EP3759800A1 - Elektromotor - Google Patents

Elektromotor

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Publication number
EP3759800A1
EP3759800A1 EP19706621.0A EP19706621A EP3759800A1 EP 3759800 A1 EP3759800 A1 EP 3759800A1 EP 19706621 A EP19706621 A EP 19706621A EP 3759800 A1 EP3759800 A1 EP 3759800A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
electric motor
stator
magnet
brushless electric
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19706621.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sunny Zhang
Thomas Susemihl
Kevin Steinert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Original Assignee
Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Brose Fahrzeugteile SE and Co KG filed Critical Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Publication of EP3759800A1 publication Critical patent/EP3759800A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2786—Outer rotors
    • H02K1/2787—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2789—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2791—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H02K1/2792—Surface mounted magnets; Inset magnets with magnets arranged in Halbach arrays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C45/00—Injection moulding, i.e. forcing the required volume of moulding material through a nozzle into a closed mould; Apparatus therefor
    • B29C45/17—Component parts, details or accessories; Auxiliary operations
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    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2726—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of a single magnet or two or more axially juxtaposed single magnets
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
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    • H02K21/22—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating around the armatures, e.g. flywheel magnetos
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans

Definitions

  • the invention relates to a brushless electric motor with a stator and with a rotor, which is in drive connection with a rotary element, wherein the rotor has a permanent magnetic rotor magnet (ring magnet), which is magnetized in the manner of a Halbach arrangement.
  • a brushless electric motor typically comprises a rotor (rotor), which is rotatably mounted against a fixed stator.
  • the stator in this case has a rotating field winding, by means of which a magnetic rotating field is generated when subjected to an alternating current.
  • the rotor in this case has permanent magnets whose magnetic field interacts with the rotating field of the stator, so that the rotor is rotationally driven.
  • These permanent magnets are produced, for example, from a powder of a magnetic material, such as a neodymium alloy or a ferrite, by means of a sintered process.
  • a powder of a magnetic material such as a neodymium alloy or a ferrite
  • the intended magnetization of the permanent magnets during their production is achieved by means of an applied exciter magnetic field.
  • the permanent magnets are then introduced into the rotor, wherein these are arranged, for example, spoke-shaped in the rotor.
  • a total tolerance of the rotor is comparatively high, which adversely affects a motor statics and an acoustic behavior of the motor.
  • rotors are used, for example, which have a magnetization in the manner of a Halbach arrangement (Halbach array, Halbach magnetization). In such an arrangement, the magnetic field is amplified on one side of the assembly, while it is reduced on the opposite side.
  • the rotors with a Halbach magnetization are produced by means of individually prefabricated, anisotropic permanent magnets in a corresponding orientation.
  • a Haibach magnetization can be realized by means of an isotropic ring magnet, on which the Halbach magnetization is impressed.
  • a rotor with a rotor magnet is known, which is formed from a plurality of ring magnet segments produced by injection molding.
  • the rotor magnet has a Halbach magnetization with several magnetic poles on the circumference.
  • the ring magnet segments consist of a magnetically anisotropic magnetic material, which is acted upon during the injection molding process with a correspondingly shaped magnetic field in order to achieve the intended magnetization.
  • the brushless electric motor comprises a stator and a rotor, which is in driving connection with a rotary element.
  • the rotor to a permanent magnetic rotor magnet (ring magnet), which is magnetized in the manner of a Halbach arrangement (Halbacharray).
  • This rotor magnet is an injection molded part with embedded magnetically anisotropic magnetic material, wherein the magnetically anisotropic magnetic material is at least partially formed from a ferrite.
  • the magnetically anisotropic magnetic material is also referred to simply as magnetic material.
  • the rotor is integrated in the rotary element or joined with this.
  • the rotor magnet has a Haibach magnetization with a number of magnetic poles. This magnetization is achieved in particular by means of a magnetic pre-alignment in the production of the magnet.
  • the rotor magnet in this case has 6 to 20 magnetic poles, in particular 8 to 20 magnetic poles or preferably 10 to 20 magnetic poles.
  • the magnetically anisotropic magnetic material is plastic bonded.
  • the plastic is a binding material in which magnetically anisotropic, in particular powdery, magnetic material is incorporated.
  • the binder used for this purpose for example, a plastic such as nylon, polyphenylene sulfide or polyamide.
  • the ferrite is a hard ferrite.
  • a magnetically anisotropic alloy of neodymium-iron-boron (NdFeB) is used as the magnetic material.
  • NdFeB neodymium-iron-boron
  • a magnet with ferrite as magnetically anisotropic magnetic material is comparatively more cost-saving and more temperature-stable than a magnet with an alloy of neodymium-iron-boron.
  • a joining contour or joining elements such as, for example, screw domes or hot clinching domes, are preferably provided on the rotor. This is or are preferably integrally formed on the rotor magnet by means of a multi-component injection molding process.
  • the rotor magnet and provided for joining joint contour and the joining elements are made in one piece.
  • the rotor can thus be produced and also produced in a single production step and in particular in the intended final form, which advantageously saves further production steps and production costs.
  • a tolerance chain is comparatively small in the case of the integrally formed rotor by means of the multi-component injection molding process, which is why running properties and acoustics of the electric motor are improved.
  • the rotor is designed such that it has ventilation holes, which run in particular in the axial direction with respect to a motor axis.
  • an air flow is made possible via a motor mount carrying the electric motor.
  • This air flow serves, for example, for cooling an engine electronics arranged in or on the engine mount.
  • no rotor lamination is necessary, which is why costs are also saved particularly advantageously, the weight of the rotor is reduced and a comparatively high (torque) density of the (motor) acting on the rotor by means of the rotating field. Torque is reached.
  • the injection molding process designed as an internal rotor rotor is annular.
  • the trained as an internal rotor (coreless) rotor is recessed centrally.
  • Such a rotor is then expediently joined to the rotary element by means of the joining contour or by means of the joining elements.
  • the rotary member is accordingly, example, by means of a bearing shaft of a motor mount, rotatably mounted.
  • a space is provided, which is used for example for cooling or electronics and / or allows alternative designs for cooling ducts.
  • the geometry of the rotor and in particular of the rotor magnet can be adapted and adapted comparatively easily to specifications resulting from the installation space and / or an intended functionality, such as, for example, the ventilation holes.
  • the rotor magnet at room temperature (20 ° C) has a remanence between 0.2 T and 0.5 T and a coercive field strength of the magnetic polarization (H C J) between 150 kA / m and 1000 kA / m.
  • the rotor has a sinusoidal flux density profile on its side facing the stator.
  • a maximum flux density flux density amplitude
  • the flow density is essentially zero.
  • the rotor magnet has a magnetization in the manner of a Haibach arrangement such that the maximum flux density at the circumference of the rotor is 1.2 times to 1.5 times greater
  • the (magnetic) flux density amplitude of the sinusoidal profile of the magnetic flux density is preferably between 0.32 T and 0.7 T.
  • the rotor which is magnetized in the manner of a Halbach arrangement, has a sinusoidal magnetic field intensity profile with respect to a radial direction, ie perpendicular to the motor axis, at its side facing the stator and correspondingly in an air gap formed between the rotor and the stator. This results in a sinusoidal electromotive force (EMF) along the circumferential direction of the rotor.
  • EMF electromotive force
  • a sinusoidal EMF is without or at least with comparatively few and / or weakly formed harmonics realized. Because of this, a comparatively low torque impedance and a comparatively low iron loss occur, which is why the engine efficiency is advantageously improved.
  • the running properties of the electric motor are thus improved.
  • the sinusoidal shape of the magnetic field strength curve reduces a cogging torque of the rotor. Furthermore, a radial force acting on the stator teeth is reduced in this way, so that a deformation of the stator and a concomitant deterioration of the engine acoustics are avoided.
  • the magnetic flux flow between the rotor and the stator of the electric motor and its Flussablaufan combinkeit are improved.
  • the motor torque acting on the rotor by means of the rotating field is proportional to the square of the diameter of the rotor. In other words, so the engine torque increases with increasing rotor diameter.
  • the rotor is designed as an outer rotor. Consequently, the motor torque is greater in this way in comparison to a designed as an internal rotor electric motor with the same size of the electric motor.
  • integration thereof into the rotary element is facilitated if the rotary element comprises the rotor and the stator on the outside in the radial direction and / or is arranged there.
  • the rotor and the rotary element are, according to an advantageous development, an injection-molded part formed in one piece (in one piece).
  • the injection-molded part is produced for this purpose in a multi-component injection molding process.
  • the rotor is not in drive connection by means of a shaft with a rotary element, but rather drives the rotary element directly (directly) rotationally during its rotation about the motor axis.
  • the rotor and the rotary element in one piece, which saves production costs and improves the running properties of the electric motor.
  • the rotary element with integrated rotor is designed by means of the multi-component injection molding process such that the rotor and / or the rotary element has ventilation holes.
  • the rotary element with integrated rotor is mounted rotatably via a bearing system on the bearing shaft of the motor carrier.
  • the stator is connected to the engine mount (held, fastened).
  • the rotary element is the hub of a fan.
  • the hub has the storage system.
  • the rotor is formed on the inside of the hub.
  • Such a hub suitably includes the rotor and stator externally with respect to the radial direction.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the field line course of a magnetic field between a rotor magnet of a rotor and a stator of an electric motor, wherein the rotor is designed as an external rotor and has a magnetization in the manner of a Haibach arrangement,
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a hub of a fan with a bearing system, wherein the rotor formed as an outer rotor is integrated into the hub, and wherein the hub and the rotor are rotatably mounted on a bearing shaft of an engine mount by means of the bearing system,
  • FIG. 3 shows schematically an alternative embodiment of the electric motor, in which the rotor formed as an internal rotor is joined to the hub of the fan,
  • FIG. 4a is a sectional view of a second alternative embodiment of the electric motor, in which the rotor magnet of the rotor designed as an external rotor is joined to a rotor cup, and FIG Fig. 4b in a plan view of the rotor magnet of the rotor of FIG. 4a, wherein the rotor magnet for joining with the rotor pot has a number of shoulders and pin-like pins. Corresponding parts are provided with the same reference numbers in all figures.
  • FIG. 1 schematically shows a field line course of a magnetic field between a rotor magnet 2 a of a rotor 2, which is rotatably mounted about a motor axis M extending in the axial direction A, and a stator 4 of a brushless electric motor 6 improved visibility availability of the field line history only partially shown.
  • FIG. 1 shows only one half of the rotor 2 and the stator 4, wherein the half of the rotor 2 and the stator 4, not shown, is mirror-symmetrical with respect to a plane E, through which the motor axis M runs, and which is perpendicular to the plane of the drawing is oriented.
  • the stator 4 has an annular stator yoke 8, from which stator teeth 10 extend from the motor axis M to the rotor 2 in a star-shaped manner, ie in a radial direction R oriented perpendicular to the axial direction A.
  • the rotor 2 is thus arranged on the outside of the stator 4.
  • the rotor 2 is formed as an outer rotor (external rotor).
  • stator slots 12 are formed, in which a stator winding not shown in detail, in particular designed as coils, is accommodated.
  • the stator teeth have a T-shape. Thus, these are extended on their sides facing the rotor 2 free end on both sides to form pole pockets 14 in a circumferential direction (azimuthally), which is oriented perpendicular to the axial direction A and to the radial direction R.
  • the rotor magnet 2a is magnetized in the manner of a Flalbach arrangement. Flierzu the rotor magnet 2a is formed as an injection molded part, in which magnetically anisotropic magnetic material is embedded, wherein the magnetic material at least partially formed of a ferrite. In this case, the rotor magnet has fourteen magnetic poles. Due to the Halbachmagetmaschine the magnetic field lines are guided substantially within the rotor 2. Consequently, no iron yoke for the rotor 2 is necessary. In contrast, a magnetic inference in the stator 4 takes place through the stator yoke 8.
  • the magnetic field lines are oriented substantially along the radial direction R in an air-motor gap 16 formed between the rotor 2 and the stator 4.
  • the magnetic field has a sinusoidal profile of the flux density along the circumference of the rotor 2, that is to say in the circumferential direction U, at its (inner) side 18 facing the stator 4, while the side 20 opposite this side, that is the Outside, the flux density is substantially zero.
  • the rotor magnet has a remanence of 0.28 T and a coercive force of magnetic polarization (H C J) of 200 KA / m.
  • the electric motor 6 is shown in a schematic sectional view, wherein the sectional plane is clamped by means of the axial direction A and by means of the radial direction R and wherein the motor axis is in this sectional plane.
  • the stator 4 is fastened or connected to a motor mount 22.
  • the motor mount 22 has centrally a bearing shaft 24 extending in the axial direction A.
  • a rotary member 28 is rotatably mounted about the motor axis M.
  • the rotary member 28, the bearing system 26 or is at least partially formed by means of this.
  • the rotary member 28 is formed as a hub of a fan.
  • the rotor 2 is integrated in the rotary element 28.
  • the rotor 2 and the rotary element 28 are a one-piece (monolithic) injection-molded part.
  • the rotary element 28 with the rotor 2 integrated in this way is produced by means of a multi-component injection molding process.
  • the hub includes while the rotor 2 on the outside.
  • the rotor 2 is integrally formed on the inner side 30 of the rotary element 28, ie, on the side facing the stator 4 and perpendicular to the radial direction R, for integrating the rotor 2 into the rotary element 28.
  • the rotor 2 is in drive connection with the rotary element 28 designed as a hub of the fan wheel.
  • FIG. 3 an alternative embodiment of the electric motor 6 is sketched, in which the rotor 2 is formed as an internal rotor.
  • the stator 4 is connected to the motor mount 22, wherein the motor mount 22 centrally has the bearing shaft 24 extending in the axial direction A.
  • the rotor 2 has a rotor core 2c, which includes the bearing system 26 of this at least partially forms.
  • the rotor 2 on the bearing shaft 24 of the motor mount 22 is rotatably mounted (rotationally).
  • the ring-shaped rotor magnet 2a surrounds the rotor core on the outside with respect to the radial direction R.
  • the hub of the fan wheel is hereby joined to the rotor 2 by means of its joining elements 2b.
  • the joining elements 2b are designed as screw domes formed as part of the manufacture of the rotor 2 by means of the multi-component injection molding process or as latching contours or as a pin-shaped joining contour which, in the course of hot compression or hot caulking, has a corresponding contour of the hub - is added.
  • Fig. 4a shows a second alternative embodiment of the electric motor 6, wherein the rotor 2 is formed as an external rotor.
  • the rotor magnet 2 a of the rotor 2 is rotatably mounted on the bearing shaft 24 via the bearing system 26 by means of a rotor pot 2 d.
  • the rotor pot 2d is, for example, an injection-molded part or alternatively a component produced by means of milling, with aluminum in particular being used as the material for the rotor pot 2d.
  • the rotor pot also has continuous recesses 22 in the axial direction, which, for example, se are each realized by means of a bore. In this way, an air flow (draft) for cooling the stator 4 or arranged on the motor mount 22 (motor) electronics 34.
  • the rotor pot 2d has joining elements 2b for joining with the rotary member 28, not shown, which is formed here, for example, as a screw are.
  • the rotor magnet 2a has joining pins 36 for its joining to the rotor pot 2d, which pins are seated in corresponding receptacles 38.
  • the joining pins are held on the side facing away from the rotor magnet 2a by means of a securing ring (not shown in further detail) or, alternatively, the joining takes place by means of laser welding or hot-caulking.
  • the rotor magnet 2 a is joined by means of the rotor pot 2 d to the rotary element 28 (not shown further).
  • the rotor 2a has a parallelepiped recess to form contact shoulders 40, in wel - a flap 42 of the rotor pot with respect to the radial direction R and the circumferential direction U is positively seated.
  • the plane IV represents the sectional plane according to FIG. 4a.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen bürstenloser Elektromotor (6) mit einem Stator (4) und mit einem Rotor (2), welcher in Antriebsverbindung mit einem Drehelement (28) steht, wobei der Rotor (2) einen permanentmagnetischen Rotormagneten (2a) aufweist, welcher nach Art einer Halbach-Anordnung magnetisiert ist, wobei der Rotormagnet (2a) ein Spritzgussteil mit eingelagertem magnetisch anisotropem Magnetmaterial ist, welches zumindest teilweise aus einem Ferrit gebildet ist, und wobei der Rotor (2) in das Drehelement (28) integriert oder mit diesem gefügt ist.

Description

Beschreibung
Elektromotor Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen Elektromotor mit einem Stator und mit einem Rotor, welcher in Antriebsverbindung mit einem Drehelement steht, wobei der Rotor einen permanentmagnetischen Rotormagneten (Ringmagnet) aufweist, welcher nach Art einer Halbach-Anordnung magnetisiert ist. Ein bürstenloser Elektromotor umfasst typischerweise einen Rotor (Läufer), wel- cher gegen einen feststehenden Stator drehbar gelagert ist. Beispielsweise weist der Stator dabei eine Drehfeldwicklung auf, mittels derer bei einer Beaufschlagung mit einem Wechselstrom ein magnetisches Drehfeld erzeugt wird. Der Rotor weist hierbei Permanentmagnete auf, deren Magnetfeld mit dem Drehfeld des Stators wechselwirkt, so dass der Rotor drehangetrieben wird.
Diese Permanentmagnete werden beispielsweise aus einem Pulver eines magne- tischen Materials, wie einer Neodymlegierung oder einem Ferrit, mittels eines Sin- terverfahrens hergestellt. Dabei wird die bestimmungsgemäße Magnetisierung der Permanentmagnete bei deren Herstellung mittels eines angelegten Anregermag- netfelds erzielt. Die Permanentmagnete werden anschließend in den Rotor einge- bracht, wobei diese beispielsweise speichenförmig im Rotor angeordnet werden. Zusammenfassend erfolgt eine derartige Herstellung der Permanentmagnete in vergleichsweise aufwändiger Weise und ist daher kostenintensiv. Zudem ist auf- grund des mehrteiligen Aufbaus des Rotors und/oder der Herstellung des Rotors in mehreren Schritten eine Gesamttoleranz des Rotors vergleichsweise hoch, was eine Motorstatik sowie ein akustisches Verhalten des Motors nachteilig beein- trächtigt. Alternativ zur speichenförmigen Anordnung der Permanentmagnete (Magnetseg- menten) des Rotors, werden beispielsweise Rotoren eingesetzt, welche eine Magnetisierung nach Art einer Halbach-Anordnung (Halbacharray, Halbach- magnetisierung) aufweisen. Bei einer solchen Anordnung ist auf einer Seite der Anordnung das Magnetfeld verstärkt, während es auf der gegenüberliegenden Seite reduziert ist. Dabei ergibt sich bei entsprechender Orientierung der Perma- nentmagnete ein sinusförmiger Feldstärkeverlauf auf der dem Stator zugewandten Seite, wodurch insbesondere ein Rastmoment reduziert ist. Auf der dieser Seite gegenüberliegenden Seite ist die Feldstärke dagegen im Wesentlichen gleich Null, so dass kein magnetischer Rückschluss notwendig ist.
Flierzu werden beispielsweise die Rotoren mit einer Halbach-Magnetisierung mit- tels einzeln vorgefertigter, anisotroper Permanentmagnete in entsprechender Ori- entierung hergestellt. Alternativ zur dieser Ausführung mit mehreren anisotropen Permanentmagneten kann eine Haibachmagnetisierung mittels eines isotropen Ringmagneten realisiert sein, auf welchen die Halbach-Magnetisierung aufgeprägt ist. So ist beispielsweise aus der DE 10 2013 007 563 A1 ein Rotor mit einem Rotor- magneten bekannt, welcher aus mehreren im Spritzgussverfahren hergestellten Ringmagnetsegmenten gebildet ist. Dabei weist der Rotormagnet im Montagezu- stand eine Halbach-Magnetisierung mit mehreren Magnetpolen am Umfang auf. Hierbei bestehen die Ringmagnetsegmente aus einem magnetisch anisotropen Magnetmaterial, welches während des Spritzgussprozesses mit einem entspre- chend geformten Magnetfeld beaufschlagt wird, um die vorgesehene Magnetisie- rung zu erreichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor mit einem verbes- serten magnetischen Flussablauf im zwischen dem Rotor und dem Stator des Elektromotors und einer verbesserten Flussablaufanfälligkeit anzugeben. Zusätz- lich soll dieser Elektromotor kostensparend herzustellen sein. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unter- ansprüche. Hierzu umfasst der bürstenlose Elektromotor einen Stator und einen Rotor, wel- cher in Antriebsverbindung mit einem Drehelement steht. Dabei weist der Rotor einen permanentmagnetischen Rotormagneten (Ringmagneten) auf, welcher nach Art einer Halbach-Anordnung (Halbacharray) magnetisiert ist. Dieser Rotormagnet ist ein Spritzgussteil mit eingelagertem magnetisch anisotropem Magnetmaterial, wobei das magnetisch anisotrope Magnetmaterial zumindest teilweise aus einem Ferrit gebildet ist. Im Folgenden wird das magnetisch anisotrope Magnetmaterial auch einfach als Magnetmaterial bezeichnet. Des Weiteren ist der Rotor in das Drehelement integriert oder mit diesem gefügt. Der Rotormagnet weist eine Haibachmagnetisierung mit einer Anzahl von Mag- netpolen auf. Diese Magnetisierung wird insbesondere mittels einer magnetischen Vorausrichtung bei der Herstellung des Magneten erreicht. Beispielsweise weist der Rotormagnet dabei 6 bis 20 Magnetpole, insbesondere 8 bis 20 Magnetpole oder vorzugsweise 10 bis 20 Magnetpole auf.
Vorzugsweise ist das magnetisch anisotrope Magnetmaterial kunststoffgebunden. Der Kunststoff ist dabei ein Bindematerial, in welchem magnetisch anisotropes, insbesondere pulverförmiges, Magnetmaterial eingelagert ist. Als Bindemittels dient hierzu beispielsweise ein Kunststoff wie Nylon, Polyphenylensulfid oder Po- lyamid.
Besonders bevorzugt ist der Ferrit ein Hartferrit. Beispielsweise alternativ zu Ferrit ist eine magnetisch anisotrope Legierung aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) als Magnetmaterial verwendet. Ein Magnet mit Ferrit als magnetisch anisotropes Magnetmaterial ist jedoch vergleichsweise kostensparend und temperaturbestän- diger als ein Magnet mit einer Legierung aus Neodym-Eisen-Bor. Zum Fügen des Rotors mit dem Drehelement sind vorzugsweise am Rotor eine Fügekontur oder Fügeelemente, wie beispielsweise Schraubdome oder Heißver- klemmdome, vorgesehen. Diese ist bzw. sind vorzugsweise mittels eines Mehr- komponenten-Spritzgussverfahrens an den Rotormagneten angeformt.
Somit sind der Rotormagnet sowie die zur Fügung vorgesehene Fügekontur bzw. die Fügeelemente einstückig ausgeführt. Der Rotor ist somit in einem einzigen Produktionsschritt und insbesondere in der vorgesehenen Endform herstellbar und auch hergestellt, was vorteilhaft weitere Produktionsschritte und Produktions- kosten einspart. Im Vergleich zu einem Rotor, welcher aus Einzelkomponenten gefertigt ist und deshalb eine vergleichsweise hohe Toleranzkette im Montagezu- stand der Einzelkomponenten aufweist, ist beim mittels des Mehrkomponenten- Spritzgussverfahrens einstückig ausgebildeten Rotor eine solche Toleranzkette vergleichsweise gering, weshalb Laufeigenschaften und eine Akustik des Elektro- motors verbessert sind.
Zusätzlich oder alternativ ist beispielsweise mittels des Spritzgussverfahrens der Rotor derart ausgebildet, dass dieser Lüftungslöcher aufweist, welche insbeson- dere in Axialrichtung bezüglich einer Motorachse verlaufen. Derart ist ein Luft- ström über einen den Elektromotor tragenden Motorträger ermöglicht. Dieser Luft- strom dient beispielsweise der Kühlung einer im oder am Motorträger angeordne- ten Motorelektronik. Bei einem mittels des Spritzgussverfahrens gebildeten Rotor ist des Weiteren keine Rotorblechung notwendig, weshalb ebenfalls besonders vorteilhaft Kosten eingespart sind, das Gewicht des Rotors reduziert und eine ver- gleichsweise hohe (Drehmoment-)Dichte des mittels des Drehfelds auf den Rotor wirkenden (Motor-)Drehmoments erreicht ist.
Beispielsweise zusätzlich oder alternativ ist mittels des Spritzgussverfahrens ein als Innenläufer ausgebildeter Rotor ringförmig ausgebildet. Mit anderen Worten ist der als Innenläufer ausgebildete (kernlose) Rotor zentral ausgespart. Ein solcher Rotor ist dann zweckmäßig mittels der Fügekontur bzw. mittels der Fügeelemente an das Drehelement gefügt. Dabei ist das Drehelement entsprechend, beispiels weise mittels eines Lagerschaftes eines Motorträgers, drehbar gelagert. Vorteil- hafterweise ist aufgrund dieser Aussparung ein Bauraum zur Verfügung gestellt, welcher beispielsweise für eine Kühlung oder eine Elektronik genutzt wird und/oder alternative Designs für Kühlkanäle ermöglicht. Zusammenfassend ist aufgrund des Spritzgussverfahrens die Geometrie des Ro- tors und insbesondere des Rotormagneten vergleichsweise einfach an von sich aus dem Bauraum und/oder einer vorgesehenen Funktionalität ergebenden Vor- gaben, wie beispielsweise die Lüftungslöcher, anpassbar und angepasst. In einer geeigneten Ausgestaltung weist der Rotormagnet bei Raumtemperatur (20°C) eine Remanenz zwischen 0,2 T und 0,5 T und eine Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation (HCJ) zwischen 150 kA/m und 1000 kA/m auf.
Ferner weist der Rotor an dessen dem Stator zugewandten Seite einen sinusför- migen Flussdichteverlauf auf. Dabei ist eine maximale Flussdichte (Flussdichten- amplitude) zwischen dem 1 ,2-fachen und dem 1 ,5-fachen der Remanenz des Ro- tormagneten erreicht. Auf der dieser Seite gegenüberliegenden Seite ist die Fluss- dichte im Wesentlichen gleich Null. Mit anderen Worten weist der Rotormagnet eine Magnetisierung nach Art einer Haibachanordnung derart auf, dass die maxi- male Flussdichte am Umfang des Rotors das 1 ,2-fache bis 1 ,5 fache der
Remanenz erreicht. Vorzugsweise beträgt die (magnetische) Flussdichtenamplitu- de des sinusförmigen Verlaufs der magnetischen Flussdichte zwischen 0,32 T und 0,7T. Der nach Art einer Halbach-Anordnung magnetisierte Rotor weist zusammenfas- send an dessen dem Stator zugewandten Seite und entsprechend in einem zwi- schen dem Rotor und dem Stator gebildeten Luftspalt einen sinusförmigen mag- netischen Feldstärkeverlauf bezüglich einer Radialrichtung, also senkrecht zur Motorachse, auf. Dies resultiert in einer sinusförmigen elektromotorischen Kraft (EMK) entlang der Umfangsrichtung des Rotors. Insbesondere aufgrund der Her- stellung des Rotors mittels des Spritzgussverfahrens und der entsprechend auf- geprägten Magnetisierung ist dabei eine sinusförmige EMK ohne oder zumindest mit vergleichsweise wenigen und/oder schwach ausgebildeten Oberschwingungen realisiert. Aufgrund dessen treten eine vergleichsweise geringe Drehmomentwel- ligkeit und ein vergleichsweise geringer Eisenverlust auf, weshalb die Motoreffizi- enz vorteilhaft verbessert ist. Die Laufeigenschaften des Elektromotors sind somit verbessert. Zusätzlich verringert die Sinusform des magnetischen Feldstärkever- laufs ein Rastmoment des Rotors. Ferner ist eine radiale Kraft, welche auf die Statorzähne wirkt, auf diese Weise verringert, so dass eine Deformation des Sta- tors und eine damit einhergehende Verschlechterung der Motorakustik vermieden sind. Zusammenfassend sind der magnetischen Flussablauf im zwischen dem Rotor und dem Stator des Elektromotors und dessen Flussablaufanfälligkeit verbessert.
Das mittels des Drehfelds auf den Rotor wirkende Motordrehmoment ist proporti- onal zum Quadrat des Durchmessers des Rotors. Mit anderen Worten nimmt also das Motordrehmoment mit zunehmendem Rotordurchmesser zu. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Rotor als ein Außenrotor ausgebildet. Folglich ist auf diese Weise im Vergleich zu einem als Innenläufer ausgebildetem Elektro- motor bei gleicher Baugröße des Elektromotors das Motordrehmoment größer. Des Weiteren ist bei einer Ausbildung des Rotors als Außenrotor eine Integration dessen in das Drehelement erleichtert, sofern das Drehelement den Rotor sowie den Stator außenseitig in Radialrichtung umfasst und/oder dort angeordnet ist.
Zur Integration des Rotors in das Drehelement sind gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Rotor und das Drehelement ein einteilig (einstückig) ausgebil- detes Spritzgussteil. Insbesondere ist das Spritzgussteil hierzu in einem Mehr- komponenten-Spritzgussverfahren hergestellt. Der Rotor steht also nicht mittels einer Welle mit Drehelement in Antriebsverbindung, sondern treibt das Drehele- ment bei dessen Rotation um die Motorachse unmittelbar (direkt) rotatorisch an.
Die im Zusammenhang mit der zur Ausgestaltung, bei welcher die Fügekontur bzw. die Fügeelemente und der Rotormagnet einteilig ausgebildet sind, genann- ten Vorteile gelten hier analog. So sind hier insbesondere der Rotor und das Dreh- element einstückig ausgeführt, was Produktionskosten einspart und die Laufei- genschaften des Elektromotors verbessert. Des Weiteren ist beispielsweise das Drehelement mit integriertem Rotor mittels des Mehrkomponenten-Spritzgussver- fahrens derart ausgestaltet, dass der Rotor und/oder das Drehelement Lüftungs- löcher aufweist.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist das Drehelement mit integriertem Rotor über ein Lagersystem am Lagerschaft des Motorträgers drehbeweglich ge- lagert. Dabei ist der Stator am Motorträger angebunden (gehalten, befestigt). In einer geeigneten Ausführung ist das Drehelement die Nabe eines Lüfterrads. Da- bei weist die Nabe das Lagersystem auf. Ferner ist der Rotor an der Innenseite der Nabe angeformt. Eine solche Nabe umfasst den Rotor und den Stator geeig- neterweise außenseitig bezüglich der Radialrichtung. Somit ist eine Integration des als Außenrotor ausgebildeten Rotors an der Innenseite der den Außenrotor umfassenden Nabe vergleichsweise einfach realisierbar.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 in einer schematischen Darstellung den Feldlinienverlauf eines Magnet- feldes zwischen einem Rotormagneten eines Rotors und einem Stator ei- nes Elektromotors, wobei der Rotor als ein Außenläufer ausgebildet ist und eine Magnetisierung nach Art einer Haibachanordnung aufweist,
Fig. 2 schematisch in einer Schnittdarstellung eine Nabe eines Lüfters mit einem Lagersystem, wobei in die Nabe der als Außenrotor ausgebildete Rotor in- tegriert ist, und wobei mittels des Lagersystems die Nabe und der Rotor an einem Lagerschaft eines Motorträgers drehbeweglich gelagert sind,
Fig. 3 schematisch eine alternative Ausgestaltung des Elektromotors, bei der der als Innenläufer ausgebildete Rotor mit der Nabe des Lüfters gefügt ist,
Fig. 4a schematisch in einer Schnittdarstellung eine zweite alternative Ausgestal- tung des Elektromotors, bei der der Rotormagnet des als Außenläufer ausgebildete Rotors mit einem Rotortopf gefügt ist, und Fig. 4b in einer Draufsicht den Rotormagneten des Rotors gemäß Fig. 4a, wobei der Rotormagnet zum Fügen mit dem Rotortopf eine Anzahl von Schultern und zapfenartige Stifte aufweist. Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszei- chen versehen.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Feldlinienverlauf eines Magnetfeldes zwischen ei- nem Rotormagneten 2a eines Rotors 2, welcher um eine sich in Axialrichtung A erstreckende Motorachse M drehbar gelagert ist, und einem Stator 4 eines bürs- tenlosen Elektromotors 6. Dabei sind diese zum Zwecke einer verbesserten Sicht barkeit des Feldlinienverlaufs lediglich ausschnittweise dargestellt. So zeigt die Fig. 1 lediglich eine Hälfte des Rotors 2 und des Stators 4, wobei die nicht darge- stellte Hälfte des Rotors 2 und des Stators 4 spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene E ist, durch welche die Motorachse M verläuft, und welche senkrecht zur Zeichenebene orientiert ist.
Der Stator 4 weist ein ringförmiges Statorjoch 8 auf, von welchem sich sternför- mig, also in einer zur Axialrichtung A senkrecht orientierten Radialrichtung R, Statorzähne 10 von der Motorachse M weg zum Rotor 2 hin erstrecken. Der Rotor 2 ist also außenseitig des Stators 4 angeordnet. Mit anderen Worten ist der Rotor 2 als Außenrotor (Außenläufer) ausgebildet.
Zwischen den Statorzähnen 10 sind Statornuten 12 gebildet, in welchen eine nicht weiter dargestellte, insbesondere als Spulen ausgebildete, Statorwicklung aufge- nommen ist. Die Statorzähne weisen dabei eine T-Form auf. So sind diese an de- ren dem Rotor 2 zugewandten Freiende beidseitig unter Bildung von Pollaschen 14 in einer Umfangsrichtung (azimutal) erweitert, welche senkrecht zur Axialrich- tung A und zur Radialrichtung R orientiert ist.
Der Rotormagnet 2a ist nach Art einer Flalbach-Anordnung magnetisiert. Flierzu ist der Rotormagnet 2a als ein Spritzgussteil ausgebildet, in welchem magnetisch anisotropes Magnetmaterial eingelagert ist, wobei das Magnetmaterial zumindest teilweise aus einem Ferrit gebildet ist. Hierbei weist der Rotormagnet vierzehn Magnetpole auf. Aufgrund der Halbachmagetisierung sind die Magnetfeldlinien im Wesentlichen innerhalb des Rotors 2 geführt. Folglich ist kein Eisenrückschluss für den Rotor 2 notwendig. Ein magnetischer Rückschluss im Stator 4 hingegen erfolgt durch das Statorjoch 8.
Die Magnetfeldlinien sind in einem zwischen dem Rotor 2 und dem Stator 4 gebil- deten (Luft-, Motor-)Spalt 16 im Wesentlichen entlang der Radialrichtung R orien- tiert. Das Magnetfeld weist dabei entlang des Umfangs des Rotors 2, also in Um- fangsrichtung U, an dessen dem Stator 4 zugewandten (Innen-)Seite 18 einen sinusförmigen Verlauf der Flussdichte auf, während auf der dieser Seite gegen- überliegenden Seite 20, also der Außenseite, die Flussdichte im Wesentlichen gleich Null ist. Insbesondere weist der Rotormagnet eine Remanenz von 0,28 T und eine Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation (HCJ) von 200 KA/m auf. Insbesondere durch die Wahl des Magnetmaterials, dessen Dichte im Rotor- magneten 2a, der Anzahl der Pole sowie der Magnetisierungsausrichtung ist es ermöglicht, dass die maximale Flussdichte das 1 ,2 bis 1 ,5 fache der Remanenz beträgt. In Fig. 2 ist der Elektromotor 6 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt, wobei die Schnittebene mittels der Axialrichtung A und mittels der Radialrichtung R aufgespannt ist und wobei die Motorachse in dieser Schnittebene liegt. Der Sta- tor 4 ist dabei an einem Motorträger 22 befestigt oder angebunden. Der Motorträ- ger 22 weist zentral einen sich in Axialrichtung A erstreckenden Lagerschaft 24 auf. Mittels eines Lagersystems 26 ist ein Drehelement 28 um die Motorachse M rotatorisch gelagert. Dabei weist das Drehelement 28 das Lagersystem 26 auf oder ist zumindest teilweise mittels diesem gebildet. Das Drehelement 28 ist als eine Nabe eines Lüfterrads ausgebildet. Der Rotor 2 ist dabei in das Drehelement 28 integriert. Zu diesem Zweck sind der Rotor 2 und das Drehelement 28 ein einteilig (monolithisch) ausgebildetes Spritz- gussteil. Hierzu wird das Drehelement 28 mit dem derart integrierten Rotor 2 mit- tels eines Mehrkomponenten-Spritzgussverfahrens hergestellt. Die Nabe umfasst dabei den Rotor 2 außenseitig. Mit anderen Worten ist zur Integration des Rotors 2 in das Drehelement 28 der Rotor 2 an der Innenseite 30 des Drehelements 28, d.h. an der dem Stator 4 zugewandten und senkrecht zur Radialrichtung R verlau- fenden Seite, angeformt. Auf diese Weise steht der Rotor 2 mit dem als Nabe des Lüfterrads ausgebildeten Drehelement 28 in Antriebsverbindung.
In der Fig. 3 ist eine alternative Ausgestaltung des Elektromotors 6 skizziert, bei welcher der Rotor 2 als ein Innenläufer ausgebildet ist. Analog zur Ausführung gemäß Fig. 2 der Stator 4 ist am Motorträgers 22 angebunden, wobei der Motor- träger 22 zentral den sich in Axialrichtung A erstreckenden Lagerschaft 24 auf- weist.
Im Vergleich zur Ausführung der Fig. 2, in welcher am Lagerschaft 24 mittels des Lagersystems 26 das als Nabe ausgebildete Drehelement 28 gelagert ist, weist hier der Rotor 2 einen Rotorkern 2c auf, welcher das Lagersystem 26 umfasst o- der dieses zumindest teilweise bildet. Mittels des Lagersystems 26 ist der Rotor 2 am Lagerschaft 24 des Motorträgers 22 drehbar (rotatorisch) gelagert. Dabei um- fasst der ringförmig ausgebildete Rotormagnet 2a den Rotorkern außenseitig be- züglich der Radialrichtung R. Die Nabe des Lüfterrads ist hierbei mit dem Rotor 2 mittels dessen Fügeelemente 2b gefügt. Beispielsweise sind die Fügeelemente 2b als, insbesondere im Zuge der Herstellung des Rotors 2 mittels des Mehrkompo- nenten-Spritzgussverfahrens angeformte, Schraubdome oder als Rastkonturen oder als stiftförmige Fügekontur ausgeführt, welche im Zuge eines Heißverpres- sens oder Heißverstemmens mit einer korrespondierenden Kontur der Nabe ge- fügt ist.
Fig. 4a zeigt eine zweite alternative Ausführung der Elektromotors 6, wobei der Rotor 2 als ein Außenläufer ausgebildet ist. Hierbei ist der Rotormagnet 2a des Rotors 2 mittels eines Rotortopfes 2d über das Lagersystem 26 am Lagerschaft 24 drehbar gelagert. Der Rotortopf 2d ist dabei beispielsweise ein Spritzgussteil oder alternativ eine mittels Fräsen hergestellte Komponente, wobei insbesondere Aluminium als Material für den Rotortopf 2d herangezogen ist. Der Rotortopf weist ferner in Axialrichtung durchgehende Aussparungen 22 auf, welche beispielswei- se jeweils mittels einer Bohrung realisiert sind. Auf diese Weise ist ein Luftstrom (Luftzug) zur Kühlung des Stators 4 oder der am Motorträger 22 angeordneten (Motor-) Elektronik 34. Der Rotortopf 2d weist Fügeelemente 2b zum Fügen mit dem nicht weiter dargestellten Drehelement 28 auf, welche hier beispielsweise als Schraubdome ausgebildet sind.
Wie in der Fig. 4b dargestellt ist, weist der Rotormagnet 2a zu dessen Fügen mit dem Rotortopf 2d Fügestifte 36 auf, welche in korrespondierenden Aufnahmen 38 einsitzen. Beispielsweise werden die Fügestifte auf der dem Rotormagneten 2a abgewandten Seite mittels eines nicht weiter dargestellten Sicherungsringes ge- halten oder alternativ erfolgt das Fügen mittels Laserschweißens oder Heißver- stemmens. Zusammenfassend ist der Rotormagnet 2a mittels des Rotortopfes 2d mit dem nicht weiter dargestellten Drehelement 28 gefügt. Um insbesondere ein Spiel zwischen dem Fügestift 36 und der entsprechenden Aufnahme auszugleichen und eine sichere Halterung des Magneten in tangentia- ler Richtung (azimuthal, in Umfangsrichtung U) zu realisieren, weist der Rotor 2a unter Bildung von Anlageschultern 40 eine quaderförmige Aussparung auf, in wel- che eine Lasche 42 des Rotortopfes bezüglich der Radialrichtung R und der Um- fangsrichtung U formschlüssig einsitzt. Die Ebene IV stellt die Schnittebene ge- mäß Fig. 4a dar.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fach- mann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlas- sen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbei- spielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kom- binierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
2 Rotor
2a Rotormagnet
2b Fügeelement
2c Rotorkern
2d Rotortopf
4 Stator
6 Elektromotor
8 Statorjoch
10 Statorzahn
12 Statornut
14 Pollasche
16 Spalt
18 Innenseite des Rotors
20 Außenseite des Rotors 22 Motorträger
24 Lagerschaft
26 Lagersystem
28 Drehelement
30 Innenseite des Drehelements 32 Aussparung
34 Elektronik
36 Fügestift
38 Aufnahme
40 Anlageschulter
42 Lasche
A Axialrichtung
E Symmetrieebene
M Motorachse
R Radialrichtung
U Umfangsrichtung

Claims

Ansprüche
1. Bürstenloser Elektromotor (6), aufweisend einen Stator (4) und einen Rotor (2), welcher in Antriebsverbindung mit einem Drehelement (28) steht, - wobei der Rotor (2) einen permanentmagnetischen Rotormagneten (2a) aufweist, welcher nach Art einer Halbach-Anordnung magnetisiert ist,
- wobei der Rotormagnet (2a) ein Spritzgussteil mit eingelagertem magne- tisch anisotropem Magnetmaterial ist, welches zumindest teilweise aus einem Ferrit gebildet ist, und
- wobei der Rotor (2) in das Drehelement (28) integriert oder mit diesem gefügt ist.
2. Bürstenloser Elektromotor (6) nach Anspruch 1 ,
- dadurch gekennzeichnet,
- dass der Rotormagnet (2a) eine Remanenz zwischen 0,2 T und 0,5 T, und eine Koerzitivfeldstärke der magnetischen Polarisation (HCJ) zwi- schen 150 kA/m und 1000 kA/m aufweist.
3. Bürstenloser Elektromotor (6) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (2) an dessen dem Stator (4) zugewandten Seite (18) ent- lang dessen Umfang einen sinusförmigen Flussdichteverlauf aufweist, wo- bei eine maximale Flussdichte zwischen dem 1 ,2-fachen und dem 1 ,5- fachen der Remanenz erreicht ist, und wobei die Flussdichte des Rotors (2) auf der dieser Seite (18) gegenüberliegenden Seite (20) im Wesentlichen gleich Null ist.
4. Bürstenloser Elektromotor (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
der Rotor (2) als Außenrotor ausgebildet ist.
5. Bürstenloser Elektromotor (6) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) und das Drehelements (28) ein einteilig ausgebildetes Spritzgussteil sind.
6. Bürstenloser Elektromotor (6) nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Drehelement (28) mit integriertem Rotor (2) über ein Lagersystem (26) an einem Lagerschaft (24) eines Motorträgers (22), an welchem der Stator (4) angebunden ist, drehbeweglich gelagert ist.
7. Bürstenloser Elektromotor (6) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Drehelement (28) die Nabe eines Lüfterrads ist, wobei die Nabe das Lagersystem (26) aufweist, und wobei an deren Innenseite (30) der Ro- tor (2) angeformt ist.
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