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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Einphasenmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Motor ist aus der US-PS 34 93 831 bekannt.
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Bei einem bürstenlosen Motor der vorgenannten Art, der von einem einphasigen, in Halbwellen gleichgerichteten Strom angetrieben wird, der in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des einzelnen Positionsfühlers erzeugt wird, ergeben sich sogenannte tote Punkte, an denen das elektromagnetische Antriebsmoment auf Null abnimmt. Diese toten Punkte liegen bei Drehwinkeln (elektrischen Winkeln) von 0° und 180°, wie die Fig. 1A zeigt, bei denen der Motor nicht in der Lage ist, von selbst anzulaufen.
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Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, ist eine Motorkonstruktion nach Fig. 2 entwickelt worden, bei der der Außenumfang eines Kernes 3, der mit einer Spule 2 des Stators 1 umwickelt ist, so ausgebildet ist, daß sich zwischen dem Umfang des Kernes und einem Drehmagneten 4 ein Spalt 5 ergibt, dessen Breite sich ändert, wodurch die Verteilung der magnetischen Energie zwischen den Zentren der Magnetpole des Magneten 4 und dem Kern verändert wird, wodurch die Spitze der Kurve des magnetischen Momentes (b) um 90° gegenüber der Kurve (a) gemäß Fig. 1a verschoben wird. Wie aus Fig. 1b zu entnehmen ist, wird das Antriebsmoment, das aus dem elektromagnetischen Antriebsmoment (a) und dem magnetischen Moment (b) zusammengesetzt ist, niemals zu Null. Ein Motor, der nach diesem Prinzip arbeitet, ist in der DE-OS 30 26 797 beschrieben.
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Bei diesem Motor ist jedoch, wie oben gezeigt, der Außenumfang des Kernes 4 nicht vollkommen kreisförmig, so daß die Montagelehren für den Zusammenbau des Kerns, für die Beschichtung des Kerns mit einem isolierenden Material und zum Wickeln der Spule auf dem Kern und auch die Gießform zum Pressen des Kernes kompliziert aufgebaut sind, so daß die Herstellungskosten relativ hoch sind. Da außerdem die Größe der erzeugten magnetischen Energie von der Form des Außenumfangs des Kerns bestimmt wird, ist es notwendig, die Gestalt des Kernes zu verändern, um die Größe der magnetischen Energie einzustellen. Daher ist es unmöglich, einen einzelnen Kern für eine große Bandbreite möglicher Anwendungsfälle zu verwenden.
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Wenn man weiterhin in die Betrachtungen einbezieht, daß nur der positive Teil des magnetischen Momentes aktiv zum Antrieb des Rotors verwendet wird, da der negative Teil der Rotorbewegung entgegengewirkt und weil die Größe des negativen Teils des magnetischen Momentes im wesentlichen gleich der des positiven Teiles ist, wie aus Fig. 1A hervorgeht, geben sich starke Schwankungen im Ausgangsmoment des konventionellen Motors, wie Fig. 1B zeigt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die oben beschriebenen Nachteile, die dem bekannten bürstenlosen Einphasenmotor der eingangs genannten Art anhaften, zu beseitigen, und einen solchen Motor anzugeben, der für eine große Zahl von Einsatzfällen geeignet ist, einfacher und weniger aufwendig als der konventionelle Motor im wesentlichen gleichen Typus aufgebaut werden kann und nur geringe Drehmomentschwankungen aufweist.
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Die obengenannte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
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Die Erfindung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigt
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Fig. 1A und 1B Diagramme des Drehmomentvorlaufes eines konventionellen bürstenlosen Einphasenmotors,
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Fig. 2 einen Schnitt durch einen konventionellen bürstenlosen Einphasenmotor,
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Fig. 3 einen Schnitt durch einen bürstenlosen Einphasenmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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Fig. 4 eine vergrößerte Teildarstellung eines Poles 13 A aus Fig. 3,
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Fig. 5 und 6 vergrößerte Teildarstellungen entsprechend Fig. 4, in denen zwei unterschiedliche Gestaltungen der Statorpole gezeigt sind,
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Fig. 7A und 7B graphische Darstellungen des Verlaufs der Drehmomente T a und T b und ein zusammengesetztes Drehmoment T a +T b bei den Polen nach Fig. 5,
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Fig. 8A und 8B graphische Darstellungen des Verlaufs der Drehmomente T a und T b und eines zusammengesetzten Drehmomentes T a +T b bei einem Pol nach Fig. 6,
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Fig. 9 und 10 vergrößerte Teildarstellungen entsprechend Fig. 4 für zwei weitere unterschiedliche Gestaltungen von Statorpolen,
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Fig. 11 und 12 graphische Darstellungen der Drehmomentverläufe T a und T b und T a +T b bei den Statorpolen nach Fig. 9 und 10,
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Fig. 13 eine Querschnittsansicht eines bürstenlosen Einphasenmotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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Fig. 14 eine vergrößerte Teildarstellung eines Statorpoles 23 A von Fig. 13,
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Fig. 15 eine graphische Darstellung einer ungleichförmigen Verteilung eines magnetischen Flusses durch den Statorpol 23 A von Fig. 14 und
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Fig. 16 eine graphische Darstellung der Verteilung der Momente in den Statorpolen 23 A von Fig. 14.
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Fig. 3 zeigt einen bürstenlosen Einphasenmotor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein Rotor in Form eines Drehmagneten 10 ist beispielsweise mit vier Magnetpolen ausgestattet. Ein Stator 11 weist unterschiedliche Pole auf, die sich radial von einem Blechpaket 12 erstrecken, der mit ihnen als integrale Einheit ausgebildet ist. Der Stator ist mit beispielsweise vier Polen 13 A bis 13 D ausgerüstet, von denen jeder den gleichen vorbestimmten Luftspalt mit den Polflächen des Magneten 10 ausbildet. Da die vier Pole 13 A bis 13 D den gleichen Aufbau haben, braucht die nachfolgende Beschreibung nur am Beispiel eines einzelnen Poles 13 A gegeben zu werden.
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Wie man speziell aus Fig. 4 entnehmen kann, ist der Pol 13 A in Umfangsrichtung in zwei Sektoren 13 A&sub1; und 13 A&sub2; geteilt. Der Sektor 13 A&sub2; nimmt einen größeren Winkelbereich ein als der Sektor 13 A&sub1;. Die benachbarten Enden der Sektoren 13 A&sub1; und 13 A&sub2; sind mit dem Blechpaket 12 über Stege 14 A&sub1; und 14 A&sub2; verbunden. Die Stege 14 A&sub1; und 14 A&sub2; bilden magnetische Wege, durch die fast der gesamte magnetische Fluß von den magnetischen Polen des Magneten 10 über den Luftspalt und die Statorpole zum Blechpaket 12 gelangt. Die Dichte des magnetischen Flusses ist an jedem dieser Verbindungsstege am größten. Eine Bohrung 15 A ist an einer Stelle in den Verbindungssteg 14 A&sub2; gebohrt, die im wesentlichen in dessen Mitte liegt. Diese Maßnahme dient, wie an sich bereits aus der DE-OS 30 26 797 bekannt, der Beeinflussung der magnetischen Flußdichte. Der magnetische Weg hat dementsprechend beim Sektor 13 A&sub2; einen geringeren Querschnitt als bei Sektor 13 A&sub1; für den magnetischen Fluß. Die magnetische Flußdichte ist daher an dem Steg mit der Bohrung größer als an dem Steg ohne Bohrung. Dieses Verhältnis läßt sich wie folgt ausdrücken:
A&sub1; · t > (A&sub2; - a)t,
worin t die Blechpaketdicke an den Verbindungsstegen 14 A und 14 A&sub2; ist, A&sub1; die Breite des Steges 14 A&sub1; und A&sub2; die Breite des Verbindungssteges 14 A&sub2; und a der Durchmesser der Bohrung 15 A ist.
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Eine Spule 16 A ist um die Verbindungsstege 14 A&sub1; und 14 A&sub2; gewickelt. Ein einzelner Positionsfühler, beispielsweise ein Hall-Fühler 17 zur Bestimmung der Winkelposition des Drehmagneten 10 gegenüber dem Stator 11 kann irgendwo zwischen zwei Polen 13 A bis 13 D angebracht sein.
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Die Betriebsweise des Motors nach der ersten Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf den Pol 13 A beschrieben. Wenn ein Antriebsstrom durch die gemeinsame Spule 16 A fließt, die um die Verbindungsstege 14 A&sub1; und 14 A&sub2; gewickelt ist, dann entwickeln sich entweder anziehende oder abstoßende Kräfte zwischen dem Pol 13 A und dem gegenüberstehenden Magnetpol des Drehmagneten 10, je nach der Richtung, in welcher der Strom fließt. Diese Kraft bewirkt, daß der Rotor einschließlich des Drehmagneten 10 rotiert. Da der Verbindungssteg 14 A eine im wesentlichen mittig angeordnete Bohrung 15 A aufweist, ist sein Querschnitt kleiner, er bietet dem magnetischen Fluß daher einen geringen Querschnitt an als der Verbindungssteg 14 A&sub1;, der daher weniger gesättigt ist als der erstgenannte. Mit anderen Worten, der magnetische Fluß verläuft lieber durch den Sektor 13 A&sub1; als durch den Sektor 13 A&sub2;. Es ergibt sich daher eine ungleichmäßige Verteilung des magnetischen Flusses, d. h. ein magnetisches Ungleichgewicht im Pol 13 A in dessen Umfangsrichtung.
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Wie sich daraus für den Fachmann ergibt, resultiert hieraus der gleiche Effekt, wie bei dem Motor nach der DE-OS 30 26 797. Jedoch wohnt der Erfindung der Vorteil inne, daß verschiedene Motormomente erzielt werden können, indem man nur den Durchmesser der Bohrungen 15 A bis 15 D ändert. Weil das Motormoment proportional der Querschnittsfläche der vorhandenen magnetischen Wege ist, ist es zur Veränderung des Motormomentes bei dem bekannten Motor notwendig, beispielsweise die Anzahl der Kernbleche zu verändern oder den Luftspalt zu ändern, so daß zur Herstellung unterschiedlicher Motoren entsprechend unterschiedliche Gießformen und Montagelehren notwendig werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Motors liegt in der vereinfachten Herstellung wegen der vollständigen Kreisförmigkeit des Statorkerns mit den Polen 13 A bis 13 D.
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In den Fig. 5 und 6 sind zwei verschiedene Gestaltungen für Statorpole 13 A dargestellt, bei denen die Winkellagen R c des Verbindungssteges 14 A&sub2; im Winkelbereich R b des Sektors 13 A&sub2; unterschiedlich sind. Im Falle von Fig. 5 ist der Verbindungssteg 14 A&sub2; nahe dem Sektor 13 A&sub1; angeordnet. In diesem Falle sind die Momente T a , T b an den Sektoren 13 A&sub1; und 13 A&sub2; und das zusammengesetzte Moment (T a +T b ) in den Kurven nach den Fig. 7A und 7B dargestellt. Im Falle von Fig. 6 ist der Verbindungssteg 14 A&sub2; im wesentlichen in der Mitte des Sektors 13 A&sub2; angeordnet. Für diesen Fall zeigen die Fig. 8A und 8B die entsprechenden Momente T a und T b an den Sektoren 13 A&sub1; und 13 A&sub2; und das zusammengesetzte Moment (T a +T b ). Man erkennt aus den Fig. 7A bis 8B, daß das zusammengesetzte Moment und ihre Spitzen in dem Falle gesteigert sind, bei welchem der Verbindungssteg 14 A&sub2; nahe dem Sektor 13 A&sub1; angeordnet ist.
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In den Fig. 9 und 10 sind unterschiedliche Gestaltungen der Statorpole 13 A dargestellt, bei denen die Winkelbereiche R a und R b (oder die Umfangslängen der Sektoren 13 A&sub1; und 13 A&sub2; variiert sind. Im Falle R b >R a , wie in Fig. 9 gezeigt, beträgt die Phasendifferenz zwischen dem elektromagnetischen Antriebsmoment (a) und dem magnetischen Moment (b) im wesentlichen π/2 als elektrischer Winkel, wie Fig. 11 zeigt. Andererseits ist die Phasendifferenz im Falle R a =R b , wie in Fig. 10 gezeigt, zwischen dem elektromagnetischen Antriebsmoment (a) und dem magnetischen Moment (b) nicht π/2, wie Fig. 12 zeigt. Als Folge ergeben sich Schwankungen im zusammengesetzten Moment (c), wie in der Figur gezeigt. Versuche haben ergeben, daß für R a ∼29° und R b ∼61° sich ein Optimum ergibt, weil in diesem Falle die Phasendifferenz zwischen dem elektromagnetischen Antriebsmoment und dem magnetischen Moment π/2 beträgt.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die Bohrung 15 A im Verbindungssteg 14 A&sub2; ausgebildet, um den Querschnitt für den magnetischen Weg beim Sektor 13 A&sub2; kleiner zu machen als den beim Sektor 13 A&sub1;. Das gleiche Ergebnis kann man erzielen, indem man einen Verbindungssteg schmaler macht als den anderen. Aus Festigkeitsgründen ist jedoch die Lösung mit der Bohrung 15 A vorzuziehen.
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Ein bürstenloser Einphasenmotor nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 13 dargestellt.
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Gemäß Fig. 13 ist ein Rotor 20 mit vier Magnetpolen ausgerüstet. Ein Stator 21 weist eine Vielzahl von Polen auf, die sich radial von einem Blechpaket 22 erstrecken, mit dem sie eine integrale Einheit bilden. Der Stator ist beispielsweise mit vier Polen 23 A bis 23 D ausgebildet, die mit den entsprechenden Polflächen des Magneten 20 einen vorbestimmten Luftspalt gleichmäßiger Breite ausbilden. Da die vier Pole 23 A bis 23 D untereinander gleichen Aufbau aufweisen, braucht die nachfolgende Beschreibung nur anhand des Pols 23 A gegeben zu werden.
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Wie speziell aus Fig. 14 hervorgeht, ist der Pol 23 A in Umfangsrichtung in vier Sektoren 23 A&sub1;, 23 A&sub2;, 23 A&sub3; und 23 A&sub4; unterteilt. Die Sektoren 23 A&sub1; bis 23 A&sub4; weisen in bezug auf die Mittenachse O des Pols 23 A symmetrische Lagen auf. Die äußeren Sektoren 23 A&sub1; und 23 A&sub4; nehmen dabei größere Winkelbereiche ein als die inneren Sektoren 23 A&sub2; und 23 A&sub3;. Die entsprechenden Enden der Sektoren 23 A&sub1; bis 23 A&sub4; sind mit dem Blechpaket 22 durch Stege 24 A&sub1; bis 24 A&sub4; verbunden. Die Verbindungsstege 24 A&sub1; bis 24 A&sub4; bilden magnetische Wege, durch die fast der gesamte magnetische Fluß von den Magnetpolen des Magneten 20 über den Luftspalt in die Sektoren 23 A&sub1; bis 23 A&sub4; verläuft. Die magnetische Flußdichte ist dabei in diesen Verbindungsstegen jeweils am größten. Bohrungen 25 A&sub1;, 25 A&sub2; und 25 A&sub3; unterschiedlicher Durchmesser sind in den Mitten der Verbindungsstege 24 A&sub1;, 24 A&sub2; und 24 A&sub3; vorgesehen, so daß die entsprechenden Querschnitte der Verbindungsstege zu unerschiedlichen Maximaldichten des magnetischen Flusses führen.
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Die Querschnitte der Verbindungsstege 24 A&sub1; bis 24 A&sub4; gehorchen beispielsweise folgendem Verhältnis:
W&sub4; · t > (W&sub1; - a&sub2;)t > (W&sub2; - q&sub2;)t > (W&sub3; - a&sub3;)t ,
wobei t die Blechpaketdicke an den Verbindungsstegen 24 A&sub1; bis 24 A&sub4;, W&sub1; bis W&sub4; die Breiten der Verbindungsstege 24 A&sub1; bis 24 A&sub4; und A&sub1; bis A&sub3; die Durchmesser der Bohrungen 25 A&sub1; bis 25 A&sub3; sind. Eine Spule 26 A ist um die Verbindungsstege 24 A&sub1; bis 24 A&sub4; gewickelt. Ein einzelner Positionsfühler, beispielsweise ein Hall-Generator 27 zur Ermittlung der Winkellage des drehenden Magneten 20 gegenüber dem Stator 21 ist zwischen zwei der Pole 23 A bis 23 D angeordnet.
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Die Betriebsweise des bürstenlosen Einphasenmotors nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf den Pol 23 A erläutert. Wenn ein Antriebsstrom durch die gemeinsame Spule 26 A, die durch die Verbindungsstege 24 A&sub1; bis 24 A&sub4; gewickelt ist, fließt, dann entwickelt sich zwischen dem Pol 23 A und dem gegenüberliegenden Magnetpol des Magneten 20 eine Zug- oder Abstoßkraft, je nach Stromflußrichtung. Diese Kraft bringt den Rotor mit dem Magneten 20 in Bewegung. Da die Querschnitte an den Verbindungsstegen 24 A&sub1; bis 24 A&sub4; wegen der Bohrungen 25 A&sub1; bis 25 A&sub3; unterschiedlicher Durchmesser a&sub1; bis a&sub3; (a&sub3;>a&sub2;>a&sub1;) unterschiedliche magnetische maximale Flußdichten aufweisen, nimmt die Neigung zur magnetischen Sättigung unter den Verbindungsstegen 24 A&sub3;, 24 A&sub2;, 24 A&sub1; und 24 A&sub4; in der vorbezeichneten Reihenfolge ab. Es ergibt sich daher im Pol 23 A in dessen Umfangsrichtung eine ungleichförmige Verteilung des magnetischen Flusses, die unter den Sektoren 23 A&sub1; bis 23 A&sub4; sich abrupt ändert, wie der obere Abschnitt von Fig. 15 zeigt.
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Dementsprechend ergibt sich, wie aus Fig. 16 entnehmbar, ein magnetisches Moment (b), das positive Spitzen an den Totpunkten (0° und 180° des elektrischen Winkels) aufweist, wo das elektromagnetische Antriebsmoment (a) auf Null geht. Es resultiert hieraus ein Antriebsmoment (c), das aus dem elektromagnetischen Antriebsmoment (a) und dem magnetischen Moment (b) zusammengesetzt ist und nirgends Null wird, wie Fig. 16 zeigt. Dementsprechend ist der Motor in der Lage, aus jeder Winkelstellung seines Rotors selbsttätig anzulaufen. Da außerdem der negative Teil des magnetischen Momentes klein ist, weist der Motor nur geringe Schwankungen seines Ausgangsmoments auf.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß unterschiedliche Motormomente durch einfaches Ändern der Durchmesser der Bohrungen 25 A bis 25 D erzielbar sind. Außerdem ist von Vorteil, daß dieser Motor einfach hergestellt werden kann, da der Kern mit den Polen 23 A bis 23 D vollkommen kreisförmige Gestalt aufweist.
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Es sind zuvor Motorkonstruktionen beschrieben worden, bei denen jeder Statorpol in vier Sektoren unterteilt ist. Es kann jedoch jeder Statorpol auch in drei, fünf oder jede andere praktische Zahl von Sektoren unterteilt sein. Die Verteilung des magnetischen Flusses, wie in Fig. 15 dargestellt, wird mit größer werdender Zahl der Sektoren pro Pol gleichmäßiger, wodurch die Schwankungen im Ausgangsmoment des Motors ebenfalls geringer werden.
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Von der vorliegenden Erfindung ist ein bürstenloser Einphasenmotor angegeben worden, bei welchem der Statorkern eine vollkommen kreisförmige Gestalt aufweist, die es einfach macht, die Größe der magnetischen Energie einzustellen. Der Motor kann daher den verschiedensten Anwendungsfällen leicht angepaßt werden und ermöglicht auch eine einfachere Herstellung, was wiederum die Herstellungskosten senkt.
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Da es außerdem nicht notwendig ist, enge Fertigungstoleranzen in bezug auf den Luftspalt zwischen dem Statorkern und dem Drehmagneten einzuhalten, werden die Herstellung zusätzlich vereinfacht und deren Kosten weiter gesenkt.
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Da der negative Teil der magnetischen Drehmomentkurve verringert ist, zeigt das Ausgangsmoment des Motors nach der Erfindung eine vergleichsweise geringe Welligkeit.