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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere einen Klein-
oder Kleinstmotor mit elektronischer Kommutierung.
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Die
Wicklungen von Elektromotoren werden im Betrieb oft mit impulsförmigen Strömen (PWM)
gespeist. Aus diesem Grund kann es vorkommen, dass sie im Betrieb
Störfelder
erzeugen. Diese Störfelder wirken
auch auf die Rotoren und Rotorwellen solcher Motoren, und diese
wirken dann im Betrieb als Antennen.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen neuen Elektromotor bereit
zu stellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch einen Elektromotor gemäß Anspruch
1. Hierbei werden Potenzialänderungen
des Statorblechpakets durch eine elektrisch leitende Verbindung
zwischen dem Statorblechpaket und einem im Betrieb auf einem Bezugspotenzial
liegenden elektrischen Anschluss unterdrückt. Dadurch entstehen nur
noch schwache elektrische Potenzialfelder, und die Entstehung von EMV-Abstrahlung kann
wirksam reduziert werden.
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Bevorzugte
Weiterbildungen des Elektromotors sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere
Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den
im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in
keiner Weise als Einschränkung
zu verstehenden Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
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1 eine
vergrößerte Seitenansicht
eines Elektromotors gemäß einer
Ausführungsform;
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2 eine
Draufsicht auf die Unterseite des Elektromotors von 1,
gesehen in Richtung des Pfeils II der 1;
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3 eine
vergrößerte Schnittansicht
des Elektromotors der 1, gesehen längs der Linie III-III der 2;
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4 eine
Schnittansicht des Elektromotors der 3, etwa
in Originalgröße;
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5 eine
Draufsicht auf die Oberseite des Elektromotors der 1,
gesehen in Richtung des Pfeils V der 1;
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6 eine
Draufsicht auf die Unterseite der Leiterplatte des Elektromotors
der 1;
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7 eine
vergrößerte Schnittansicht
des an der Leiterplatte befestigten Statorblechpakets des Elektromotors
der 1, gesehen längs
der Linie VII-VII
der 6;
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8 eine
Schnittansicht des an der Leiterplatte 200 befestigten
Statorblechpakets der 7, etwa in Originalgröße;
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9 eine
perspektivische Ansicht des Statorblechpakets von 1;
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10 eine
perspektivische Ansicht des an der Leiterplatte 200 befestigten
Statorblechpakets von 9;
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11 ein
Messdiagramm, welches die EMV-Abstrahlung eines Elektromotors ohne
die Anbindung des Statorblechpakets an einen auf einem Bezugspotenzial
liegenden Anschluss zeigt;
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12 ein
Messdiagramm, welches die EMV-Abstrahlung des Elektromotors von 1 gemäß einer
ersten Ausführungsform
zeigt;
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13 ein
Messdiagramm, welches die EMV-Abstrahlung des Elektromotors von 1 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
zeigt;
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14 ein
Messdiagramm, welches den Potenzialverlauf am Statorblechpaket eines
Elektromotors ohne die Anbindung des Statorblechpakets an einen
auf einem Bezugspotenzial liegenden Anschluss zeigt;
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15 ein
Messdiagramm, welches den Potenzialverlauf am Statorblechpaket des
Elektromotors der 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
zeigt;
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16 eine
schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Messung der EMV-Abstrahlung bei einem
Elektromotor ohne die Anbindung des Statorblechpakets an einen auf
einem Bezugspotenzial liegenden Anschluss;
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17 eine
schematische Ansicht der Vorrichtung von 16 bei
der Messung der EMV-Abstrahlung beim Elektromotor der 1,
gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform;
und
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18 eine
schematische Ansicht der Vorrichtung von 16 bei
der Messung der EMV-Abstrahlung beim Elektromotor der 1 gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform,
mit einer Anbindung der Rotorwelle an ein auf einem Bezugspotenzial
liegendes Anschlusselement.
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In
der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe links,
rechts, vorne, hinten, oben und unten auf die jeweilige Zeichnungsfigur
und können
in Abhängigkeit
von einer jeweils gewählten
Ausrichtung (Hochformat oder Querformat) von einer Zeichnungsfigur
zur nächsten
variieren. Gleiche oder gleich wirkende Teile werden in den verschiedenen Figuren
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und gewöhnlich nur einmal beschrieben.
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1 zeigt
einen Elektromotor 100 mit einem Motorgehäuse 110,
an dem eine seitliche Befestigung 112 vorgesehen ist. Der
Motor 100 ist hier als elektronisch kommutierter Außenläufermotor
ausgebildet und hat einen Außenrotor 120 und
einen Innenstator 300 (3). Der
Außenrotor 120 hat
eine Rotorglocke 122 und eine um eine (symbolische) Rotorachse 128 drehbare
Rotorwelle 124.
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Die
Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung eines Elektromotors
mit Außenrotor
und Innenstator beschränkt.
Sie kann in gleicher Weise bei einem Elektromotor mit Innenrotor
und Außenstator Anwendung
finden.
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Der
Motor 100 hat zum Zuführen
einer Betriebsspannung elektrische Anschlüsse 130, die in 1 als
Steckverbindungen ausgebildet sind. Diese Steckverbindungen 130 können z.
B. auch zur Übertragung
eines PWM-Signals, eines Steuersignals, eines Tacho- und/oder Alarmsignals
verwendet werden.
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2 zeigt
die Unterseite des Elektromotors 100 der 1.
Man sieht eine im Motorgehäuse 110 angeordnete
Leiterplatte 200 ersichtlich, welche am Innenstator 300 (3)
befestigt ist, wie unten bei 3. Das Motorgehäuse 110 hat
ein Befestigungsloch 119 und ist mit einem Befestigungsflansch 115 verbunden,
welcher Befestigungslöcher 117, 118 aufweist.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform des
Elektromotors 100 von 1 mit dem
Innenstator 300, dem Außenrotor 120 und der
Leiterplatte 200.
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Der
Stator 300 ist auf einem am Motorgehäuse 110 vorgesehenen
Lagerrohr 390 gelagert, in dessen Innerem eine Lageranordnung 314 mit
einem ersten Kugellager 310, einem zweiten Kugellager 312 und
einer Spiralfeder 316 angeordnet ist. Die Kugellager 310, 312 sind
hier nur beispielhaft dargestellt. Andere Lagertypen, z. B. Gleit-
oder Wälzlager, können ebenfalls
verwendet werden.
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Der
Stator 300 hat gemäß 9 ausgeprägte Statorpole 364, 365,
welche jeweils einen Steg 364'' bzw. 365'' und einen Polschuh 364' bzw. 365' aufweisen,
und ist mit einem Statorblechpaket 350 versehen. Die Stege
bzw. Polkerne 364'', 365'' tragen eine Statorwicklung 380,
vgl. 7.
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Der
Innenstator 300 ist mit Halterungen 354, 356 an
der Leiterplatte 200 befestigt, welche z. B. im Bereich
der Polschuhe 364' bzw. 362' vorgesehen sind.
Die Leiterplatte 200 hat auf beiden Seiten sogenannte gedruckte
Schaltungen 600 (6), die
auch gefräst
oder geätzt
sein können,
und ist dort mit elektronischen Bauelementen 642, 643, 644, 645, 646 (6)
versehen.
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Die
elektronischen Bauelemente 642 bis 646 dienen
mindestens teilweise zur Steuerung und Kommutierung des Motors 100 und
werden üblicherweise
mit Halbleiterbauelementen realisiert, welche sehr empfindlich gegen
elektromagnetische Störstrahlungen
bzw. EMV-Abstrahlung sind. Diese kann, wie oben bereits beschrieben,
im Betrieb des Motors 100 auftreten, da dann der Außenrotor 120 und
dessen Rotorwelle 124 (1) als Antenne
für elektrische
Felder wirken und aufgrund von Potenzialänderungen im bewickelten Statorblechpaket 350 EMV-Störaussendungen
abstrahlen, vgl. 16. Zur Vermeidung dieser EMV-Abstrahlung
ist das am Stator 300 vorgesehene Blechpaket 350 elektrisch
leitend mit einem auf der Leiterplatte 200 vorgesehenen,
elektrischen Anschluss 210 verbunden, welcher im Betrieb
auf einem Bezugspotenzial, bevorzugt Masse, liegt.
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Gemäß der Ausführungsform
nach 10 ist an dem Statorblechpaket 350 ein
Kontaktelement 352 befestigt. Dieses ist bevorzugt stiftförmig und etwa
parallel zur Rotorachse im Bereich eines Polschuhs angeordnet und
verbindet das Statorblechpaket 350 elektrisch leitend mit
dem elektrischen Anschluss 210. Alternativ hierzu kann
das Kontaktelement 352 auch kabelförmig ausgebildet sein. Seine Verbindung
mit dem elektrischen Anschluss 210 muss elektrisch leitfähig sein
und kann z. B. mittels Löten,
Schweißen,
Kleben oder Stanzen erfolgen.
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Als
eine weitere oder alternative Maßnahme zur Reduzierung der
EMV-Abstrahlung des Elektromotors 100 kann sein Rotor 120 bzw.
seine Rotorwelle 124 (1) elektrisch
leitend mit einem Anschlusselement 1810 (18)
verbunden sein, welches im Betrieb auf einem Bezugspotenzial, z.
B. Masse, liegt. Dieses Anschlusselement 1810 kann über ein separates
Bauteil auf das Bezugspotenzial gelegt werden. Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
bei einer Messanordnung das separate Bauteil als Masseplatte 1620 (18)
ausgebildet.
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4 zeigt
den Elektromotor 100 der 3 etwa in
Originalgröße. Der
in 3 und 4 gezeigte Ausschnitt des Elektromotors 100 hatte
z. B. eine Länge
L von etwa 72 mm. Die Gesamtlänge
des in 1 und 2 gezeigten Motorgehäuses 110 betrug
etwa 80 mm, seine Breite etwa 45 mm.
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5 zeigt
die Oberseite des Elektromotors 100 der 1 mit
der Leiterplatte 200, an welcher die Steckverbindungen 130 befestigt
sind. Die Leiterplatte 200 ist mit Befestigungsmitteln 512, 514,
z. B. Schrauben, und mit dem Befestigungsflansch 115 im Motorgehäuse 110 befestigt.
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6 zeigt
die vom Stator 300 (3) abgewandte
Seite 250 der Leiterplatte 200 der 5 mit einer
gedruckten Schaltung 600, welche mit den elektronischen
Bauelementen 642, 643, 644, 645, 646 versehen
ist. 6 zeigt das Kontaktelement 352, das an
dem auf der Leiterplattenseite 250 vorgesehenen elektrischen
Anschluss 210 angeschlossen ist. Auch zeigt 6 die
an der Leiterplatte 200 befestigten Halterungen 354, 356, 358 des
Stators 300. Dieser hat Befestigungshaken 690 für seine
Fixierung am Lagerrohr 390 des Motorgehäuses 110 (3).
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An
der Leiterplattenseite 250 sind elektrische Anschlüsse 630 für die Steckverbindungen 130 (1 und 5)
angeordnet. Zur Durchführung
der Schrauben 512, 514 (5) zum Befestigen
der Leiterplatte 200 im Motorgehäuse 110 (5)
sind Löcher 612 bzw. 614 vorgesehen.
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7 zeigt
den Stator 300 und die daran befestigte Leiterplatte 200 (3).
Diese hat ein Loch 720, in das der Stator 300 eingeführt ist,
welcher eine zentrale Öffnung 710 hat.
In die Öffnung 710 wird
bei der Montage das Lagerrohr 390 (3) eingeschoben,
das zur drehbaren Lagerung des Rotors 124 (1)
dient.
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7 verdeutlicht
die Befestigung des stiftförmigen
Kontaktelements 352 am elektrischen Anschluss 210 auf
der Leiterplatte 200 und am Statorblechpaket 350.
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8 zeigt
den Innenstator 300 und die daran befestigte Leiterplatte 200 der 7 etwa
in Originalgröße. Diese
haben eine Länge
L' von etwa 50 mm.
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9 zeigt
den unbewickelten Innenstator 300 der 3 in
perspektivischer Ansicht und zeigt die zentrale Öffnung 710 und die
Befestigungshaken 690.
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Aus 9 ist
ersichtlich, dass jeder der ausgeprägten Statorpole einen Polkern 361'' bis 366'' sowie
einen Polschuh 361' bis 366' aufweist. 9 verdeutlicht
auch die Befestigung des Kontaktstifts 352 im Bereich des
Polschuhs 364' und
seine bevorzugte Ausrichtung relativ zur Rotorachse.
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10 zeigt
perspektivisch den Stator 300 und die daran befestigte
Leiterplatte 200. 10 zeigt
den am elektrischen Anschluss 210 befestigten Kontaktstift 352 und
die gedruckte Schaltung 600.
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11 zeigt
ein Messdiagramm 1100 einer im Betrieb des Elektromotors 100' (16)
gemessenen EMV-Abstrahlung 1125. Der Elektromotor 100' ist bis auf
die Anbindung des Statorblechpakets 350 (3)
an den auf dem Bezugspotenzial liegenden elektrischen Anschluss 210 (3)
baugleich mit dem Motor 100 von 1, so dass
auf eine eingehende Beschreibung des Motors 100' verzichtet
wird. Die Messung erfolgte mit einer Stabantenne 1610 (16),
welche auf einer Masseplatte 1620 (16) im
Abstand von etwa einem Meter vom Elektromotor 100' angeordnet
war, wie unten bei 16 beschrieben. Bei der in 11 dargestellten Messung
wurde der Elektromotor 100' mit
einer PWM-Frequenz von etwa 22,8 kHz angesteuert.
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Die
EMV-Abstrahlung 1125 ist in 11 als logarithmische
Darstellung 1110 einer in μV gemessenen Spannung pro Meter
Abstand zwischen der Stabantenne 1610 und dem Elektromotor 100' [Maßeinheit:
dBμV/m]
dargestellt. Die logarithmische Darstellung 1110 ist über der
Abstrahlfrequenz 1120 [Maßeinheit: kHz] abgebildet.
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Wie 11 zeigt,
hat die EMV-Abstrahlung 1125 einen Spitzenwert 1130 von
etwa 47 dBμV/m. Dieser
tritt bei einer Abstrahlfrequenz von etwa 160 kHz auf.
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12 zeigt
ein Messdiagramm 1200 einer EMV-Abstrahlung 1220,
welche im Betrieb des Elektromotors 100 der 1,
d. h. mit der in 3 gezeigten Anbindung des Statorblechpakets 350 an den
auf dem Bezugspotenzial liegenden elektrischen Anschluss 210,
gemessen wurde. Die Messung erfolgte wie oben bei 11 beschrieben,
wobei der Elektromotor 100 ebenfalls mit einer PWM-Frequenz von
22,8 kHz angesteuert wurde.
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Wie 12 zeigt,
hat die EMV-Abstrahlung 1220 bei dem gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung angesteuerten Elektromotor 100 einen Spitzenwert 1210 von
nur noch etwa 37 dBμV/m.
Dieser tritt wiederum bei einer Abstrahlfrequenz von etwa 160 kHz
auf.
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Der
Spitzenwert 1210 der in 12 gezeigten
EMV-Abstrahlung 1220 ist somit um etwa 10 dBμV/m niedriger
als der Spitzenwert 1130 der 11. Dies
bedeutet eine Reduzierung der EMV-Abstrahlung des Elektromotors
um einen Faktor von etwa 3,16.
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13 zeigt
ein Messdiagramm 1300 einer im Betrieb des Elektromotors 100 der 1 gemessenen
EMV-Abstrahlung 1320, wobei der Elektromotor 100 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
mit einer PWM-Frequenz von etwa 11 kHz betrieben wurde.
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Wie 13 zeigt,
hat die EMV-Abstrahlung 1320 einen Spitzenwert 1310 von
nur noch etwa 32 dBμV/m
bei einer Abstrahlfrequenz von etwa 160 kHz. Dieser ist somit um
etwa 15 dBμV/m
niedriger als der Spitzenwert 1130 der in 11 gezeigten EMV-Abstrahlung 1125.
Dies bedeutet eine Reduzierung der EMV-Abstrahlung des Elektromotors
um einen Faktor von etwa 5,62.
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14 zeigt
ein Messdiagramm 1400 einer im Betrieb des Elektromotors 100' der 16 bei
einer Betriebsspannung von 13,5 V am Statorblechpaket 350 (3)
gemessenen Spannung 1450. Die in V gemessene Spannung 1450 ist
in 14 auf der Ordinate 1410 über der
in μs auf
der Abszisse 1420 dargestellten Zeit abgebildet. Bei der
Messung wurde der Motor 100' mit
einer PWM-Frequenz von etwa 22,8 kHz angesteuert und ohne Last mit
2500 U/min betrieben.
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Wie
aus 14 ersichtlich, tritt bei einer Kommutierung 1430 des
Elektromotors 100' eine Spitzenspannung 1435 von
etwa 3 V auf. Hier tritt auch die maximale Spannungsdifferenz mit
einem Wert von etwa 8 V auf.
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15 zeigt
ein Messdiagramm 1500 einer im Betrieb des Elektromotors 100 (1)
bei einer Betriebsspannung von 13,5 V am Statorblechpaket 350 der 3 gemessenen
Spannung 1550. Zur Messung der auf der Ordinate 1410 abgebildeten Spannung 1550 wurde
der Motor 100 ebenfalls mit einer PWM-Frequenz von 22,8
kHz angesteuert und ohne Last mit 2500 U/min betrieben.
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Wie 15 zeigt,
hat die Spannung 1550 annähernd den Wert des (konstanten)
Bezugspotenzials. Die Potenzialänderungen
am Statorblechpaket 350 sind beim Motor 100 somit
faktisch kurzgeschlossen, sodass auch der Rotor 124 (1)
im Wesentlichen auf dem Bezugspotenzial liegt und keine EMV-Störung abstrahlen
kann.
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16 zeigt
eine Vorrichtung 1600 zur Messung der EMV-Abstrahlung bei
dem Motor 100',
der, wie oben beschrieben, bis auf die Anbindung des Statorblechpakets 350 an
den auf dem Bezugspotenzial liegenden elektrischen Anschluss 210 (3) auf
der Leiterplatte 200 baugleich mit dem Motor 100 der 1 ist.
Die Vorrichtung 1600 hat die Masseplatte 1620 und
die in einem vorgegebenen Abstand vom Elektromotor 100' angeordnete
Stabantenne 1610, wobei der Abstand etwa einen Meter beträgt. Die
Masseplatte 1620 ist über
eine Masseleitung 1640 mit der Leiterplatte 200 verbunden.
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Mit
der Stabantenne 1610 werden elektrische Felder detektiert,
welche vom Rotor und der Rotorwelle des Motors 100' bei dessen
Betrieb erzeugt werden und zur EMV-Abstrahlung führen. Diese elektrischen Felder
sind beispielhaft durch Feldlinien 1650 dargestellt.
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17 zeigt
die Vorrichtung 1600 bei der Messung der EMV-Abstrahlung
des Elektromotors 100 der 1. Bei diesem
wird die Erzeugung der elektrischen Felder durch die Anbindung des
Statorblechpakets 350 an den im Betrieb auf dem Bezugspotenzial
liegenden elektrischen Anschluss 210 auf der Leiterplatte 200 reduziert,
wie beispielhaft durch Feldlinien 1750 dargestellt. Somit
kann auch die EMV-Abstrahlung des Elektromotors 100 wirksam
verringert werden.
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18 zeigt
die Vorrichtung 1600 bei der Messung der EMV-Abstrahlung
des Elektromotors 100 der 17, bei
dem die Erzeugung der elektrischen Felder durch das Statorblechpaket 350 durch die
mit der Masseplatte 1620 verbundene Masseleitung 1640 reduziert
wird. Darüber
hinaus ist die Rotorwelle 124 des Motors 100,
wie bei 3 beschrieben, elektrisch leitend
mit einem Anschlusselement 1810 verbunden, das ebenfalls
auf Masse liegt. Dieses Anschlusselement 1810 ist z. B.
als Schleiffeder ausgeführt
und wie die Leitung 1640 mit der Masseplatte 1620 verbunden.
Somit kann die Erzeugung der elektrischen Felder durch das Statorblechpaket 350,
wie in 18 angedeutet, noch weiter reduziert werden.
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Naturgemäß sind im
Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfache Abwandlungen und Modifikationen
möglich.