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Die
Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen Elektromotor, gemäß dem Patentanspruch
1.
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Elektronisch
kommutierte Elektromotoren besitzen üblicherweise einen permanentmagneterregten
Läufer,
wobei der Läufer
entweder mit einzelnen Permanentmagneten bestückt ist, oder am Läufer ist ein
mehrpoliger Ringmagnet angeordnet, und bei einem Läufer mit
einem kleinen Durchmesser besteht der Läufer oft selbst aus einem mehrpolig
magnetisierten Permanentmagneten. Die Magnetisierungsrichtung der
Magnete oder des Magneten solcher Läufer erfolgt überwiegend
senkrecht zum Luftspalt des Motors.
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DE 101 24 436 A1 zeigt
in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Stator und Rotor eines
bürstenlosen
Elektromotors. Der Stator trägt
eine Statorwicklung, deren Wicklungsphasen in Stern geschaltet sind,
und an dem aus einem Blechlamellenpaket bestehenden Rotorkörper sind
Permanentmagnete angeordnet. Die Nachteile einer solchen Anordnung
der Permanentmagnete am Läufer
sind darin zu sehen, daß bei
einer hohen Drehzahl und einer hohen Beanspruchung durch Temperatur
und weitere Einflüsse, die
Permanentmagnete sich vom Läufer
lösen können, außerdem besteht
die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete durch hohe
Magnetfelder am Ständer.
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Elektromotoren
müssen
von einer niedrigen bis zu einer hohen Drehzahl bei anliegender
Last flexibel steuerbar und überlastbar
sein. Ein elektronisch kommutierter permanentmagnetisch erregter
Elektromotor der bekannten Art, der diesen Anforderungen entspricht,
ist oft schwierig unterzubringen, da zur Anordnung eines solchen
Motors in vielen Fällen lediglich
nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht,
wodurch der Au ßendurchmesser
des Elektromotors entsprechend eingeschränkt ist. Zur Erzielung hoher
Drehzahlen ist es von Vorteil, wenn der permanentmagnetisch erregte
Läufer
eine niedrige Feldstärke
und eine geringe Anzahl Pole zum Ständer aufweist.
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Der
Nachteil einer niedrigen Feldstärke
der Permanentmagnete des Läufers
und einer geringen Anzahl von Feldpolen am Läufer besteht im besonderen
darin, daß wegen
der Gefahr einer Entmagnetisierung des permanentmagnetisch erregten
Läufers die
Leistungsaufnahme und somit auch das Drehmoment des Elektromotors
hierdurch eingeschränkt
ist.
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Zur
Erzielung einer hohen Leistungsaufnahme und einer hohen Drehzahl
des permanentmagnetisch erregten Elektromotors ist es von Vorteil,
wenn die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete des Läufer nicht
senkrecht zum Luftspalt des Elektromotors ausgerichtet ist. Für eine solche
Ausrichtung der Permanentmagnete zum Luftspalt des Motors sind bereits
eine Anzahl von Lösungsvorschlägen bekannt.
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DE 197 23 302 A1 beschreibt
eine derartige Lösung.
Der Läufer
ist mit einem reluktanzunterstützten
Permanentmagnetsystem ausgebildet, wobei die Anordnung der Permanentmagnete
im Läufer
eine Sammleranordnung ist. Der Läufer
besteht aus einem gebleckten Kern, der Läuferzähne und dazwischen liegende
Nuten aufweist, und in den Nuten sind Permanentmagnete angeordnet,
die tangential so magnetisiert sind, daß immer zwei Pole gleicher Polarität auf einen
Läuferzahn
wirken, wobei die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete parallel
zum Luftspalt des Motors ausgerichtet ist.
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US 6 847 149 B2 beschreibt
einen Elektromotor, bei dem die Permanentmagnete des Läufers in
Sammleranordnung längs
der Welle des Läufers
in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut angeordnet
sind. Die Nuten des Läufers
werden durch Kernglieder (Läuferzähne) gebildet,
und diese Kernglieder sind einzeln durch entsprechende Vorrichtungen
mit der Welle des Läufers
drehfest verbunden. Die Ständerzähne besitzen
zum Luftspalt eine spezielle ausgebildete Polfläche.
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Ein
Elektromotor der hier beschriebenen Art ist für viele Anwendungsfälle in der
Konstruktion zu aufwendig und zu kostenintensiv.
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US 6 097 126 A beschreibt
einen bürstenlosen
Gleichstrommotor, der einen permanentmagnetisch erregten Reluktanzläufer einer
besonderen Art beinhaltet. Zwischen den überkreuz angeordneten Läuferelementen
ist ein Permanentmagnet angeordnet, der an den Läuferelementen am Luftspalt
zum Ständer
die Polbildung erzeugt. Die Schaltfolge der Wicklungsstränge und
der Läuferschritte
erfolgen in bekannter Weise eines Reluktanzmotors, und somit ist
das Drehmoment mit einer entsprechenden nachteiligen Welligkeit
behaftet.
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Für die Anordnung
eines elektronisch kommutierten Elektromotors steht oft lediglich
nur ein begrenzter Raum zur Verfügung.
Daher ist der Außendurchmesser
des Elektromotors entsprechend eingeschränkt, wodurch die erforderliche
Feldwicklung am Ständer
schwer unterzubringen ist, wenn der Läufer einen ausreichenden Durchmesser
zur Erzielung eines entsprechenden Drehmoments besitzen soll. Dieses
Problem trifft im besonderen bei speziellen Antrieben zu.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen kostengünstigen
elektronisch kommutierten Elektromotor zu schaffen, der bei anliegender
Last flexibel steuerbar und hoch belastbar und überlastbar ist, und der in
Bezug zur Baugröße ein verhältnismäßig hohes
Drehmoment und hohe Drehzahlen erzielt, wobei die Polfühligkeit
und die Geräuschentwicklung sowie
die Erwärmung
des Elektromotors gering sein soll.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und
der Beschreibung zu entnehmen.
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Durch
den speziellen Aufbau des Ständers und
des Läufers
des Elektromotors bestehen die Vorteile darin, daß ein besonders
weicher Übergang
der Läuferschritte
von dem einen Läuferschritt
zum nächsten
Läuferschritt
erzielt wird, und somit die Drehmomentwelligkeit und die Geräuschentwicklung des
Elektromotors reduziert ist, wobei das Drehmoment am Anfang und
am Ende eines Läuferschrittes annähernd gleich
ist, und die Leistungsaufnahme sowie die effektive Leistungsabgabe
deutlich erhöht
ist, und der Elektromotor hoch belastbar ist. Außerdem ist durch den speziellen
Aufbau des Elektromotors eine Nachsteuerung des Kommutierungszeitpunktes der
Wicklungsstränge
bei steigender Drehzahl nicht erforderlich, da der Kommutierungszeitpunkt
sich bis zu einem Viertel einer Ständerzahnbreite nach vorne verschieben
kann, ohne daß hierbei
der Wirkungsgrad des Elektromotors nennenswert beeinflußt wird.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 u. 2 in
axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors,
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3 u. 4 in
axialer Draufsicht eine alternative Darstellung vom Ständer und
Läufer
des Elektromotors,
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5 in
axialer Draufsicht eine weitere alternative Darstellung vom Ständer und
Läufer
des Elektromotors,
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6 eine
Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung
der Wicklungsstränge
des Elektromotors.
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1 zeigt
in axialer Draufsicht eine Ansicht des Elektromotors als Innenläufer mit
Wicklungssträngen
am Ständer 1 und
einen Läufer 2 mit
Läuferzähnen 3 und
Permanentmagneten 4. Der Ständer besitzt bei einer zweipoligen
Auslegung der Wicklungsstränge
sechs zum Läufer
gerichtete Ständerzähne 5,
wobei die Wicklungsstränge
jeweils zwei Spulen beinhalten, und die Spulen 6 der Wicklungsstränge umgreifen
jeweils einen Ständerzahn 5.
Die Wicklungsstränge
sind während
des Motorbetriebes derart an eine Stromquelle gelegt, daß die am
Ständer
sich gegenüber
liegenden Ständerzähne jeweils gleichnamige
Pole, und zwei nebeneinander liegende Ständerzähne jeweils ungleichnamige
Pole zueinander bilden. Diese Polbildung ist am Ständer mit
N, S gekennzeichnet.
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Der
Läufer 2 ist
als ein permanentmagneterregter Reluktanz-Läufer
ausgebildet. Die Läuferzähne 3 des
Läufers 2 bilden
zum Ständer
die Polflächen 7 des
PM erregten Läufers,
wobei die Permanentmagnete 4 in Sammleranordnung längs der
Welle des Läufers
in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut 8 angeordnet
sind, und die jeweils zum Läuferzahn 3 weisende
Polfläche
der Permanentmagnete besitzen eine gleichnamige Polbildung zueinander,
die am Luftspalt die Polfelder zum Ständer bilden. Die Breite der
Nuten 8 des Läufers 2 entspricht der
Höhe der
Permanentmagnete 4, wobei die Nutöffnung 9 der Nuten 8 kleiner
gehalten sein kann wie die Höhe
der Permanentmagnete, und die Läuferzähne 3 Nasen 10 zur
Nutöffnung
aufweisen, um ein Herausschleudern der Permanentmagnete aus den Nuten
zu verhindern. Das Verhältnis
der Ständerzähne zu den
Läuferzähnen beträgt 3:2.
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Zur
Erzielung eines hohen Wirkungsgrades des Motors, beträgt vorzugsweise
die Breite der Nutöffnung 9 der
Nuten 8 des Läu fers
mindestens etwa die halbe Breite eines Ständerzahns 5, und höchstens
plus etwa der Weite einer Ständer-Nutöffnung. Die
Permanentmagnetbreite in der Richtung zur Welle wird bestimmt durch
die zum Luftspalt gerichtete gewünschte
Feldstärke,
je breiter die Permanentmagnete ausgelegt sind, und je geringer
der Zwischenraum der Permanentmagnete zueinander im Bereich der
Welle gestaltet ist, desto höher
ist die zum Luftspalt gerichtete Feldstärke an den Läuferzähnen. Die
Läuferzähne 3 sind
zusammenhängend
an der Welle 11 des Läufers 2 angeordnet,
und werden vorzugsweise aus aufgestapelten Blechen gebildet, somit
besteht der Läuferkörper aus
einem Blechlamellenpaket.
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1 zeigt
während
des An- und Hochlaufs die Läuferstellung,
bei der ein Läuferschritt
vorzugsweise beendet wird, hierbei befindet sich der ablaufende
und auflaufende Läuferzahn 3' jeweils etwa mittig
zu den nebeneinander liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähnen, und
der nachfolgende auflaufende Läuferzahn 3'' befindet sich mit der auflaufenden
Kante 12 in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils
etwa an der Kante 13 des ersten Ständerzahns der nebeneinander
liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne.
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Die
Läuferschritte
werden durch Umpolung der Wicklungsstränge beendet.
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2 zeigt
während
des An- und Hochlaufs den beendeten Läuferschritt durch Umpolung
der Wicklungsstränge,
wobei gleichzeitig der nächste Läuferschritt
eingeleitet ist. Die auflaufende Kante 12 des Läuferzahns 3'' befindet sich nun jeweils in Bezug
zur Drehrichtung des Läufers
etwa an der auflaufenden Kante 13' des zweiten Ständerzahns der nebeneinander
liegenden ungleichnamig erregten Ständerzähne.
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Durch
diese Anordnung der Schaltvorgänge der
Läuferschritte
ist das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrit tes annähernd gleich,
und eine Nachsteuerung des Kommutierungszeitpunktes der Wicklungsstränge ist
bei einer steigenden Drehzahl nicht erforderlich, da der Kommutierungszeitpunkt
sich bis zu einem Viertel einer Ständerzahnbreite nach vorne verschieben
kann, ohne daß hierbei
der Wirkungsgrad des Elektromotors nennenswert beeinflußt wird.
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Eine
Läuferumdrehung
kann sowohl mit zwölf
Läuferschritten
als auch mit sechs Läuferschritten
erfolgen, indem ein Läuferschritt
die Wegstrecke der Breite eines halben Ständerzahns entspricht, oder
die Wegstrecke entspricht der Breite eines Ständerzahns plus jeweils der
Weite einer Nutöffnung.
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Oft
steht für
einen Elektromotor lediglich nur ein eingeschränkter Raum zur Verfügung. Um
nun mit dem Läufer
eines elektronisch kommutierten Elektromotors ein ausreichendes
Drehmoment während
des Anlaufs und in den niedrigen Drehzahlen zu erzielen, ist ein
solcher Elektromotor entsprechend auszulegen.
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In 3 und 4 ist
ein solcher Elektromotor dargestellt.
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Das
Blechpaket 14 des Ständers
ist so gehalten, daß der
Läufer 15 einen
verhältnismäßig großen Durchmesser
aufweist, hierfür
sind die Ständerzähne derart
gestaltet, daß die
Ständerzähne lange schmale
Polhörner 16 besitzen,
und der Rückschluß 17 am
Blechpaket 14 des Ständers
ist auch sehr schmal ausgelegt, so daß jeweils zur Aufnahme der Spule
am Ständerzahn
ein hierfür
erforderlicher Raum zur Verfügung
steht. Der Fluß der
Magnetfelder, der nicht über
den Rückschluß 17 des
Blechpakets 14 aufgenommen werden kann, wird durch den Eisenzylinder 18 des
Ständers
aufgenommen. Dieser Eisenzylinder 18 besitzt bei einer
Anflanschung des Elektromotors an einem Getriebe Lagerschilde.
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Eine
derartige Auslegung des Blechpakets des Ständers ist dadurch ermöglicht,
daß die
Spulen der Wicklungsstränge
ledig lich jeweils einen Ständerzahn
umschlingen, und diese Spulen werden vorzugsweise maschinell eingespult.
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Zur
Erzielung einer hohen Drehzahl und einer geringen Polfühligkeit
ist das Volumen der Permanentmagnete entsprechend reduziert. Damit
die zum Luftspalt gerichteten Nutöffnungen 19 des Läufers 15 von
der einen Polfläche
zu der benachbarten Polfläche,
der zum Luftspalt gerichteten Polfläche 20 der Läuferzähne 21,
mindestens etwa die halbe Breite eines Ständerzahns 5 aufweist,
ist der Abstand der Permanentmagnete 22 zu den Ständerzähnen 5 entsprechend
vergrößert, und
die Läuferzähne 21 sind jeweils
mit einer zu den Permanentmagneten 22 bildende Nase 23 entsprechend
abgeschrägt,
wodurch die Weite der Nutöffnung 19 am
Luftspalt mindestens etwa auf die halbe Breite eines Ständerzahns,
und höchstens
plus etwa der Weite einer Ständer-Nutöffnung vergrößert ist,
und hiermit eine Verminderung des Wirkungsgrades des Elektromotors,
durch die Anordnung von Permanentmagneten mit einer geringen Höhe, verhindert
wird. Die zu den Permanentmagneten Nase bildende Abschrägung 24 der
Läuferzähne 21 ist
in der 3 geradlinig ausgelegt.
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Wie
in 4 dargestellt, kann vorzugsweise sowohl die zum
Luftspalt gerichtete Polfläche 20' der Läuferzähne 21,
als auch die Nase bildende Abschrägung 24' variabel bogenförmig ausgelegt
sein. Diese Auslegung besitzt den Vorteil, daß ein besonders weicher Übergang
der Läuferschritte
von dem einen Läuferschritt
zum nächsten
Läuferschritt
erzielt werden kann, und somit auch die Drehmomentwelligkeit und
die Polfühligkeit
des Elektromotors weiter reduziert ist. Die Nuten 25 zur
Aufnahme der Permanentmagnete 22 sind vorzugsweise am Nutengrund 26 halbkreisförmig ausgebildet.
Durch eine solche Ausbildung der Nuten des Läufers, können die zuvor magnetisierten
Permanentmagnete 22 sicher in die Nuten 25 kleberfrei
eingepreßt
werden. An den Stirnseiten des Läufers
können
Auswuchtschei ben angeordnet sein, die vorzugsweise zur Kühlung der
Ständerwicklung
mit Lüfterflügel versehen
sind, und zur Sicherung der Permanentmagnete dienen können.
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1 bis 4 zeigen
einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist und
an jedem Ständerzahn
ist eine Spule angeordnet, wobei der Läufer vierpolig ausgelegt ist.
Für sehr hohe
Drehzahlen kann der Läufer
auch zweipolig ausgelegt sein.
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5 zeigt
einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist,
und der Läufer
ist zweipolig ausgelegt, somit beträgt das Verhältnis der Ständerzähne zu den
Läuferzähnen 3:1.
Die Spulen der dreisträngigen
Ständerwicklung
umgreifen hier jeweils zwei Ständerzähne, mit
einer durch N, S dargestellten Polbildung am Ständer. Die Läuferzähne 27 sind hier jeweils
mit einer zu den Permanentmagneten 22' bildende Nase 23 derart
abgeschrägt,
daß die
Weite der Nutöffnung 19' der Nuten 25' des Läufers 28 am
Luftspalt etwa um die Breite eines Ständerzahns vergrößert ist.
Bei Beginn eines Läuferschrittes
ist die auflaufende Kante 12' der Läuferzähne 27 vorzugsweise
in Bezug zur Drehrichtung des Läufers
jeweils zur auflaufenden Kante 29 des jeweils ersten Ständerzahns
der jeweiligen Polfelder am Ständer
ausgerichtet. Eine Läuferumdrehung
kann hier sowohl mit sechs Läuferschritten,
als auch mit drei Läuferschritten
erfolgen, indem ein Läuferschritt
jeweils die Wegstrecke der Breite eines Ständerzahns entspricht, oder
die Wegstrecke entspricht der Breite von jeweils zwei Ständerzähnen.
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Zur
Gewichtreduzierung des Läufers
können die
Läuferzähne 3, 21, 27 mit
Aussparungen 30 versehen werden, diese Aussparungen bewirken
auch eine geringere Erwärmung
des Läufers.
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Durch
die Kombination des speziellen Aufbaus des Läufers und der speziellen Anordnung
der Spulen der Wicklungsstränge
am Ständer
und das Zusammenwirken dieser Kombination durch die Steuerung des
Drehfeldes am Ständer
mittels einer elektronischen Steuereinrichtung und der Ausrichtung
der Läuferpole
zum Ständerfeld,
wird bei jeder Läuferstellung
ein annähernd
gleiches Drehmoment erzielt, und die effektive Leistungsabgabe ist
vergleichsweise deutlich erhöht,
wobei der Elektromotor hoch belastbar ist, ohne daß hierbei
die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete besteht.
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Zur
Anlegung der Wicklungsstränge
an eine Stromquelle ist dem Elektromotor eine Ansteuerelektronik
zugeordnet.
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6 zeigt
eine Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur
Kommutierung der Wicklungsstränge.
Die Wicklungsstränge
sind jeweils mit dem einen Ende an einer transistorbestückten Halbbrücke 31 angeschlossen
und mit dem anderen Ende in Stern geschaltet, und den Transistoren 32; 32' ist eine Steuereinheit 33 zugeordnet.
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Die
Erkennung der Läuferstellung
kann mit den bekannten Mitteln erfolgen, oder die Ermittlung des
Schaltzeitpunktes der Wicklungsstränge wird elektronisch ermittelt
und erfolgt somit sensorlos.
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Für eine Schnellabbremsung
des Motors wird ein Wicklungsstrang über ein Schaltglied zum Sternpunkt
oder zu einem weiteren Wicklungsstrang kurzgeschlossen.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann
der Elektromotor auch eine andere Polpaarzahl, und somit eine andere
Anzahl von Ständerzähnen und
Läuferzähnen besitzen,
und die Bemaßung der
Permanentmagnete eine andere sein.