit 16. Bei der Montage werden jeweils zwei aufeinander ausgerichtete Befestigungsstifte 26 der beiden Stützhalterungen 12a, 12b jeweils von den beiden axialen Enden der Segment-Kerneinheit 16 in dieselbe Durchgangsöffnung 21 eingesetzt, um die Segment-Kerneinheit 16 zu positionieren und zu stützen.
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Die untere Stützhalterung 12b bildet ferner korrespondierend zu jedem Segment 13 zwei Trennplatten 27. Die beiden Trennplatten 27 erstrecken sich senkrecht von der Endplatte 25. Die sich aus der Endplatte 25 heraus erstreckende Länge der Trennplatte 27 ist im Wesentlichen gleich der axialen Höhe der Segment-Kerneinheit 16. Die untere Stützhalterung 12b bildet korrespondierend zu jeweils zwei benachbarten Segmenten 13 ferner einen Verbindungsbereich 28. Der Verbindungsbereich erstreckt sich senkrecht von der Endplatte 25. Die aus der Endplatte 25 herausstehende Länge des Verbindungsbereichs 28 ist im Wesentlichen gleich der axialen Höhe der Segment-Kerneinheit 16. Der Verbindungsbereich 28 hat bevorzugt einen H-förmigen Querschnitt mit zwei Verriegelungsschlitzen 29, die an seinen beiden Seiten gebildet sind. Jeder Verriegelungsschlitz 28 nimmt einen in ihn eingreifenden Verriegelungsblock 22 des Flügelbereichs 28 der Segment-Kerneinheit 16 eines benachbarten Segments 13 auf.
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In 7, auf die ebenfalls Bezug genommen wird, ist jede Trennplatte 27 in den Raum zwischen einem Flügelbereich 18 und dem Stegbereich 19 der Segment-Kerneinheit 16 eingefügt und lehnt sich an den Flügelbereich 18 an, wodurch die Wicklungen 24 von dem Flügelbereich 18 der Segment-Kerneinheit 16 isoliert werden, um einen Kurzschluss der Wicklungen 24 zu vermeiden. Jeder Verbindungsbereich 28 ist in den Spalt 14 zwischen den entsprechenden Flügelbereichen 18 der Segment-Kerneinheiten 16 der einander benachbarten Segmente 13 eingefügt. Die Verriegelungsblöcke 22 der beiden Flügelbereiche 18 gleiten jeweils axial in die Verriegelungsschlitze 29 des Verbindungsbereichs 28 hinein, wodurch die einander benachbarten Segmente 13 zu einem Anker 11 verbunden werden. Der Verriegelungsblock 22 ist bevorzugt schwalbenschwanzförmig, und der Verriegelungsschlitz 29 hat eine der Form des Verriegelungsblocks angepasste Form, wodurch vermieden wird, dass der Verriegelungsblock und der Verriegelungsschlitz außer Eingriff gelangen. In einer alternativen Ausführungsform kann der Verriegelungsblock auch eine andere Form aufweisen und kann beispielsweise rechteckig oder keilförmig sein, wobei der Verriegelungsschlitz eine an den Verriegelungsblock angepasste Form aufweist, wodurch ebenfalls eine feste Verbindung entsteht.
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In dieser Ausführungsform sind die Trennplatten 27 an der unteren Stützhalterung 12b gebildet, um die Segment-Kerneinheiten 16 von den Wicklungen 24 zu isolieren, und die Verbindungsbereiche 28 sind für eine Verbindung der Segment-Kerneinheiten 16 ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen können die Trennplatten 27 ebenso an der oberen Stützhalterung 12a gebildet sein, oder es sind die obere und die untere Stützhalterung 12a, 12b mit den Trennplatten 27 versehen. Die Verbindungsbereiche 28 können an der oberen Stützhalterung 12a gebildet sein, oder es sind die obere und die untere Stützhalterung 12a, 12b mit den Verbindungsbereichen 28 versehen. Außerdem können die Verbindungsbereiche 28 und die Trennplatten 27 an derselben Stützhalterung 12a oder 12b oder jeweils an der oberen und unteren Stützhalterung 12a und 12b gebildet sein.
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Ferner ist der Verriegelungsblock 22 in dieser Ausführungsform an dem Flügelbereich 18 der Segment-Kerneinheit 16 gebildet, der Verriegelungsschlitz 29 ist an dem Verbindungsbereich 28 gebildet, und der Verriegelungsblock 22 greift in den Verriegelungsschlitz 29 ein, um die beiden einander benachbarten Segmente 13 zu verbinden. In einer alternativen Ausführungsform kann der Verriegelungsschlitz 29 an der Segment-Kerneinheit 16 gebildet sein, der Verbindungsbereich 28 ist mit dem vorspringenden Verriegelungsblock 22 versehen, und die einander benachbarten Segmente 13 sind ebenfalls durch die Verriegelung zwischen dem Verriegelungsblock und dem Verriegelungsschlitz miteinander verbunden. Diese Verriegelungskonstruktion ist ebenfalls einfach und einfach zu handhaben.
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Bei der Herstellung des Ständers 10 wird zunächst die Wicklung 24 an der Isolierhalterung 23 ausgeführt. Die Wicklung kann durch Anwendung eines konzentrierten Wickelverfahrens hergestellt werden. Nach Fertigstellung der Wicklung wird die Montageöffnung 230 der Isolierhalterung 23 auf den Stegbereich 19 der Segment-Kerneinheit 16 ausgerichtet und der Stegbereich 19 der Segment-Kerneinheit 16 in die Montageöffnung 230 der Isolierhalterung 23 hineingedrückt oder die Isolierhalterung 23 rund um den Stegbereich 19 befestigt, um ein einzelnes Segment 13 des Ankers 11 zu bilden. Die obere und die untere Stützhalterung 12a, 12b sind an den beiden axialen Enden der Segmente 13 montiert, um die Segmente 13 zu dem Ständer 10 zu verbinden.
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Bei vorliegender Erfindung wird die Wicklung 24 vor dem Zusammensetzen der Isolierhalterung 23 mit der Segment-Kerneinheit 16 an der Isolierhalterung 23 ausgeführt. Das Wickeln der Wicklung 24 unterliegt daher keiner Einschränkung durch Form und Größe der Schlitzöffnung und das Wickelverfahren, wodurch der Schlitzfüllfaktor der Wicklung 24 und die Leistungsdichte des Motors vergrößert werden. Im Vergleich zu Wicklungen, die unmittelbar an der einteiligen Segment-Kerneinheit ausgeführt werden, sind der Wickelvorgang und das Zusammensetzen mit der Segment-Kerneinheit nach Abschluss des Wickelvorgangs einfach, schnell und höchst effizient, was die Automatisierung des Herstellungsprozesses erleichtert. Außerdem ist der Ständer 10 durch mehrere Segmente 13 gebildet, die durch die Stützhalterung 12 miteinander verbunden sind, und die Segment-Kerneinheiten 16 des Ständers 10 sind in der Umfangsrichtung durch die nichtmagnetischen Verbindungsbereiche 28 isoliert. Im Vergleich zu der traditionellen einteiligen Bauform des Ständers verringert der erfindungsgemäße Ständer 10 den magnetischen Streufluss an dem Magnetpfad, wodurch die Leistung des Motors um mindestens 10% gesteigert wird.
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Es wird auf 8 bis 10 Bezug genommen. Der Läufer 30 hat eine Drehwelle 32, einen an der Drehwelle 32 festgelegten Läuferkern 34, eine Mehrzahl von Magneten 36, die an dem Läuferkern 34 befestigt sind, und eine die Magnete 36 umschließende Läuferhülse 38. Der Läuferkern 34 ist im Allgemeinen zylinderförmig. Eine Mehrzahl von Nuten 35 ist in einer radialen Außenfläche des Läuferkerns 34 gebildet. Die Nuten 35 sind entlang einer Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet. Jede Nut 35 verläuft entlang einer axialen Richtung durch den Läuferkern 34. In dieser Ausführungsform beträgt die Anzahl der Nuten 35 zehn. Jede Nut 35 nimmt einen Magnet 36 darin auf. Der Magnet 36 kann ein Ferritmagnet 36 sein. Die radiale Außenfläche des Magnets 36 ist bogenförmig, und die radialen Außenflächen aller Magnete 36 liegen im Wesentlichen an derselben zylindrischen Fläche. In dieser Ausführungsform ragt die Außenfläche des Magnets 36 über die Außenfläche des Läuferkerns 34 hinaus. Es sind zwei Läuferhülsen 38 vorhanden, deren jede zylindrisch ist und ein offenes Ende hat.
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Bei der Montage werden die beiden Läuferhülsen 38 von den beiden axialen Enden des Läuferkerns 34 jeweils auf den Läuferkern aufgepresst und umschließen den Läuferkern 34 und die Magnete 36, um während der Drehung des Läufers ein Herabfallen der Magnete zu verhindern. Bei der Montage wird der Läufer 30 in die Durchgangsöffnung 15 des Ständers 10 eingesetzt, und der Ständer 10 und der Läufer 30 werden direkt an einem Benutzersystem montiert. Ein Montagegehäuse mit einem Flansch für Montagezwecke ist mittels eines Druckgussverfahrens einteilig mit einer Montagehalterung des Benutzersystems ausgebildet. Dies verringert die Anzahl von Bauteilen und vereinfacht die Montage, wodurch Materialkosten und Montagekosten gespart werden.
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Die Erfindung wurde anhand einer oder mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben. Gleichwohl wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind. In der vorliegenden Ausführungsform wird zum Beispiel der Anker als Ständer verwendet. Der Anker kann jedoch auch als Läufer verwendet werden. Der Schutzumfang der Erfindung wird deshalb durch die anliegenden Ansprüche bestimmt.
