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Diese
Erfindung betrifft im Allgemeinen Elektromotoren und insbesondere
einen Motor mit einem Außenrotor.
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Ein
Motor mit einem Außenrotor
oder ein "Außenläufermotor" des Typs, auf welchen
sich die vorliegende Erfindung bezieht, weist auf einer Innenoberfläche einer
schalenförmigen
Rotorglocke befestigte Permanentmagnete auf. Der Stator ist innerhalb
der Permanentmagnete auf der Rotorglocke angeordnet. Der Stator
ist so gestaltet, dass er ein Lager für die drehbare Befestigung
einer Rotorwelle aufnimmt, so dass die Welle und die Rotorglocke
als Folge der magnetischen Wechselwirkung der Permanentmagnete und
der durch die Erregung der Wicklungen des Stators erzeugten Magnetfelder
relativ zu dem Stator rotieren können.
Derzeit werden diese Motoren elektronisch kommutiert und besitzen
einen Sensor zur Detektion der Position der Magnetpole des Rotors,
um die Kommutierung des Motors zu steuern.
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Typischerweise
sind auf einen Spulenkörper eines
Außenläufermotors
nur eine oder zwei Wicklungen gewickelt. Um den von den erregten
Wicklungen erzeugten magnetischen Fluss zu führen, ist um den Spulenkörper herum
zwischen den Permanentmagneten und den Wicklungen Metall vorgesehen. An
einer Platte vorgesehene, einander gegenüberliegende Enden sind so gebogen,
so dass die umgebogenen Enden sich quer zu den Wicklungen auf diametral
gegenüberliegender
Seiten des Spulenkörpers
erstrecken können.
Die Platte besitzt auch eine zentrale Öffnung und einen sich aus der Öffnung erstreckenden
Ring, der von der zentralen Öffnung
des Spulenkörpers
aufgenommen ist. Auf axial gegenüberliegenden
Enden des Spulenkörpers
sind zwei im Wesentlichen identische Platten befestigt und im Winkel
so versetzt, dass sich ihre nach unten gebogenen Enden über unterschiedliche
Teile der Wicklungen erstrecken.
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Ein
allgemein dem Oberbegriff des Anspruches hierin entsprechender Außenläufermotor
ist in
CH 2132797A beschrieben.
Weitere Beispiele von Elektromotoren mit einem Außenrotor
sind in EP-A-0 299 512 und EP-A-0 591 724 offenbart.
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Von
den unterschiedlichen Aufgaben und Merkmalen der vorliegenden Erfindung
kann herausgegriffen werden, einen Außenläufermotor zu schaffen, welcher
leicht und kosteneffizient zu fertigen ist; die Schaffung eines
derartigen Motors, welcher eine vereinfachte Konstruktion aufweist;
die Schaffung eines solchen Motors, welcher nur eine geringe Leitungsstörung erzeugt;
die Schaffung eines solchen Motors, welcher Metallteile in einem
elektrisch isolierendem Material einschließt; die Schaffung eines solchen
Motors, welcher reduzierte Eisenverluste in dem Stator aufweist;
die Schaffung eines solchen Motors, welcher für die Betriebslebensdauer ohne
einen getrennten Vorrat an Schmiermittel innerhalb des Motors geschmiert
ist; und die Schaffung eines solchen Motors, welcher automatisch
die Rotorwelle ausrichtet.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Außenläufermotor geschaffen, mit:
einem
Rotor, der ein konkaves Element, eine Welle, die auf dem konkaven
Element befestigt ist, und eine Magneteinrichtung aufweist, die
auf der Innenoberfläche
des konkaven Elementes befestigt ist, wobei die Magneteinrichtung
von der Welle beabstandet ist und sich um den Umfang auf dem konkaven
Element um die Längsachse
der Welle herum erstreckt;
einer Lagereinrichtung, die die
Welle aufnimmt, um den Rotor drehbar zu lagern;
einer Statoranordnung,
die auf der Lagereinrichtung befestigt ist, wobei die Statoranordnung
einen Spulenkörper,
der im Wesentlichen koaxial zu der Rotorwelle befestigt ist und
einen Innendurchmesser und einen Außendurchmesser besitzt, eine
um den Spulenkörper
gewickelte und sich um die Achse der Rotorwelle erstreckende Wicklung,
wobei die Wicklung eine Breite, in einer Richtung parallel zu der
Längserstreckung
der Rotorwelle besitzt, sowie ein erstes ferromagnetisches Element
mit einem sich zwischen der Wicklung und dem Magnet erstreckenden
radial äußeren Schenkel
aufweist, wobei sich der äußere Schenkel
im Wesentlichen von einem ersten axialen Ende des Spulenkörpers zu
einem gegenüberliegenden
zweiten axialen Ende über
eine kürzere
Distanz als die Breite der Wicklung erstreckt, wobei die Statoranordnung
ferner ein zweites ferromagnetisches Element aufweist, das einen
radial äußeren Schenkel umfasst,
der sich im allgemeinen von dem zweiten Ende des Spulenkörpers zu
dem ersten Ende in einer kürzeren
Distanz als die Breite der Wicklung so erstreckt, das die Streuinduktivität zwischen
den Elementen reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten
und zweiten ferromagnetischen Elemente jeweils mehrere im Wesentlichen
C-förmige aufweisen,
die in einem das ferromagnetische Element definierenden Stapel angeordnet
sind, wobei die Bleche so orientiert sind, dass die Bleche in Ebenen
parallel zu der Längsachse
der Rotorwelle liegen.
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Die
ersten und zweiten ferromagnetischen Elemente sind ferner so angeordnet,
dass jedes von diesen asymmetrisch um eine die Längsachse der Rotorwelle einschließende Ebene
ist, wodurch die ferromagnetischen Elemente jeweils so positioniert sind,
dass ein asymmetrischer Luftspalt zwischen jedem der ferromagnetischen
Elementen und dem Rotor definiert ist, um das Starten des Motors
zu erleichtern.
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Ausführungsformen
der Erfindung werden nun im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf
die beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
perspektivische Explosionsansicht eines Außenläufermotors der vorliegenden
Erfindung ist;
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2 eine
Vorderseitenaufrissansicht einer Gehäusebefestigung des Außenläufermotors
ist;
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3 eine
Schnittansicht entlang der Linie 3-3 von 2 ist;
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4 eine
Draufsicht auf ein zum Erzeugen eines ferromagnetischen Elementes
verwendeten ersten Bleches ist;
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5 eine
Draufsicht auf ein zum Erzeugen eines ferromagnetischen Elementes
verwendeten zweiten Bleches ist;
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6 eine
Vorderseitenaufrissansicht des ferromagnetischen Elementes ist;
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7 eine
Aufrissansicht der rechten Seite des ferromagnetischen Elementes
ist;
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8 ein
vergrößerter Teilvertikalquerschnitt durch
den Motor von 3 unmittelbar rechts von dem
oberen dargestellten und nach links weisenden oberen ferromagnetischen
Element ist;
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9 eine
schematische rechte Endansicht des Motors von 3 mit
einem Lüfterrad,
einer Rotorglocke, einem Gehäuse,
einer Endkappe, einem Spulenkörper
und entfernten Wicklungen des Motors ist, um die relative Winkelposition
der ferromagnetischen Elemente in dem Motor darzustellen;
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10 eine
Draufsicht auf eine erste Endkappe ist, die dessen axiale innere
Seite mit den darin befestigten ferromagnetischen Elementen darstellt;
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11 eine
Draufsicht auf eine zweite Endkappe ist, die dessen axiale innere
Seite mit den darin befestigten ferromagnetischen Elementen darstellt;
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12 eine
Draufsicht auf die zweite Endkappe ist, die deren axiale Außenseite
darstellt;
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13 eine
Seitenaufrissansicht der ersten und zweiten Endkappen zusammengebaut
mit einem Spulenkörper
des Motors ist, und die den Abstand von radial äußeren Schenkeln benachbarter
ferromagnetischer Elemente darstellt;
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14 ein
schematischer Teilquerschnitt ist, der durch Verwenden von durch
Linien 14-14 angezeigte Schnitte durch benachbarte ferromagnetische Elemente
von 9 und Drehen der Ansichten in dieselbe Ebene erzeugt
wird, um die verrin gerte Umfangsausrichtung der radial äußeren Schenkel
der benachbarten ferromagnetischen Elemente zu veranschaulichen;
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15A bis 15C schematische
perspektivische Ansichten sind, die drei unterschiedliche Formen
und durch die entsprechenden Formen gestaltete ferromagnetische
Elemente darstellen;
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16 eine
perspektivische Ansicht eines geformten ferromagnetischen Elementes
ist;
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17 eine
Seitenaufrissansicht des geformten ferromagnetischen Elementes ist;
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18 eine
Draufsicht auf die axial innere Seite des geformten ferromagnetischen
Elementes ist;
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19 eine
Seitenaufrissansicht eines Gleitlagers ist;
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20 ein
Längsschnitt
des Gleitlagers ist;
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21 ein
Querschnitt eines Arms des Gehäuses
entlang der Linie 21-21 von 2 ist;
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22 eine
Aufrissexplosionsansicht des Motors mit einem Lüfterrad und dem Gehäuse ist, und
die den Zusammenbau des Motors darstellt;
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23 eine
vergrößerte Teilseitenaufrissansicht
des Motors ist, die die Überlappung
einer Nabe des Lüfterrads
und der zweiten Endkappe zum Verschließen des Innenraums des Motors
darstellt;
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24 eine
vergrößerte Teilquerschnittsansicht
in der Ebene, welche die Linie 24-24 von 2 enthält mit entferntem
Gehäuse
und einer aufgeschnappten gedruckten Leiterplatte entfernt von dem Rest
des Motors ist;
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25 eine
Längsquerschnittsansicht
entlang desselben Winkels wie die Schnittlinie 3-3 von 2 ist,
jedoch einen Außenläufermotor
einer zweiten Ausführungsform
mit einem selbst ausrichtenden Lagersystem darstellt;
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26 eine
Endansicht eines Lagerkerns des selbst ausrichtenden Lagersystems
ist;
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27 ein
Längsquerschnitt
des Lagerkerns ist; und
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28 ein
Längsquerschnitt
eines Außenläufermotors
einer dritten Ausführungsform
mit einem selbst ausrichtenden Lagersystem ist.
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Entsprechende
Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile durchgängig durch
die verschiedenen Ansichten der Zeichnungen. In der nachfolgenden
Beschreibung sind bestimmte von den beschriebenen Ausführungsformen,
beispielsweise die unter Bezugnahme auf die 16 bis 18 und 25 und 28 beschriebenen
keine Ausführungsformen
der Erfindung, sind aber Beispiele, welche für das Verständnis der Aspekte der Erfindung nützlich sind.
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In
den Zeichnungen, und insbesondere in den 1 bis 3 ist
ein gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung aufgebauter Außenläufermotor mit einem Rotor,
der insgesamt mit 30 bezeichnet ist, mit einer Glocke 32 (allgemein "konkaves Element"), einer Welle 34,
die auf der Innenseite der Glocke befestigt ist, und einem Permanentmagnetstreifen 36 mit
vier Polpaaren, die sich um den Umfang herum an der Innenseite der
Glocke erstrecken, dargestellt. Die Welle 34 wird durch
ein Gleitlager 38 hindurchgeführt aufgenommen, welches an
seiner Außenseite
erste und zweite Endkappen (insgesamt bei 40 bzw. 42 dargestellt)
trägt.
Die erste Endkappe besitzt vier insgesamt bei 44 dargestellte
ferromagnetische Elemente, und die zweite Endkappe besitzt vier
insgesamt bei 46 dargestellte ferromagnetische Elemente.
Die ferromagnetischen Elemente sind im Allgemeinen C-förmig und
in Abständen
von 90° um den
Umfang der ersten und zweiten Endkappen 40, 42 herum
angeordnet. Die Anordnung der ferromagnetischen Elemente 44, 46 in
beabstandeten Teilpositionen kann als eine "aufgeteilte C"-Anordnung
bezeichnet werden. Es kann eine größere oder kleinere Anzahl von
ferromagnetischen Elementen 44, 46 abhängig von
der für
den Motor gewünschten
Anzahl der Magnetpole vorliegen. Ein achtpoliger Motor ist in einer
bevorzugten Ausführungsform
insbesondere zur Verwendung als ein Verdampferlüfterrad dargestellt.
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Ein
Spulenkörper 48 enthält zwei
Wicklungen (zusammengenommen durch das Bezugszeichen 50 bezeichnet),
die auf den Spulenkörper
gewickelt sind und sich um die Achse der Rotorwelle 34 in einer
Spule erstrecken. Die Wicklungen 50 sind in 1 nicht
dargestellt, so dass man den Aufbau des Spulenkörpers 48 sehen kann.
Es kann nur eine einzige Wicklung oder mehr als zwei Wicklungen
verwendet werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung
abzuweichen. Die Wicklungen 50 besitzen eine Breite W in
einer Richtung parallel zu der Achse der Rotorwelle 34,
welche im Wesentlichen gleich der axialen Abmessung des Spulenkörpers 48 zwischen
gegenüberliegenden
Endflanschen 52 (siehe 22) ist.
In bevorzugten Ausführungsformen
wird der Motor elektronisch kommutiert und besitzt eine gedruckte
Leiterplatte (54), die auf der zweiten Endkappe 42 zur
Steuerung der Erregung der Wicklungen 50 befestigt ist.
Die auf der Leiterplatte 54 befestigten Steuerelemente
sind in den Zeichnungen zur Vereinfachung nicht dargestellt. Als
ein Beispiel und keineswegs als Einschränkung kann die Steuerschaltung
eine CAPAZITIVELY POWERED MOTOR AND CONSTANT SPEED CONTROL sein,
wie sie in der gleichzeitig erteilten, gleichzeitig anhängigen Europäischen Patentanmeldung
Nr. 97309812.2 (EP-A-0 847 133) beschrieben ist, sein. Wie es vollständiger nachstehend
beschrieben wird, ist der Motor mit einem Lüfterrad versehen und auf einem
insgesamt mit den Bezugszeichen 56 bzw. 58 bezeichneten
Gehäuse
zur Verwendung als ein Verdampfer oder Kondensatorlüfterrad
montiert. Der Motor kann in anderen Anwendungen ohne Abweichung
von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
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Die
ferromagnetischen Elemente 44, 46 der vorliegenden
Erfindung werden aus Metallplatten ausgestanzten und übereinander
gestapelten Stapelblechen hergestellt. In der bevorzugten Ausführungsform
werden die ferromagnetischen Elemente 44, 46 aus
ersten Blechen 60 (4) und zweiten
Blechen 62 (5) hergestellt, welche im Allgemeinen
C-förmig
sind. Die ersten und zweiten Bleche 60, 62 sind so
gestaltet und in dem das ferromagnetische Element (z.B. das in den 6 und 7 dargestellte ferromagnetische
Element 44) bildenden Stapel angeordnet, das sie das Starten
des Motors in der gewünschten
Richtung erleichtern, und die Magnetflussführung maximieren während sie
gleichzeitig Eisenverluste und Induktivität zwi schen um den Umfang herum
benachbarten ferromagnetischen Elementen 44, 46 minimieren.
Gemäß Darstellung
in 4 weist das erste Blech 60 einen inneren
Schenkel 64 mit einer Breite W1 und einen dünneren äußeren Schenkel 66 (Breite
W2) auf, welcher an seinem freien Ende abgeschrägt ist. Die Bezüge auf "innen" und "außen" erfolgen in Hinblick
auf die relativen radialen Lagen der Teile der ferromagnetischen
Elemente 44, 46 in dem zusammengebauten Motor
in Bezug auf die Längsachse
der Rotorwelle 34. Der äußere Schenkel 66 ist
länger
als der innere Schenkel 64. In 5 ist der
zweite Schenkel 62 mit einem inneren Schenkel 68 und
einem äußeren Schenkel 70 dargestellt,
welcher an seinem freien Ende abgeschrägt ist. Der innere Schenkel 68 ist
etwas länger als
der äußere Schenkel,
und hat dieselbe Länge
wie der innere Schenkel 64 des ersten Bleches 60.
Jedoch ist die Breite W3 des inneren Schenkels 68 des zweiten
Bleches 62 wesentlich kleiner als die Breite des inneren
Schenkels 64 des ersten Bleches 60. Ebenso ist
die Breite W4 des äußeren Schenkels 70 des
zweiten Bleches 62 kleiner als die Breite W2 des äußeren Schenkels
des ersten Bleches 60. Die ersten und zweiten Bleche 60, 62 haben
im Wesentlichen dieselbe Dicke. Somit kann man sehen, dass die ersten
Bleche 60 mehr Metall für
die Führung
von zusätzlichem
Fluss zwischen den Wicklungen 50 und dem Permanentmagnetstreifen 36 enthalten.
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Eines
von den durch Stapelung der ersten und zweiten Bleche 60, 62 erzeugten
ferromagnetischen Elementen 44 ist in den 6 und 7 dargestellt.
In der bevorzugten Ausführungsform
zeigen alle ferromagnetischen Elemente 44, 46 mit
Ausnahme eines (mit 46' bezeichneten)
im Wesentlichen denselben Aufbau. Die ersten und zweiten Bleche sind
so gestapelt, dass die ersten Bleche 60 in einem zentralen
Abschnitt des ferro magnetischen Elementes 44 angeordnet
sind und die zweiten Bleche 62 in Seitenabschnitten auf
gegenüberliegenden
Seiten des zentralen Abschnittes angeordnet sind. Das ferromagnetische
Element 44 wird asymmetrisch gemacht, indem mehr von den
zweiten Blechen 62 auf einer Seite des zentralen Abschnittes
(z.B. auf der linken Seite des zentralen Abschnittes des ferromagnetischen
Elementes 44, wie in 7 zu sehen)
als auf die andere Seite gestapelt wird. Die Asymmetrie des ferromagnetischen
Elementes 44 bewirkt, dass der Rotor so stoppt, dass die
Pole des Permanentmagnetstreifens 36 auf der Rotorglocke 32 nicht
in der Mitte zwischen benachbarten Polen des Stators positioniert
sind.
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Gemäß Darstellung
in 6 sind die äußeren Schenkel 66 der
ersten Bleche 60 im Wesentlichen zu den äußeren Schenkeln 70 der
zweiten Bleche 62 ausgerichtet, um einen äußeren Schenkel 72 des
ferromagnetischen Elementes 44 zu erzeugen. Die inneren
Schenkel 64 der ersten Bleche 60 sind im Wesentlichen
zu den inneren Schenkeln 68 der zweiten Bleche 62 ausgerichtet,
um einen inneren Schenkel 74 des ferromagnetischen Elementes 44 zu
erzeugen. Die ersten und zweiten Bleche 60, 62 sind
in dem Stapel aneinander in einer geeigneten Weise wie z.B. durch
Schweißen
befestigt. Andere Verfahren zur Befestigung der Bleche aneinander,
welche vorstellbar sind, umfassen die Erzeugung von (nicht dargestellten)
Verriegelungseinrichtungen auf den Blechen, welche die Bleche in
dem Stapel miteinander verbinden.
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In
dem zusammengebauten Motor nehmen die ferromagnetischen Elemente 44, 46 Abschnitte der
Wicklungen 50 zwischen deren äußeren und inneren Schenkel 72, 74 auf.
Die C-Form der ferromagnetischen Elemente 44, 46 folgt
einem Segment der Flusswege für
die durch die Wicklungen 50 erzeugten Magnetfelder. Wie
man in 3 sehen kann, erstrecken sich die zentralen Abschnitte
der äußeren Schenkel 72 der
ferromagnetischen Elemente 44, 46 zwischen dem
Permanentmagneten und den Wicklungen 50. Die äußeren Schenkel 72 der
auf der ersten Endkappe 40 montierten ferromagnetischen
Elemente 44 erstrecken sich in der entgegengesetzten axialen
Richtung zu den äußeren Schenkeln
der ferromagnetischen Elemente 46 auf der zweiten Endkappe 42.
Der zentrale Abschnitt des äußeren Schenkels 72 jedes
ferromagnetischen Elementes 44, 46 erstreckt sich
weiter als die Seitenabschnitte aus dem einen axialen Ende des Spulenkörpers 48 zu
dem gegenüberliegenden
Ende. Der zentrale Abschnitt des äußeren Schenkels 72 erstreckt
sich axial im Wesentlichen über
die volle Breite des auf der Rotorglocke 32 montieren Permanentmagneten
hinweg, erstreckt sich aber nicht über die volle Breite W der Wicklungen 50.
Es ist jedoch vorstellbar, dass der zentrale Abschnitt des äußeren Schenkels 72 so
ausgeführt
werden könnte,
dass er sich über
die volle Breite W der Wicklungen 50 erstreckt, oder sich über das
gegenüberliegende
Ende des Spulenkörpers 48 hinaus
erstreckt. Derartige Konstruktionen würden immer noch in den Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung fallen.
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Gemäß Darstellung
in 8 ermöglicht
die Differenz in den Breiten W1, W3 zwischen den inneren Schenkeln 64, 68 der
ersten Bleche 60 und zweiten Bleche 62 den ferromagnetischen
Elementen 44, 46 sich in etwa der runden Form
des Innendurchmessers des Spulenkörpers 48 unter Verwendung
von nur zwei Arten von Blechen anzunähern. Ebenso ermöglicht die
Differenz in den Breiten W2, W4 zwischen den äußeren Schenkeln 64, 68 der
ersten Bleche 60 und zweiten Bleche 62 den ferromagneti schen
Elementen 44, 46 sich in etwa der runden Form
des Innendurchmessers der Rotorglocke 32 anzunähern. Die
einzelnen Bleche 60, 62 der ferromagnetischen
Elemente 44, 46 sind in 8 und den anderen
Figuren zur Verdeutlichung der Zeichnungen nicht dargestellt. Der
zentrale Abschnitt des äußeren Schenkels 72 des
in 8 dargestellten ferromagnetischen Elementes 46 ragt
radial aus den Seitenabschnitten aufgrund der größeren Breite W2 der äußeren Schenkel 66 der
ersten Bleche 60 hervor. Die stufenförmige Konfiguration des äußeren Schenkels 72 reduziert
den Luftspalt zwischen dem Permanentmagnetstreifen 36 und
dem ferromagnetischen Element 46 in dem zentralen Abschnitt
des ferromagnetischen Elementes. Wenn die äußeren Schenkel 66, 70 der
Bleche 60, 62 alle dieselbe Breite hätten und
zueinander ausgerichtet gestapelt wären, wäre der Luftspalt in dem Zentrum
des ferromagnetischen Elementes 46 wesentlich größer als
an den (nicht dargestellten) Seitenabschnitten. Ferner ist die Breite W4
der äußeren Schenkel 70 der
zweiten Bleche 62 eingeschränkt, da diese nicht den Permanentmagnetstreifen 36 berühren dürfen.
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In
der gleichen Weise ermöglicht
die stufenförmige
Konfiguration des inneren Schenkels 74 des ferromagnetischen
Elementes 46 dem inneren Schenkel angenähert mit der Krümmung des
Innendurchmessers des Spulenkörpers 48 übereinzustimmen.
Die größere Breite
des zentralen Abschnittes des inneren Schenkels 74 positioniert
das Metall des inneren Schenkels dort, wo der meiste Platz auf dem Innendurchmesser
des Spulenkörpers 48 vorhanden ist.
Die geringere Breite der Seitenabschnitte des inneren Schenkels
stellt auch Raum für
das benachbarte ferromagnetische Element 46 bereit. Wie
man in den 8, 10 und 11 sehen
kann, stoßen die
ferromagnetischen Elemente 44, 46 an den Enden
ihrer inneren Schenkel 74 anein ander an. Breitere innere
Schenkel 74 würden
nicht in die existierenden Anordnungen der ferromagnetischen Elemente 44, 46 passen.
Durch Anpassen der Form des inneren Schenkels 74 an die
Krümmung
des Spulenkörpers 48 kann
der Innendurchmesser des Spulenkörpers
kleiner gemacht werden. Je kleiner der Innendurchmesser des Spulenkörpers 48 ist,
desto mehr Draht kann in den Wicklungen 50 enthalten sein.
Das Vorhandensein von zusätzlichem
Metall in dem zentralen Abschnitt ermöglicht es dem ferromagnetischen
Element 46 eine ausreichende Flusstransportkapazität auf seinen
inneren Schenkeln 74 aufzuweisen.
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Die
Orientierung der ersten und zweiten Bleche 60, 62 in
dem die ferromagnetischen Elemente 40, 46 bildenden
Stapel trägt
zur Reduktion der zum Teil durch die Wirbelströme innerhalb der elektromagnetischen
Elemente bewirkten Eisenverluste bei. Die Magnetfelder neigen zur
Induktion elektrischer Wirbelströme
innerhalb der ferromagnetischen Elemente 44, 46 entlang
deren Längsverlauf.
Die ersten und zweiten Bleche 60, 62 sind in Ebenen
parallel zu der Längsachse
der Rotorwelle 34 und senkrecht zur Richtung der Wirbelströme ausgerichtet.
Somit müssen
die Wirbelströme
von Blech zu Blech fließen.
Jedes Blech 60, 62 ist mit einer Oxidschicht versehen, die
einen Widerstand gegen den Durchtritt des Stroms von einem Blech
zu dem Nächsten
erzeugt. Im Gegensatz dazu liegt jedes Blech 60, 62 in
den ferromagnetischen Elementen 44, 46 in einer
Ebene, welche parallel zu den Flusspfaden der durch die Wicklungen 50 erzeugten
Magnetfelder ist. Dadurch erleichtern die ferromagnetischen Elemente 44, 46 den
Magnetfluss, während
sie gleichzeitig Wirbelströme
behindern.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird die erste Endkappe 40 aus einem Polymermaterial hergestellt,
und durch Spitzformung um vier ferromagnetische Elemente 44 herum
hergestellt. Die erste Endkappe 40 besitzt einen zentralen
rohrförmigen
Abschnitt 78, welcher ein Ende des Gleitlagers 38 aufnimmt.
Gemäß Darstellung
in 10 sind die vier ferromagnetischen Elemente 44 um
den zentralen rohrartigen Abschnitt mit den zentralen Abschnitten der
inneren Schenkel 74 der ferromagnetischen Elemente in entsprechenden
Aussparungen 80 angeordnet, aufgenommen. Die Aussparungen 80 sind nicht
symmetrisch um die erste Endkappe 40 herum angeordnet.
Jede Aussparung 80 ist zu einer Seite einer radialen Linie
(z.B. der radialen Linie R1) verschoben, die sich von dem Zentrum
der ersten Endkappe 40 aus und senkrecht durch die Aussparung verlaufend
erstreckt. Demzufolge sind die ferromagnetischen Elemente 44 auf
der ersten Endkappe 40 nicht symmetrisch um jede radiale
Linie angeordnet, die sich von dem Zentrum der Kappe aus erstreckt.
In dem Motor zusammengebaut sind die ferromagnetischen Elemente 44 asymmetrisch
um jede Ebene, welche die Längsachse
der Rotorwelle 34 enthält. Demzufolge
ist der Luftspalt zwischen den äußeren Schenkeln 72 der
ferromagnetischen Elemente 44 auf der ersten Endkappe 40 und
dem Permanentmagnetstreifen 36 asymmetrisch. Demzufolge
wird ein Haftdrehmoment in der Richtung erzeugt, in welche sich
der Rotor 30 drehen soll.
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Die
zweite Endkappe 42 wird ebenfalls aus einem Polymermaterial
hergestellt, welches um weitere vier von den ferromagnetischen Elementen 46 herum
spritzgeformt wird. Die zweite Endkappe 42 enthält einen
zentralen rohrförmigen
Abschnitt 82, welcher das gegenüberliegende Ende des Gleitlagers 38 für die Befestigung
der zweiten Endkappe auf dem Gleitlager auf nimmt. Gemäß Darstellung
in 4 sind die vier ferromagnetischen Elemente 46 um
den zentralen rohrförmigen
Abschnitt herum mit den zentralen Abschnitten der inneren Schenkel 74 der
ferromagnetischen Elemente in entsprechenden Aussparungen 84 aufgenommen,
angeordnet. Die Aussparungen sind asymmetrisch um die zweite Endkappe 42 in
derselben Weise und aus denselben Gründen wie die Aussparungen der
ersten Endkappe 40 angeordnet. Es sei angemerkt, dass eines
von den ferromagnetischen Elementen 46' keine zweiten Bleche 62 auf
einer Seite des zentralen Abschnittes hat. Das Fehlen dieser Bleche
stellt einen Raum für eine
Tasche 86 bereit, die als ein Teil mit der zweiten Endkappe 42 ausgebildet
ist, welche einen Rotorpositionssensor wie z.B. eine Hall-Element-Einheit 88 (22)
zur Detektion der Position des Rotors 30 enthält.
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Die
Anordnung aller acht ferromagnetischen Elemente 44, 46,
wie sie in einer rechten Endansicht des Motors zu sehen ist, ist
schematisch in 9 dargestellt. Die auf der ersten
Endkappe 40 montierten ferromagnetischen Elemente 44 sind
um 45° gegenüber den
ferromagnetischen Elementen 46 auf der zweiten Endkappe 42 verschoben.
Jedoch befinden sich Abschnitte der ferromagnetischen Elemente 44 auf
der ersten Endkappe 40 in axialer Ausrichtung zu den ferromagnetischen
Elementen 46, die auf der zweiten Endkappe 42 montiert
sind (d.h., scheinen sich aus der Sicht in Darstellung in 9 zu überlappen).
Die einzige Überlappung
tritt zwischen den Außenschenkeln 72 mit
den kürzeren
Seitenabschnitten der ferromagnetischen Elemente 44, 46 (ausgebildet durch äußere Schenkel 70 der
zweiten Bleche 62) und auch zwischen den inneren Schenkeln 74 der ferromagnetischen
Elemente auf. Die Seitenabschnitte der äußeren Schenkel 72 der
ferromagnetischen Elemente 44, 46 erstrecken sich
weniger als über
die Hälfte
quer zu der Breite W der Wicklungen 50, und die inneren
Schenkel 74 erstrecken sich nur etwa die Hälfte über die
Breite der Wicklungen, so dass keine Überschneidung zwischen den überlappenden
Abschnitten der ferromagnetischen Elemente vorliegt. Die inneren
Schenkel 74 der ferromagnetischen Elemente 44 auf
der ersten Endkappe 40 berühren bevorzugt oder sind in
eng Abstand zu den überlappenden
inneren Schenkeln der ferromagnetischen Elemente 46 auf
der zweiten Endkappe angeordnet, um die Flusslinien durch das Zentrum
des Spulenkörpers 48 zu
führen.
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Gemäß Darstellung
in 13 sind die äußeren Schenkel 72 benachbarter
ferromagnetischer Elemente 44, 46 auf den ersten
bzw. zweiten Endkappen 40, 42 axial über eine
Distanz D voneinander beabstandet. Der Abstand wird durch die kürzeren Außenschenkel 70 der
zweiten Bleche 62 bereitgestellt, die die Seitenabschnitte
der ferromagnetischen Elemente 44, 46 bilden.
Der Abstand erzeugt einen Luftspalt, welcher einen Streufluss zwischen
benachbarten ferromagnetischen Elementen 44, 46 verhindert.
Die zentralen Abschnitte der äußeren Schenkel der
ferromagnetischen Elemente 44, 46 befinden sich
in einer Teilausrichtung. Die Ausrichtung neigt dazu, eine Induktivität zwischen
den ausgerichteten Abschnitten der ferromagnetischen Elemente 44, 46 zu
erzeugen, was einen Streufluss bewirkt, der nachteilig das Verhalten
des Motors beeinflusst. Um die Ausrichtung zu minimieren, sind die äußeren Schenkel
in der Nähe
ihrer breiten Enden abgeschrägt.
Die Abschrägung
ist bevorzugt, jedoch nicht notwendigerweise geradlinig, so dass
sie der linearen Abnahme in der Flussdichte quer zu der Breite des
Permanentmagnetstreifens 36 zu dem freien Ende des äußeren Schenkels 72 entspricht.
Um die Reduzierung in der Ausrichtung darzustellen, dreht die 14 Querschnitte
durch benachbarte ferromagnetische Elemente 44, 46 in 9 in
dieselbe Ebene. Jedoch ist die tatsächliche Ausrichtung von Bedeutung,
die Oberflächenbereichsausrichtung,
welche magnetische Kopplung erzeugt. Somit ist die tatsächliche Ausrichtung,
welche die magnetische Kopplung benachbarter Pole erzeugt, geringer
als in 14 dargestellt. Trotzdem stellt 14 genau
dar, dass die Oberflächenbereichsüberlappung
der äußeren Schenkel 72 der
benachbarten ferromagnetischen Elemente 44, 46 durch
Abschrägen
der freien Enden der äußeren Schenkel
verringert wird. Die zentralen Abschnitte der äußeren Schenkel 72 erstrecken
sich über
die volle Breite des Permanentmagnetstreifens 36 auf der
Rotorglocke 32, um Metall für den Transport des Flusses
bereitzustellen, minimieren jedoch die Ausrichtung der ferromagnetischen
Elemente 44, 46, welche magnetische Kopplung erzeugen,
und somit einen Streufluss zwischen benachbarten ferromagnetischen
Elementen.
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Alternative
ferromagnetische Elemente, welche vollständig aus Blechen derselben
Größe und Form
ausgebildet sind, sind in den 15A–15B dargestellt und insgesamt mit 144A, 144B bzw. 144C bezeichnet.
Die ferromagnetischen Elemente 144A–144B werden unter
Verwendung von Bezugszeichen beschrieben, welche dieselben wie die
für die
ferromagnetischen Elemente 44, 46 plus 100 sind.
Die ferromagnetischen Elemente sind zur Minimierung der Luftspalte
und/oder zum Erzeugen des gewünschten
Haftdrehmomentes zum Starten des Motors geformt. Wie die vorstehend
beschriebenen ferromagnetischen Elemente 44, 46 sind
die äußeren Schenkel 172a–172c so
bemessen, dass sie sich von einem Ende des Spulenkörpers über Wicklungen
auf dem Spulenkörper über eine Distanz
weniger als die volle Breite der Wicklungen erstrecken. Der Spulenkörper und die
Wicklungen sind nicht dargestellt, ähneln aber im Wesentlichen dem
Spulenkörper 48 und
der Wicklung 50. Jedoch erstrecken sich die äußeren Schenkel 172a–172c im Wesentlichen
nicht über
die volle Breite des Permanentmagnetstreifens. Die das ferromagnetische
Element 144A bildenden Bleche sind gestapelt, jedoch nicht
von Anfang an aneinander befestigt. Der nicht verbundene Blechstapel
wird in ein (nicht dargestelltes) Formwerkzeug eingelegt, welcher
den Stapel gegen eine Form 173a presst, welcher die Form
von zwei verschobenen Abschnitten besitzt. Ein Kontakt mit der Form
bewirkt, dass sich die Bleche relativ zueinander in dem Stapel in
Richtungen parallel zu den Ebenen der Bleche verschieben. Der radial äußere Schenkel
des durch den Stapel ausgebildeten ferromagnetischen Elementes hat
somit die verschobene Gestalt mit der Form 173a, welche
den Luftspalt asymmetrisch macht und das Erzeugen des gewünschten
Haftdrehmomentes erleichtert. Die Bleche werden dann in fixierten
Positionen aneinander befestigt, um das ferromagnetische Element 144a zu erzeugen.
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Den
Blechen in einem Stapel kann alternativ eine Rautenform des ferromagnetischen
Elementes 144B gegeben werden, indem sie gegen die in 15B dargestellte Form 173B gedrückt werden. Die
Anwinkelung des Stapels erleichtert das Starten des Motors, stimmt
aber nicht genau mit der Krümmung
der Rotorglocke 32 und einem Innendurchmesser des Spulenkörpers überein.
Die Form 173C formt den Stapel so, dass sie das ferromagnetische Element
(144C) mit der Gestalt eines gekrümmten Segmentes (15C) erzeugt. Die Krümmung des äußeren Schenkels 172C des
ferromagnetischen Elementes 144C stimmt genau mit der Krümmung der
Rotorglocke 132 und des Permanentmagnetstreifens 36 überein,
um den Luftspalt zu minimieren. Der in nere Schenkel 174C des
ferromagnetischen Elementes 144C stimmt ebenfalls mit der
Krümmung des
Innendurchmessers des Spulenkörpers überein, was
es ermöglicht,
den Innendurchmesser des Spulenkörpers
etwas zu reduzieren. Um die gewünschten
Haftdrehmomente zu erzeugen, kann das ferromagnetische Element 144C auf
einer (nicht dargestellten) Endkappe in einer radial verschobenen
Weise wie es für
die ferromagnetischen Elemente 44, 46 gemacht
wurde, montiert werden. Der Stapel identischer Bleche kann anders
wie hierin beschrieben geformt werden, ohne von dem Schutzumfang
der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Die
geformten ferromagnetischen Elemente 144A–144C sind
von Ende zu Ende kürzer
als die ferromagnetischen Elemente 44, 46, die
durch die ersten und zweiten Bleche 60, 62 mit
verschiedenen Größen erzeugt
werden, um physikalische Überschneidungen
und einen Streufluss mit benachbarten ferromagnetischen Elementen
zu vermeiden. Wo der Winkelumfang der ferromagnetischen Elemente 44, 46 etwa
45° mechanisch
(180° elektrisch)
in einem achtpoligen Motor ist, wäre der Umfang der ferromagnetischen
Elemente 144A–144C angenähert 30° mechanisch
(120° elektrisch)
in demselben achtpoligen Motor.
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In
einer weiteren Version der in den 16–18 dargestellten
ferromagnetischen Elemente, welche keine Ausführungsform der Erfindung ist,
sondern nur ein Beispiel, welches für das Verständnis eines Aspektes der Erfindung
ist, sind die ferromagnetischen Elemente als ein einteiliges Statorjoch 144D aus
pulverförmigen
ferromagnetischen Material mit einem Binder druckgeformt. Anstelle
von vier getrennten ferromagnetischen Elementen besitzt das Statorjoch 144D einen
einzigen, einteiligen inneren Ring 174D und vier im Winkel beabstandete äußere Schenkel 172d,
welche sich in dem (nicht dargestellten) zusammengebauten Motor
von einem Ende des Spulenkörpers über die
den Wicklungen über
eine kleine Distanz als die volle Breite der Wicklungen erstrecken.
Die äußeren Schenkel 172d können sich über die
volle Breite der Wicklungen und darüber hinaus erstrecken, ohne
von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Der Spulenkörper und
die Wicklungen sind nicht dargestellt, wären aber im Wesentlichen dieselben
wie der Spulenkörper 48 und
die Wicklungen 50. Die äußeren Schenkel 172D sind
bevorzugt ausreichend lang, um sich über die volle Breite des Permanentmagnetstreifens 36 auf
der Rotorglocke 32 zu erstrecken. Wie es am besten in 18 zu
sehen ist, sind die äußeren Schenkel 172D gekrümmt gestaltet,
so dass sie der gekrümmten
Form der Rotorglocke 32 und des Magnetstreifens 36 zur
Minimierung des Luftspaltes entsprechen. Ein (in Strichlinien dargestelltes)
identisches Statorjoch 144D ist auf dem gegenüberliegenden
Ende des Spulenkörpers
in einer im Winkel verschobenen Orientierung so angeordnet, dass
die äußeren Schenkel 172D jedes
Statorjoches zwischen den äußeren Schenkeln
des anderen Statorjoches angeordnet sind. Die relativen Positionen
der äußeren Schenkel 172d der
zwei Statorjoche 144D sind so, wie sie auf dem Spulenkörper in
dem Motor positioniert wären,
in 18 dargestellt. Der Spulenkörper und die Wicklungen sind
zur Verdeutlichung nicht dargestellt. Um das Starten des Motors
in der richtigen Richtung zu erleichtern, können die äußeren Schenkel (nicht dargestellt)
asymmetrisch beispielsweise durch Fräsen einer Einkerbung in die äußeren Schenkel
oder durch Veränderung
des Krümmungsradius
des äußeren Schenkels
gestaltet sein. Der innere Ring 174D auf jedem Statorjoch 144D erstreckt
sich in die zentrale Öffnung
des Spulenkörpers über die
halbe axiale Abmessung der Spulenkörperöffnung.
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Die
Statoranordnung der bevorzugten Ausführungsform umfasst den Spulenkörper 48,
die auf dem Spulenkörper
getragenen Wicklungen 50, die ersten und zweiten Endkappen 40, 42 und
auf den Endkappen montierte ferromagnetische Elemente 44, 46.
Gemäß Darstellung
in 2 ist das Gleitlager 38 vollständig in
dem zentralen rohrartigen Abschnitt 78, 82 der
ersten und zweiten Endkappen 40, 42 aufgenommen.
Die Rotorwelle 34 ist durch das Gleitlager 38 hindurchführend aufgenommen,
wobei ein erheblicher Anteil der in der Rotorglocke 32 Statoranordnung
aufgenommen ist. Die Rotorwelle 34 ist auf der Rotorglocke 32 durch
Einsatzgießen
unter Verwendung eines Zinkmaterials befestigt. Das Zink um die
Welle 34 herum ist zu einem Abstandshalter 90 ausgebildet,
um betrieblich an dem Lager 38 anzuliegen, um die Rotorglocke 32 axial
von dem Lager und der Statoranordnung auf Abstand zu halten. Eine Mylar-Scheibe 92 ist
zwischen dem Abstandshalter 90 und dem Lager 38 angeordnet,
um die Reibung zwischen dem Abstandshalter und dem Lager zu reduzieren.
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Das
Lager 38 ist mit einem Schmiermittel imprägniert und
ausreichend groß bemessen,
so dass das Lager über
die gesamte Lebensdauer des Motors selbstschmierend ist. Gemäß 19 und 20 ist
das Lager 38 bevorzugt aus einem Pulvermetall so geformt,
dass es ein zentrales Längsdurchtrittsloch
mit einem kleineren Durchmesser in den Endbereichen 94 als
in einem mittleren Bereich 96 aufweist. Die Rotorwelle 34 berührt das
Gleitlager 38 und wird davon nur in den kleinere Durchmesser
aufweisenden Endbereichen 94 des Lagers gelagert. Die zwei
beabstandeten Berührungsstellen
stellen eine solide Befestigung für die Rotorwelle 34 bereit, während sie
gleichzeitig den Flächeneingriff
der Gesamtoberflächen
zwischen der Welle und dem Lager 38 minimieren.
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Eine
bevorzugte Anwendung für
den Außenläufermotor
der vorliegenden Erfindung ist der Antrieb des Lüfterrads 56. Gemäß Darstellung
in den 2 und 3 sitzt eine schalenförmige Nabe 98 des
Lüfterrades 56 über der
Rotorglocke 32 und ist in einem Stück mit den Lüfterradlaufschaufeln 100 ausgeführt. Nur
zwei Lüfterradlaufschaufeln 100 sind
in 2 dargestellt, während der Rest zur Verdeutlichung
der Zeichnung weggelassen ist. Die zweite Endkappe 42 befestigt
den Motor und das Lüfterrad 56 auf
dem Gehäuse 58.
Das Gehäuse
enthält
einen äußeren Rand 102,
eine zentrale Schale 104 (allgemein "zentrales Element") und vier Speichen 106, die sich
zwischen der Schale und dem Rand erstrecken und diese verbinden.
Der zusammengebaute Motor ist mit vier Befestigungslaschen 108 verbunden,
die radial aus dem Umfang der Schale 104 hervorstehen. Die
Verbindung des Motors mit dem Gehäuse 58 wird nachstehend
vollständiger
beschrieben. Die Laschen 108 sind jeweils durch ein Paar
von integriert mit den Laschen und der Schale 104 ausgebildeten
Versteifungen verstärkt.
Der äußere Rand 102 des
Gehäuses 58 weist
drei Schlitze 112 zum Aufnehmen von (nicht dargestellten)
Befestigungselementen zum Befestigen des Gehäuses an einer geeigneten Befestigungsoberfläche, wie
z.B. einem Kanal, auf. Somit kann man sehen, dass das Gehäuse 58 die
einzige Einrichtung für
die Lagerung des Motors bereitstellt.
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Die
Speichen 106 sind so ausgebildet, dass sie den Motor und
das Lüfterrad 56 stark
gegenüber einer
Nick- und Gierbewegung halten, jedoch eine bestimmte kleine, gedämpfte Rollbewegung
zulassen. Gemäß 21 sind
die Speichen 106 im Allgemeinen im Querschnitt T-förmig. Das "T" weist einen Schenkel 106A auf,
welcher Material bereitstellt, um der Biegung der Speichen 106 um
Achsen senkrecht zu der Längsachse
der Rotorwelle 34 zu widerstehen. Ein weiterer Schenkel 106B des "T" ist gekrümmt und stellt einen geringeren
Biegewiderstand der Speiche 106 um Achsen parallel zu der
Achse der Rotorwelle 34 bereit. Jedoch ist ein gewisser
kleiner Betrag einer Rollbewegung (d.h. einer Schwenkbewegung um
die Rotorwellenachse) zulässig,
welche durch das Material der Speichen 106 gedämpft wird.
Somit werden die normalen Haftdrehmomente aus dem Motor durch die
Speichen 106 absorbiert, was es ermöglicht, den Motor mit geringerer
Schwingung und mechanischem Geräusch
zu betreiben. Der gekrümmte
Schenkel 106B jeder Speiche 106 ist unmittelbar
an den Lüfterradlaufschaufeln 100 angeordnet.
Der gekrümmte
Schenkel 106B verläuft schräg von den
Lüfterradlaufschaufeln 100 weg
zu seinem freien Ende hin, so dass dem Luftstrom von den Lüfterradlaufschaufeln
(dargestellt durch den Pfeil A in 21) eine
sanft gekrümmte
Oberfläche präsentiert
wird. Somit wird das Luftgeräusch
aus der an den Speichen 106 des Gehäuses 58 vorbei streichenden
Luft dadurch reduziert.
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Der
Außenläufermotor
der vorliegenden Erfindung kann rasch und genau aus seinen Komponententeilen
zusammengebaut werden. Die nachstehende Beschreibung eines Verfahrens
zum Zusammenbau des Motors, einschließlich der Anbringung des Lüfterrads 56 und
der Befestigung auf dem Gehäuse 58 erfolgt
unter Bezugnahme auf die 22 der
Zeichnungen. Die ferromagnetischen Elemente 44, 46 werden
durch Stanzen der ersten und zweiten C-förmigen Bleche 60, 62 aus
einem ferromagnetischen Plattenmaterial und Übereinanderstapeln der Bleche
gemäß vorstehender
Beschreibung hergestellt. Vier von den fer romagnetischen Elementen 44 werden
in einer eine Gießform
ausbildenden ersten Endkappe 44 positioniert und weitere
vier ferromagnetische Elemente 46 werden in einer (nicht
dargestellten) eine Gießform
ausbildenden zweiten Endkappe 42 positioniert. Kunststoff
wird in die entsprechenden Formen um die ferromagnetischen Elemente 44, 46 herum
eingespritzt, um die ersten und zweiten Endkappen 40, 42 herzustellen
und gleichzeitig die ferromagnetischen Elemente an den Endkappen zu
befestigen.
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Das
Gleitlager 38 wird mit der ersten Endkappe 40 vormontiert,
indem ein Ende des Lagers mit einer geriffelten Oberfläche 112 in
den zentralen rohrförmigen
Abschnitt 78 der ersten Endkappe gedrückt wird. Die geriffelte Oberfläche 112 ermöglicht die Ausbildung
eines Reibungssitzes zwischen dem Lager 38 und der ersten
Endkappe 40. Es ist auch vorstellbar, dass das Lager 38 in
die Form der ersten Endkappe zusammen mit den vier ferromagnetischen
Elementen 44, 46 eingebracht werden könnte. In
diesem Falle wäre
der (nicht dargestellte) zentrale rohrförmige Abschnitt der ersten
Endkappe lang genug, um im Wesentlichen das gesamte Lager zu überdecken.
Der rohrförmige
Abschnitt würde über eine
Ausbauchung des zentralen Abschnittes 114 des Lagers 38 herum
spritzgeformt, um dadurch das Lager in dem rohrförmigen Abschnitt zu befestigen. Der
(nicht dargestellte) zentrale rohrförmige Abschnitt der zweiten
Endkappe wäre
in der Länge
wesentlich kürzer,
um die vergrößerte Länge des
rohrförmigen
Abschnittes der ersten Endkappe auszugleichen.
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Der
Spulenkörper 48 wird
bevorzugt aus einem geeigneten Polymermaterial spritzgeformt und mit
einer oder mehreren Wicklungen 50 bewickelt. Wenn mehr
als nur eine Wicklung ver wendet wird, können die Wicklungen bifilar
oder über
einander in einer Schichtenanordnung gewickelt sein. In der dargestellten
Ausführungsform
sind zwei Wicklungen 50 vorhanden, deren Anschlussenden
in entsprechenden Verbinderabschnitten 116 des Spulenkörpers 48 (siehe
auch 24) aufgenommen werden. Die Anschlussenden jeder
Wicklung 50 sind mit Steckanschlussverbindern 118 verbunden,
die auf dem Verbinderabschnitt 116 des Spulenkörpers 48 befestigt sind.
Der bewickelte Spulenkörper
wird auf den ersten und zweiten Endkappen 40, 42 befestigt,
indem vier Befestigungspfosten 120 an jedem axialen Ende des
Spulenkörpers
zu entsprechenden Öffnungen 121 auf
den ersten und zweiten Endkappen (siehe 10 und 11)
ausgerichtet werden. Die Befestigungspfosten 120 werden
in einem Teil mit dem Spulenkörper 48 zur
gleichen Zeit wie der Spulenkörper
hergestellt. Die Pfosten 120 werden durch die entsprechenden Öffnungen 121 eingeführt, und durch
Ultraschallschweißen
im Allgemeinen in die Nietkopfform verformt, um das Zurückziehen
der Pfosten aus den Öffnungen
zu verhindern. Die durch Verformung der Montagepfosten 120 erzeugten
Nietköpfe 120a kann
man in 24 sehen. Die C-förmigen ferromagnetischen
Elemente 44, 46 nehmen Abschnitte des Spulenkörpers 48 und
der Wicklungen 50 zwischen ihren äußeren und inneren Schenkeln 72, 74 auf.
Die Anbringung des Spulenkörpers 48 an den
ersten und zweiten Endkappen 40, 42 bildet die Statoranordnung
aus.
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Die
Rotorwelle 34 ist auf der Innenseite der Rotorglocke 32 befestigt.
Die Befestigung der Rotorwelle 34 hinterlässt den
aus dem Befestigungsmaterial (z.B. Zink) geformten Abstandshalter 90.
Der Permanentmagnetstreifen 36 wird durch einen ringförmigen Streifen
aus magnetisiertem Material hergestellt, welcher auf der Innenoberfläche der
Rotorglocke 32 befestigt ist. Jedoch könnten (nicht dargestellte)
getrennte Magnete um die Innenseite der Rotorglocke 32 herum
in Abstand angeordnet sein, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung abzuweichen. Der Streifen 36 ist so magnetisiert,
dass er acht einzelne Pole aufweist, die um den Streifen herum in Abstand
angeordnet sind. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Pole in
Bezug auf die Längsachse
der Rotorwelle 34 gekippt, indem der magnetisierte Bereich
des Streifens 36 bei den Polen angewinkelt ist. Die Kippung
ist bevorzugt etwa 10° bis
15° für den Achtpol-Motor
der dargestellten Ausführungsform.
Es dürfte
sich verstehen, dass der Kippungswinkel ein anderer als der beschriebene
sein kann und trotzdem noch in den Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung fällt.
Die Kippung wird gemessen, indem man entlang der Längsachse
der Rotorwelle 34 blickt und zwei radiale Linien von der
Achse zieht, eine zu einem Punkt auf einer Querkante des Permanentmagnetstreifens 36 und
die andere zu einem Punkt auf der gegenüberliegenden Querkante des Streifens.
Der Winkel, den diese zwei radialen Linien miteinander aus der Sicht
entlang der Längsachse bilden,
ist der Kippungswinkel.
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Das
Lüfterrad 56 wird
in einer geeigneten Weise wie z.B. durch Spritzformen der Nabe 98 und Lüfterradlaufschaufeln 100 als
nur ein Teil aus Polymermaterial hergestellt und über die
Rotorglocke 32 gesteckt. Die Nabe 98 wird an der
Rotorglocke 32 in einer geeigneten Weise, wie z.B. durch
Wärmeschrumpfen,
Schnappsitz oder Presssitz befestigt. Die Mylar-Scheibe 92 wird
auf der Rotorwelle 34 platziert, welche dann durch das
Gleitlager 38 der Statoranordnung hindurch eingeführt wird.
Ein Sprengring 122 (24) wird
auf das mit einer Nut versehenen distale Ende der Rotorwelle 34 aufgeschnappt, um
die Welle gegen ein Herausziehen aus dem Lager 38 zu sichern. Gleichzeitig
wird die Mylar-Scheibe 92 zwischen dem Abstandshalter 90 und
dem Lager 38 in der Nähe
des gegenüberliegenden
Endes der Rotorwelle 34 eingeschlossen, um eine Bewegung
die Rotorglocke 32 mit geringem Widerstand in Bezug auf
das Lager zu ermöglichen.
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Gemäß Darstellung
in 23 überlappt
das offene Ende der auf die Rotorglocke 32 aufgesetzten Lüfterradnabe 28 axial
einen ringförmigen
Flansch 123, der auf dem Umfang der zweiten Endkappe 42 ausgebildet
ist. Die Nabe 98 befindet sich in einer engen radialen
Abstandsbeziehung zu dem Flansch 123 um den gesamten Umfang
der zweiten Endkappe 42. Der Abstand ermöglicht der
Nabe 98 sich in Bezug auf die zweite Endkappe 42 ohne
störende Einwirkung
aus dem Flansch 123 zu drehen. Die Nabe 98 und
die zweite Endkappe 42 bestehen beide aus einem elektrisch
isolierenden Material und umschließen zusammen im Wesentlichen
die Wicklungen 50 und die ferromagnetischen Elemente 44, 46. Die
Größe des Spaltes
ist ausreichend klein gewählt, so
dass keine kleinen Objekte durch den Spalt eingeführt werden
können,
und wie Vorschriften zulassen, dass die Metallteile (d.h. die ferromagnetischen
Elemente 44, 46 und der Rotor 30) nicht
geerdet werden. Somit wird eine sehr geringe Leitungsstörung durch den
Motor erzeugt.
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Die
Hall-Element-Einheit 88 wird durch Verbinden der Leiter
aus einem (nicht dargestellten) herkömmlichen Hall-Element mit Ausgangsanschlussverbindern 124 und
Vergießen
der Anschlussverbinder und des Hall-Elementes zu einem Kunststoffblock
hergestellt (22). Die Hall-Element-Einheit 88 wird
in die als ein Teil mit der zweiten Endkappe 42 ausgebildete
Tasche 86 und axial nach innen von der zweiten Endkappe
zu einer Stelle angrenzend an die Wicklungen 50 vorste hend
eingesetzt (12). Die Hall-Element-Einheit 88 weist
eine Außenoberfläche mit
einer zu der der Innenseite der Tasche 86 komplementären Form
auf. Somit wird die Hall-Element-Einheit 88 in
der Tasche durch einen Presssitz zwischen der Tasche und der Einheit
festgehalten. Die Anschlussverbinder 124 ragen axial aus
der Tasche 86 und von der zweiten Endkappe 42 weg
gerichtet hervor.
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Gemäß 24 wird
die gedruckte Leiterplatte 54 für den Motor ohne die Verwendung
von Befestigungselementen an der zweiten Endkappe 42 angebracht.
Insbesondere weist die Leiterplatte 54 ein Paar diametral
gegenüberliegender
Aussparungen 125 in ihrem Umfang (11) auf,
welche zu Schnappverriegelungselementen 126 ausgerichtet sind,
die in einem Stück
mit der zweiten Endkappe 42 ausgebildet sind. Die Schnappverriegelungselemente 126 besitzen
keilförmige
Köpfe 127,
welche die Leiterplatte 54 in entsprechenden Aussparungen 125 erfassen.
Die Elastizität
des Materials der zweiten Endkappe ermöglicht es den Schnappverriegelungselementen 126 sich
nach außen
zu biegen, sobald die Leiterplatte 54 auf die zweite Endkappe 42 gedrückt wird.
Sobald die Leiterplatte 54 hinter die Köpfe 127 und in Ausrichtung
zu dünneren
Teilen der Schnappverriegelungselemente 126 gedrückt ist, schnappen
die Schnappverriegelungselemente radial nach innen, so dass Abschnitte
der Köpfe über der axialen
Außenseite
der Leiterplatte liegen und diese in der Statoranordnung festhalten.
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Gemäß Darstellung
in 12 besitzt die zweite Endkappe 42 vier
Pfosten 128 auf ihrer axialen Außenoberfläche. Diese Pfosten 128 kommen mit
der axialen Innenseite der Leiterplatte 54 in Öffnungen 129 in
Eingriff, die in der gedruckten Leiterplatte ausgebildet sind (1),
sobald diese auf die zweite Endkappe 42 aufgeschnappt wird.
Somit wird die Leiterplatte 54 sicher zwischen den Köpfen 127 der
Schnappverriegelungselemente 126 und den Pfosten ohne die
Verwendung getrennter Befestigungselemente festgehalten. Die gedruckte
Leiterplatte 54 ist in der zweiten Endkappe 42 montiert
in 3 dargestellt.
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Gleichzeitig
mit der Befestigung der gedruckten Leiterplatte 54 auf
der zweiten Endkappe 42 der Statoranordnung werden elektrische
Verbindungen für
die Wicklungen 50 und die Hall-Element-Einheit 88 hergestellt.
Gemäß nochmaligem
Bezug auf die 22 und 24 werden
die Verbinderabschnitte 116 des Spulenkörpers 48 durch Öffnungen 132 in der
zweiten Endkappe 42 hindurch so aufgenommen, dass die Wicklungsanschlussverbinder 118 axial
von der zweiten Endkappe nach außen stehen. Die gedruckte Leiterplatte 54 weist
Bodeneintritts-Buchsenverbinder 133 auf, die auf ihrer
axial äußeren Seite
befestigt sind. Es ist ein Bodeneintrittsverbinder 133 für jede Wicklung
und jeden Hall-Element-Anschlussverbinder 118, 124 vorhanden.
Die Hall-Element-Bodeneintrittsverbinder sind mit 133' bezeichnet.
Die Bodeneintrittsverbinder 133 sind über Löcher in der Leiterplatte 54 (1)
so befestigt, dass, wenn die Leiterplatte auf die zweite Endkappe 42 gedrückt wird,
die Anschlussverbinder 118 der Wicklungen 50 und
der Hall-Element-Einheit durch die Löcher hindurch und in ihren
entsprechenden Bodeneintrittsverbindern aufgenommen werden, um eine elektrische
Verbindung der Wicklungen und der Hall-Vorrichtung mit der gedruckten Leiterplatte 54 herzustellen.
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Der
auf diese Weise zusammengebaute Außenläufermotor und das Lüfterrad 56 werden
gemäß Darstellung
in 2 und 3 dann an dem Gehäuse 58 befestigt.
Die zweite Endkappe 42 ist mit Laschen 135 und
Befestigungspfosten 137 ausgebildet, die sich axial aus
den Laschen erstrecken. Die Pfosten 137 werden durch Öffnungen
in den entsprechenden Laschen 108 des Gehäuses 58 hindurch
aufgenommen. Die Pfosten 137 werden dann durch Ultraschallverschweißung in
die Form von Nietköpfen 137a verformt,
welche das Zurückziehen
der Befestigungspfosten aus den Laschenöffnungen (2) verhindern.
Die Laschen 135 der zweiten Endkappe 42 und die
Laschen 108 des Gehäuses 58 werden
in einem gegenüberliegenden
Eingriff gehalten. Der Außenläufermotor
und das Lüfterrad 56 werden
danach für
eine Montage auf einer Oberfläche
mittels des Gehäuses 58 vorbereitet,
indem Befestigungselemente durch die Schlitze 112 auf dem
Umfang des Gehäuses
geführt
werden. Ein ringförmiger
Flansch 139 auf der axial äußeren Oberfläche der
zweiten Endkappe 42 wird innerhalb des Gehäuses 58 (23)
aufgenommen.
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Die
Schale 104 des Gehäuses 58 ist
mit einem radial ausgesparten Abschnitt 141 für die Aufnahme
eines (nicht dargestellten) Energieanschlussverbinders ausgebildet,
um die gedruckte Leiterplatte 54 mit einer externen Energiequelle
zu verbinden. An dem axial inneren Ende der Aussparung stellen durch
das Gehäuse 58 verlaufende
Schlitze 143 einen Zugang für das Einstecken des Energieverbinders
in die Leiterplatte 54 bereit. Der ausgesparte Abschnitt 141 positioniert
den Energieverbinder innerhalb der Schale 104 und außerhalb
des Luftstroms aus den Lüfterradlaufschaufeln 100.
Es liegt bevorzugt keine feste Verbindung zwischen dem Energieverbinder
und der Leiterplatte 54 vor, um eine leichte Trennung des
Motors von der Energiequelle zur Ersetzung oder Reparatur zu ermöglichen.
Zu diesem Zweck ragt das Material der Schale 104 um die Schlitze
herum axial nach innen, um ein Paar von Trä gern 145 (in 3 ist
nur einer dargestellt), zu erzeugen. Die Träger 145 können mit
der gedruckten Leiterplatte 54 in Eingriff gebracht werden,
wenn der Energieverbinder von der gedruckten Leiterplatte abgezogen
wird, um die Leiterplatte gegenüber
Spannungen zu unterstützen,
die durch den Abziehvorgang des Energieverbinders aufgebracht werden.
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Ein
Außenläufermotor
einer zweiten Ausführungsform,
welcher keine Ausführungsform
der Erfindung ist, sondern nur ein Beispiel, welches für das Verständnis eines
Aspektes der Erfindung nützlich ist,
ist in 25 als eine Statoranordnung,
einen Rotor 230, ein selbst ausrichtendes Lagersystem 249 und
einen Endverschluss 251 aufweisend dargestellt (alle Teile
sind im Allgemeinen mit ihren entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet).
Die Teile des Motors der zweiten Ausführungsform, welche denjenigen
der ersten Ausführungsform
entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen plus 200 bezeichnet. Die
Statoranordnung enthält
einen Spulenkörper 248 aus
Polymermaterial mit einer oder mehreren darauf gewickelten Wicklungen 250.
Die ferromagnetischen Elemente 244, 246 sind durch
Stapelung von aus ferromagnetischem Plattenmaterial ausgestanzten
Blechen ausgebildet.
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Die
ferromagnetischen Elemente 244, 246 werden auf
den (allgemein mit 240 bzw. 242 bezeichneten)
ersten und zweiten Endkappen befestigt. In der dargestellten Ausführungsform
werden vier ferromagnetische Elemente 244 in 90° Intervallen
um den Umfang der ersten Endkappe und vier weitere ferromagnetische
Elemente 246 in 90° Intervallen
um den Umfang der zweiten Endkappe 242 in Abstand angeordnet.
Der dargestellte Motor ist ein Achtpolmotor. Die Anzahl der ferromagnetischen
Elemente 244, 246 auf den Endkappen 240, 242,
und deren Win kelabstand kann, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung abzuweichen, ein anderer als der beschriebene sein. In
dem Motor zusammengebaut sind die ferromagnetischen Elemente 244 der ersten
Endkappe 240 gegenüber
den ferromagnetischen Elementen 246 der zweiten Endkappe 242 im Winkel
um 45° verschoben.
Jedoch sind aufgrund des Winkels des für 25 verwendeten
Querschnitts ferromagnetische Elemente 244, 246 auf beiden
Endkappen 240, 242 dargestellt. Die Bleche in
jedem ferromagnetischen Element sind so gestapelt, dass die Ebenen
der Bleche senkrecht zu der Rotationsachse des Rotors 230 liegen.
Es könnte
jedoch die Anordnung der ferromagnetischen Elemente 44, 46 der
ersten Ausführungsform
des Motors verwendet werden. Der Spulenkörper 248 und die Wicklungen 250 sind
zwischen den Endkappen 240, 242 in dem zusammengebauten
Motor angeordnet.
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Gemäß Darstellung
in 25 sind die oberen und unteren Bleche 260 größer als
die restlichen Bleche 262 in den die ferromagnetischen
Elemente 244, 246 ausbildenden Stapeln ausgebildet.
In den Stapeln erstrecken sich Kantenränder der größeren Bleche 260 von
den entsprechenden Kanten der anderen Bleche 262 in dem
Stapel radial nach außen. Diese
vorstehenden Kantenränder
sind axial in gegenüberliegende
Richtungen gemäß Darstellung durch
die Bezugszeichen 260A bzw. 260B in 25 gebogen.
Die gebogenen Kantenränder 260A, 260B positionieren
das Metall in den Kantenrändern
für den
Transport von zusätzlichem
Fluss, um dadurch den Wirkungsgrad des Motors zu verbessern. Es
ist vorstellbar, dass nur eines von den größeren Blechen 260 verwendet
werden könnte.
Wenn das eine Blech 260 das axial innere von den zwei mit
dem gebogenen Kantenrand 260B ist, ermöglicht dies, dass der Permanentmagnetstreifen 36 schmaler
ist.
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Der
Rotor 230 weist eine Rotorglocke 232 und eine
auf der Glocke befestigte Rotorwelle 232 auf. Die Rotorwelle 232 wird
durch das Lagersystem 249 verlaufend für die Lagerung des Rotors zur
Rotation in Bezug auf die Statoranordnung aufgenommen. Die Rotorglocke 234 besitzt
einen ringförmigen Streifen 236 aus
magnetisiertem Material, das auf einem ringförmigen Element auf der Innenoberfläche der
Rotorglocke befestigt ist. Die Rotorglocke 232 nimmt im
Wesentlichen die gesamte Statoranordnung innerhalb der Glocke mit
den Wicklungen 250 und den ferromagnetischen Elementen 244, 246 in radialer
Ausrichtung zu dem Permanentmagnetstreifen 236 auf.
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Der
Endverschluss 251 hat im Allgemeinen eine Ringform mit
einem rechteckigen Querschnitt. Der Endverschluss 251 ist
hohl und ist an seinem axialen inneren Ende offen. Eine gedruckte
Leiterplatte 254 ist zwischen dem Endverschluss 251 und
der Statoranordnung montiert. Die verschiedenen Steuerelemente auf
der Leiterplatte 254, die zum Betrieb des elektronisch
kommutierten Motors verwendet werden, sind zur Verdeutlichung in
den Zeichnungen nicht dargestellt. Die Wicklungen sind mit der Leiterplatte über einen
Verbinder 253 verbunden. Die Leiterplatte 254 nimmt
elektrische Energie über
eine Verbindung mit einer (nicht dargestellten) Energiequelle über einen
Verbinder 255 auf, welcher sich zu der Seite des Endverschlusses 251 hin
erstreckt.
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Das
Lagersystem 249 umfasst einen im Allgemeinen röhrenartigen
Lagerkern 257, welcher bevorzugt aus Pulvermetallmaterial
geformt ist, und ein Paar kugelförmiger
Lager 259, die an gegenüberliegenden
Enden des Lagerkerns angeordnet sind. Die Rotorwelle 234 ist
durch die kugelförmigen
Lager 259 hin durch verlaufend zur Drehung mit den Lagern
aufgenommen. Die kugelförmigen
Lager 259 stehen mit gegenüberliegenden Längsenden
von drei Rippen 261 in Eingriff, welche von der Innenoberfläche des Lagerkerns 257 nach
innen ragen. Endflächen 263 der
Rippen 261 verlaufen schräg axial nach innen zu der Längsachse
des Lagerkerns 257. Somit definieren die Rippenendflächen 263 Kegel
mit drei Linien auf jedem Ende des Lagerkerns 257 für einen
Eingriff mit den kugelförmigen
Lagern 259. Lagerkernkappen 265 verschließen die
Enden des Lagerkerns 257 und stellen Reaktionsflächen für Spiralfedern 267 bereit, welche
an den Kappen und den kugelförmigen
Lagern 259 anliegen, um die Lager gegen den Lagerkern zu
halten und eine Ausrichtung der Rotorwelle 234 zu begünstigen.
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Der
Lagerkern 257 enthält
ein schmierendes Material 269, wie z.B. ein faserartiges
Material, das mit einem Öl
für die
Schmierung der Rotorwelle 234 und des Lagerkerns über die
Lebensdauer des Motors getränkt
ist. Das Schmiermittel 269 kann unter Druck in den Lagerkern 257 injiziert
werden, behält jedoch
seine Form bei, sobald es sich in dem Lagerkern befindet. Gemäß Darstellung
in 6 ist ein Kunststoffrohr 271 konzentrisch
zu dem Lagerkern 257 angeordnet und definiert in Kombination
mit den Rippen 261 drei Kammern, die das Schmiermittel 269 enthalten
und trennt die umlaufende Rotorwelle 234 aus einem direkten
Kontakt mit dem Schmiermittel. Natürlich kann die genaue Anzahl
der Rippen und Schmiermittelkammern eine andere als die beschriebene
sein, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Jedoch stellen die drei Rippen 261 eine feste Basis für die kugelförmigen Lager 259 bereit,
während
sie gleichzeitig die Oberfläche
des Lagerkerns 251 minimieren, welcher an den kugelförmigen Lagen
angreift.
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Die
Kernkappen 265 tragen dazu bei, das Schmiermittel 269 innerhalb
des Lagerkerns 257 aufzunehmen. Jedoch neigt Öl auf der
Rotorwelle 234 dazu, axial aus dem Lagerkern 257 mit
der Drehung der Rotorwelle herauszuwandern. Daher werden herkömmliche
Schleuderringe 273 auf der Welle 234 an jedem
Ende des Lagerkerns 257 montiert, um das Öl einzufangen
und es nach außen
in das Schmiermaterial 269 zu schleudern.
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Der
Außenläufermotor
der zweiten Ausführungsform
ist leicht zu montieren, wobei der Lagerkern 257 als einziger
Gegenstand dient, auf welchem alle Komponenten des Motors direkt
befestigt werden. Bevorzugt wird das Lagersystem 249 zuerst
hergestellt, indem der Lagerkern 257 gemäß Darstellung in 27 bereitgestellt
wird. Das Kunststoffrohr 271 wird in den Lagerkern 257 eingeführt und
durch die Rippen 261 in seiner konzentrischen Lage gehalten. Die
kugelförmigen
Lager 259 werden auf die Rippen 261 an den in
Längsrichtung
gegenüberliegenden Enden
des Lagerkerns 257 aufgesetzt und in ihrer Lage durch Aufpressen
der Kernkappen 265 auf den Lagerkern befestigt. Die Federn 261 in
den Kernkappen 265 liegen an den kugelförmigen Lagern 259 an und
drücken
diese gegen die Endflächen 263 der Rippen.
Das Schmiermittel 269 wird dann in den Lagerkern 257 unter
Füllen
eines Teils seines Innenraums injiziert. Die so erzeugte Lageranordnung
ist somit für
den Zusammenbau der Statoranordnung, des Rotors 230 und
des Endverschlusses 251 bereit.
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Die
erste Endkappe 240 wird auf den Lagerkern 257 von
dem rechten Ende des Kerns aus, wie es in 5 zu sehen
ist, aufgeschoben. Die erste Endkappe 240 gleitet nach
links bis sie an dem ringförmigen
Anschlag 275 anliegt, der in einem Stück mit dem Lagerkern 257 ausgebildet
ist. Es ist vorstellbar, dass ein (nicht dargestellter) Ring, getrennt
von dem Lagerkern, an dem Lagerkern anliegen könnte, um als der Anschlag anstelle
des integriert ausgebildeten Anschlags 275 zu dienen. Der
zuvor bewickelte Spulenkörper 248 wird
anschließend
gefolgt von der zweiten Endkappe 242 auf den Lagerkern 257 aufgeschoben.
Die gedruckte Leiterplatte 254, welche eine zentrale Öffnung besitzt,
gleitet auf den Lagerkern 257 und in Eingriff mit der zweiten
Endkappe 242. Der Aufschiebevorgang der Leiterplatte 254 auf dem
Lagerkern 257 führt
automatisch zu einer Steckverbindung der Wicklungen 250 mit
dem auf der Leiterplatte befestigen Verbinder 253.
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Es
werden keine Befestigungselemente verwendet, um die Statoranordnung
und die gedruckte Leiterplatte 254 auf den Lagerkern 257 zu
sichern. Der Endverschluss 251 wird auf das Ende des Lagerkerns 257 aufgepresst,
um dadurch die erste Endkappe 240, den Spulenkörper 248 und
die zweite Endkappe 242 zwischen dem Endverschluss und dem
durch den Lagerkern 257 ausgebildeten Anschlag 275 zu
fixieren.
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Die
Rotorwelle 234 wird, nachdem sie zuvor auf der Rotorglocke 232 befestigt
wurde, durch das Lagersystem 249 hindurch verlaufend eingeführt. Eine
Mylar-Scheibe 292 wird um die Welle 234 vor der
Einführung
durch das Lagersystem 249 aufgebracht, um eine Oberfläche mit
niedriger Reibung zwischen der Rotorglocke 232 und der
Kernkappe 265 unmittelbar an der Glocke zu schaffen. Eine
aus einem federnden Material hergestellter Sprengring 277 wird
in eine Nut 279 in der Rotorwelle 234 angrenzend
an das gegenüberliegende
Ende des Lagerkerns 257 eingeschnappt. Der Sprengring 277 verhindert
ein Herausziehen der Rotorwelle 234 aus dem Lagerkern 257.
Die kugelförmigen
Lager 259 ermöglichen
eine Bewegung der Rotorwelle 234 so, dass sich der Rotor 230 selbst
ausrichtet.
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Ein
Außenläufermotor
einer dritten Ausführungsform
ist in 28 dargestellt. Die Konstruktion des
Motors ist ähnlich
der des Motors der zweiten Ausführungsform.
Entsprechende Teile sind mit denselben Bezugszeichen wie für den Motor
der zweiten Ausführungsform
plus 300 gekennzeichnet. Die Statoranordnung, der Rotor 330 und
die gedruckte Leiterplatte 354 sind im Wesentlichen identisch
mit ihren entsprechenden Teilen in dem Motor der zweiten Ausführungsform.
Die Statoranordnung erscheint nur anders, weil 28 ein
echter Längsquerschnitt
des Motors ist, so dass nur die ferromagnetischen Elemente 344 auf
einer (in 28 nicht dargestellten) ersten
Endkappe zu sehen sind.
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Das
selbst ausrichtende Lagersystem 349 weist einen zweiteiligen
Lagerkern mit einem im Allgemeinen rohrförmigen inneren Element 357A und einem
im Allgemeinen rohrförmigen äußeren Element 357B auf.
Das linke axiale Ende des inneren Elementes 357A (wie es
in 28 zu sehen ist) ist mit einer gekrümmten Oberfläche für die Aufnahme eines
kugelförmigen
Lagers 359A ausgebildet. Die gekrümmte Oberfläche besitzt eine Form, welche
genau der Form des kugelförmigen
Lagers 359A entspricht, um eine Schwenkbewegung des kugelförmigen Lagers
in Bezug auf das innere Element 357A des Lagerkerns zu
ermöglichen.
Das kugelförmige Lager 359A wird
von einem Haltebund 367 erfasst, welcher das Lager in einen
Eingriff mit dem inneren Element 357A des Lagerkerns drückt. Das
Lager 359A und der Haltebund 367 werden von einer
Kernendkappe 365 abgedeckt, welche auf das linke Ende des
inneren Elementes 357A aufgepresst wird. Eine auf der Endkappe 365 befestigte
erste Dichtung 381A nimmt dichtend eine Rotorwelle 334 auf,
und eine auf dem inneren Element 357A axial innerhalb des
kugelförmigen
Lagers 359A befestigte zweite Dichtung 381B nimmt
ebenfalls dichtend die Welle auf. Die Dichtungen 381A, 381B arbeiten
so, dass sie das (nicht dargestellte) Schmiermittel um das Lager 359A in
dem linken Ende des inneren Elementes 357A des Lagerkerns
halten.
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Das äußere Element 357B befestigt
die gedruckte Leiterplatte 354 und wird z.B. durch Schrauben 383 an
dem inneren Element 357A des Lagerkerns angebracht, um
die Statoranordnungskomponenten und die gedruckte Leiterplatte gegen
einen auf dem inneren Element ausgebildeten Flansch 375 zu
klemmen. Ein Endverschluss 351 wird auf das rechte axiale
Ende des Außenelementes 357B aufgepresst.
Ein auf dem rechten axialen Ende des äußeren Elementes 357B befestigtes
und innerhalb des offenen Endes des äußeren Elementes aufgenommenes
Lageroberflächenteil 385 ist
so gestaltet, dass es ein weiteres kugelförmiges Lager 359B aufnimmt. Das
Lageroberflächenteil 385 weist
eine gekrümmte Oberfläche auf,
die genau der Oberfläche
des kugelförmigen
Lagers 359B entspricht, um ein Schwenken des kugelförmigen Lagers
in Bezug auf das Lagerkernaußenelement 357B zu
ermöglichen.
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Das
kugelförmige
Lager 359B wird von einem federnden Halterungsbund 376 erfasst,
welcher das Lager gegen das Lageroberflächenteil 385 drückt. Eine
Kernendkappe 365 wird auf den Endverschluss 351 um
das rechte Ende des äußeren Elementes 357B des
Lagerkerns aufgepresst. Die Kernkappe 365 hält den Halterungsbund 367 und
befestigt eine dritte Dichtung 381C, durch welche die Rotorwelle 334 hindurch
verläuft.
Eine vierte Dichtung 381D wird auf dem Lageroberflächenteil 385 axial
innerhalb des kugelförmigen
Lagers 359B befestigt. Die dritten und vierten Dichtungen 381C, 381D halten zusammen
mit dem Lageroberflächenteil 385 und der
Kernendkappe 365 das Schmiermittel in dem Bereich um das
kugelförmige
Lager 359B.
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Der
Motor wird zusammengebaut, indem das innere Element 357A des
Lagerkerns mit dem kugelförmigen
Lager 359A, dem Haltebund 367, den Dichtungen 381A, 381B und
der Kernendkappe 365 vorgefertigt wird. Die (nicht dargestellte)
erste Endkappe, die die ferromagnetischen Elemente 344 trägt, weist
eine zentrale Öffnung
auf, welche deren Gleiten auf das innere Element 357A und
in einen Eingriff mit dem Flansch 375 ermöglicht.
Der bewickelte Spulenkörper 348 gleitet
gefolgt von der zweiten Endkappe 342 auf das innere Element 357A.
Die Leiterplatte 354 wird auf das linke Ende des äußeren Elementes 357B des
Lagerkerns gelegt, welches dann in die zweite Endkappe 342 eingeführt wird.
Diese Anordnung wird durch die Schrauben 383 gesichert.
Ein Flansch 387 auf dem äußeren Element 357B erfasst die
Leiterplatte 354, um die Leiterplatte, die zweite Endkappe 342,
den Spulenkörper 348 und
die (nicht dargestellte) erste Endkappe auf dem Lagerkern festzuklemmen.
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Das
die vierte Dichtung 381D enthaltende Lageroberflächenteil 385 wird
in dem rechten axialen Ende des äußeren Elementes
(357B) des Lagerkerns befestigt, und der Endverschluss 351 wird
an dem äußeren Element
angebracht. Das kugelförmige Lager 359B wird
mit dem Lageroberflächenteil 385 in Eingriff
gebracht und der Haltebund 367 wird über das Lager gelegt. Das Lager 359B und
der Haltebund 367 werden durch Aufpressen der Kernendkappe 365 auf
den Endverschluss 351 um das rechte Ende des äußeren Elementes 357B herum
befestigt. Die Kernendkappe 365 enthält die dritte Dichtung 381C. Schmiermittel
wird in den das kugelförmige
Lager 359B umgebenden Bereich vor dem endgültigen Verschließen des
rechten Endes des Lagerkerns durch die Kernendkappe 365 und
die dritte Dichtung 381C injiziert. Die Rotorwelle 334 des
Rotors 330 wird durch das Lagersystem 349 hindurch
eingeführt
und steht dichtend mit den Dichtungen 381A–381D in Eingriff,
um den Zusammenbau abzuschließen.
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Verschiedene
Konstruktionsaspekte des vorstehend beschriebenen Außenläufermotors
in dessen verschiedenen Ausführungsformen
beeinflussen die Rück-EMK.
Im Allgemeinen ist die Rück-EMK
des Motors als ein Effekt erster Ordnung zu der Anzahl der Pole
und zu der Anzahl der Windungen der Wicklung auf dem Spulenkern
proportional. Dieses beruht zum Teil auf der Tatsache, dass alle
Pole, (d.h., alle ferromagnetischen Elemente) durch dieselbe Wicklungsspule
magnetisch parallel betrieben werden, während andere Motortypen im
Allgemeinen eine getrennte Spule zum Betreiben jedes Pols verwenden. Durch
die Erhöhung
der Anzahl der Pole kann die Anzahl der Windungen reduziert werden
(um die Kosten der Spule zu reduzieren), während gleichzeitig die Größe der Rück-EMK beibehalten
wird. Das Reduzieren der Anzahl der Windungen reduziert den Widerstand
der Spule, da es die Länge
des Strompfades durch die Spule verringert. Demzufolge behält eine
Erhöhung
der Anzahl der Pole in Verbindung mit einer entsprechenden Abnahme
Windungsanzahl den Motorwirkungsgrad bei. Ferner steigert eine Erhöhung der
Anzahl der Pole unter gleichzeitiger Beibehaltung derselben Windungsanzahl
in der Spule den Motorwirkungsgrad. Ferner können die abgeschrägten freien
Enden der Bleche das Aussehen der Rück-EMK-Wellenform beeinflussen.
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Der
Motor besitzt auch mehrere Merkmale, welche den Stillstandspunkt
des Motors steuern und welche die Form des Haftdrehmomentes verändern. Der
asymmetrische Luftspalt, welcher im Mittel über eine Hälfte des äußeren Schenkels jedes Pols
(ferromagnetisches Element) größer als über die
andere Hälfte
des Pols ist, liefert diesbezüglich
mehrere Vorteile. Durch Veränderung
der Form des Luftspaltes entweder durch Verschieben des Stapels
oder durch Veränderung
der Umfangssymmetrie des Stapels, oder beides, kann der Stillstandspunkt
verschoben werden, um eine Position mit Null oder geringem Drehmoment
zu vermeiden, wenn die Wicklung erregt wird, und kann die Form des
Haftdrehmomentes modifiziert werden, dass sie glatter ist und schädliche Haltepunkte
beseitigt oder minimiert. Wenn einer von den Polen ausgespart oder
ausgeschnitten ist, um eine Hall-Vorrichtung aufzunehmen, kann die
Aussparung dort platziert werden, wo die stärkste Umformung des Haftdrehmomentes
erzeugt werden soll. Die permanent magnetisierten Bereiche des Rotors können gekippt
werden, um den Stillstand des Rotors in einer Startposition zu unterstützen, welche
keine Null-Drehmomentposition ist, und um die Haftdrehmomentkurve
zu glätten
und schädliche
Stillstandspunkte zu beseitigen.
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Um
die Entmagnetisierungseffekte auf die Permanentmagnete des Rotors
zu reduzieren, können
verschiedene Merkmale der Erfindung verwendet werden. Die zentralen
Abschnitte der äußeren Schenkel
der Pole (ferromagnetische Elemente) sind länger als die Seitenabschnitte
der äußeren Schenkel,
so dass der zentrale Abschnitt mehr magnetischen Fluss als die Seitenabschnitte
führt.
Zusätzlich erzeugen
die kürzeren
Abschnitte der äußeren Schenkel
einen axialen Abstand zwischen benachbarten Polen, um eine vergrößerte Induktivität und die sich
daraus ergebenden Entmagnetisierungseffekte zu vermeiden. Die Überlappung
zwischen benachbarten Polen sollte minimiert und der Spalt zwischen
benachbarten ferromagnetischen Elementen sollte maximiert werden,
so dass die Streuinduktivität zwischen
den Polen minimiert wird, um dadurch die Auswirkung des Entmagnetisierungsfeldes
auf den Rotor zu reduzieren. Somit können sich die äußeren Schenkel
der Pole bevorzugt axial im Wesentlichen über die volle Breite des Permanentmagneten
aber nicht weiter erstrecken. Die abgeschrägten freien Enden der äußeren Schenkel
der Pole verringern ebenfalls die Überlappung.
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Um
Magnetfeldverluste zu verringern und den Motorwirkungsgrad zu steigern,
werden Bleche mit breiteren inneren und äußeren Schenkeln in dem zentralen
Abschnitt des Stapels verwendet, während Bleche mit schmäleren inneren
und äußeren Schenkeln
für die
Seitenabschnitte verwendet werden. Der durch die Bleche geformte
Pol nimmt angenähert (d.h.
als eine Schrittfunktion kann er eine Kurve annähern) die Form der Krümmung der
Rotorglocke und des Permanentmagneten auf seinem äußeren Schenkel
und die Krümmung
des inneren Durchmessers des Spulenkörpers auf seinen inneren Schenkel an,
indem nur zwei unterschiedliche bemessene Bleche verwendet werden.
Dieses reduziert Magnetfeldverluste aufgrund einer magnetischen
Sättigung
der inneren Schenkel der Pole. Alternativ können die die Pole ausbildenden
Bleche so geformt werden, dass sie sich der Krümmung der Rotorglocke, des
Permanentmagneten und Spulenkörpers
annähern
und dadurch die Größe des Luftspalts
zwischen dem Pol und dem Permanentmagneten verringern. Die Reduzierung
macht den Motor effizienter, da mehr magnetischer Fluss durch die
Pole transportiert wird. Die freien Enden der sich durch den Permanentmagnet hindurch
erstreckenden äußeren Schenkel
sind bevorzugt in einer geradlinigen Weise abgeschrägt, was
eine lineare Zunahme in dem flussleitenden Material entsprechend
der linearen Zunahme in der Flussdichte über der Breite des Permanentmagneten erzeugt.
Ferner sind die Seitenabschnitte der äußeren Schenkel der Pole kürzer als
die zentralen Abschnitte der äußeren Schenkel,
um einen Streufluss zwischen benachbarten oberen und unteren Polen zu
reduzieren.
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Weitere
Merkmale der Erfindung haben ebenfalls einen Einfluss auf die magnetischen
Eigenschaften des Motors. Die Verwendung in Ebenen parallel zu der
axialen Erstreckung der Wicklungsspule orientieren von Blechen anstelle
eines festen Kerns oder eines aus senkrecht zu der axialen Erstreckung der
Wicklungsspule orientierten Blechen bestehenden Kerns reduziert
Wirbelströme
innerhalb des Blechstapels, das die Oxide auf der Oberfläche der Bleche
eine elektrisch isolierende Schicht erzeugen, welche die magnetischen
Wirbelströme
unterbricht. Andererseits unterbricht auch die Verwendung eines Verbundstoffes
aus Binder und Eisenpulver, welcher zum Erzeugen der Pole (z.B.
des Statorjoches) druckgeformt wird, ebenfalls tendenziell die Wirbelströme aufgrund
des isolierenden Materials, welches Teil des Binders ist. Der Verbundstoff
vermeidet die Notwendigkeit der Stapelung und bietet dadurch geringere
Kosten, kann jedoch eine etwas niedrigere Permeabilität (magnetischen
Widerstand) und höhere
Hystereseverluste abhängig
von seiner Zusammensetzung aufweisen.