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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkungs-Anordnung (Lenkkraftunterstützungs-Anordnung) zur Unterstützung der Lenkkraft bei einem Fahrzeuglenkrad mit einem Motor.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Aus der
EP 0 831 012 A1 ist eine solche Servolenkungs-Anordnung bekannt, wobei der Motor ein Joch, einen Magnetfeldabschnitt, der an der Innenwand des Jochs befestigt ist, eine Welle, welche frei drehbar innerhalb des Jochs angeordnet ist und einen Anker, der an der Welle befestigt ist, aufweist. Der Anker weist eine Wicklung auf, die durch Wickeln eines Drahts in Schlitze, die auf der äußeren Umfangsfläche eines Kerns ausgebildet sind und sich in dessen Axialrichtung erstrecken aufgebaut ist. Ferner ist ein Kommutator vorgesehen, der an einem Endabschnitt der Welle befestigt ist. Die Bürsten stehen mit dem Kommutator in Kontakt, der sich über das Joch in Axialrichtung der Welle hinaus erstreckt.
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Ferner sind aus dem Fachbuch „Die Wicklungen elektrischer Maschinen” von Heinrich Sequenz, 1952, Seite 128 bzw. 129, Schleifenwicklungen mit 24 Nuten (Schlitzen) für vier Pole sowie 18 Nuten (Schlitzen) für vier Pole bekannt. Die
CH 180 169 A betrifft ferner einen Anlassermotor für Dieselmaschinen mit vier Polen und 22 bzw. 26 Nuten (Schlitzen). Darüber hinaus offenbart die
DE 195 01 750 A1 eine Servolenkungs-Anordnung mit einem Motor, der eine Anzahl von Schlitzen aufweist, die durch die Polzahl ganzzahlig teilbar ist.
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Ferner ist 15 ein Querschnitt eines Motors für eine elektrische Servolenkungs-Anordnung 100 aus dem Stand der Technik (im Folgenden als ”Elektromotor” bezeichnet). Der Elektromotor 100 umfasst: ein zylindrisches Joch 1, zwei Permanentfeld-Magneten 2, die umfänglich angeordnet sind und so befestigt sind, dass sie innerhalb des Jochs 1 gegenüberliegen; eine Welle 4, die mittels Lager innerhalb des Jochs 1 frei drehbar angeordnet ist, um einen Anker 5, der an der Welle 4 befestigt ist; einen Kommutator 6, der eine Vielzahl von Kupferabschnitten 16 umfasst, befestigt an einem Endabschnitt der Welle 4; und Bürsten 8, die durch die elastische Kraft von Federn 7 in Kontakt mit der Oberfläche des Kommutators 6 gebracht werden.
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Der Anker 5 umfasst: einen Kern 9, der eine Vielzahl von Schlitzen 11 hat, die sich axial erstrecken, und eine Wicklung 10, die dadurch hergestellt wird, dass Draht in einem Schleifenwicklungsverfahren in die Schlitze 11 gewickelt wird.
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In dem obigen Schleifenwicklungs-Elektromotor 100 mit zwei Polen wird der Wicklung 10 mittels der Bürsten 8, welche die Abschnitte 16 berühren, elektrischer Strom zugeführt, wodurch sich der Anker 5 zusammen mit der Welle 4 aufgrund elektromagnetischer Wirkung dreht.
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Da der obige Elektromotor 100 hauptsächlich in relativ leichten Fahrzeugen niedriger Leistungsfähigkeit verwendet wird, ist das unterstützende Drehmoment aus dem Elektromotor 100 klein, und folglich auch das Betriebsgeräusch des Elektromotors 100 klein – so klein, dass es innerhalb des Fahrzeugs praktisch nicht wahrnehmbar ist.
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Da jedoch Treibstoffeinsparung und Gewichtsreduktion selbst in schweren Fahrzeugen mittlerer und hoher Leistungsfähigkeit aufgrund des Wunsches nach Verbrauchseffizienz, verringertem Abgasausstoß usw. erforderlich sind, wird damit begonnen, hydraulische Servolenkungs-Anordnungen durch Gleichstrommotor-Servolenkungs-Anordnungen zu ersetzen. Elektromotoren, welche ein hohes Drehmoment bereitstellen, sind in solchen Fällen erforderlich. Da zweipolige Schleifenwicklungsanordnungen zu Motoren mit großen Abmessungen führen, ist es notwendig, die Zahl der Pole auf vier oder mehr zu vergrößern, um die Größe zu reduzieren und ein hohes Drehmoment zu erzeugen.
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Die 16 und 17 zeigen Vergleiche zwischen einem Zweipol-Gleichstrommotor mit 14 Schlitzen (im Folgenden als ”Zweipolmotor” bezeichnet) und einem Vierpol-Gleichstrommotor mit 21 Schlitzen (im Folgenden als ”Vierpolmotor” bezeichnet), welcher als Beispiel einer mehrpoligen Maschine dient. Diese Figuren zeigen die Unterschiede in der magnetischen Anziehung, die auf die Anker in Zweipol- und Vierpol-Motoren wirkt, wenn die Anker außermittig liegen, und diese Figuren wurden von den Erfindern mit Hilfe einer Magnetfeldanalyse erstellt. In 16 stellt ”•” das Zentrum des Ständers dar, d. h. der ursprüngliche Mittelpunkt der Drehung, und ”X” stellt den Mittelpunkt der Drehung bei außermittiger Lage dar. In 17 stellt ”-•-” die Kraft in Exzentrizitätsrichtung dar, und ”-X-” stellt die dazu senkrechte Kraft dar. Wie aus der Figur ersichtlich ist, werden Vibrationen und Geräusche eher in einem Vierpolmotor als in einem Zweipolmotor erzeugt.
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Als die Kräfte bei jedem Exzentrizitätswinkel von 0° bis 360° untersucht wurden, welche auf die Anker wirken nachdem diese um den gleichen Betrag (0,1 mm) aus der ursprünglichen Zentrallage außermittig angeordnet wurden, war die maximale magnetische Anziehung, die in Exzentrizitätsrichtung des Vierpolmotors wirkte, ungefähr 2,7 N oder das Sechsfache der maximalen magnetischen Anziehung, die in Exzentrizitätsrichtung des Zweipolmotors wirkte, welche 0,45 N betrug. In dem Zweipolmotor ist die Richtung der magnetischen Anziehung aufgrund der Exzentrizität klar ersichtlich, und wenn die wirkende Kraft mit dem Exzentrizitätswinkel verglichen wird, erkennt man, dass die magnetische Anziehung bei Exzentrizität zwischen den Polen (Exzentrizitätswinkel von 90° oder 270°) beinahe doppelt so hoch ist (0,45/0,21) als wenn die Exzentrizität zum Zentrum eines Pols gerichtet ist (Exzentrizitätswinkel von 0° oder 180°). In dem Vierpolmotor kann andererseits keine klare Richtung festgestellt werden. Das bedeutet, dass die Kraft in Richtung der Exzentrizität ungefähr 2,7 N für jeden Exzentrizitätswinkel von 0° bis 360° beträgt, was heißt, dass es eine Stabilitätsrichtung bezüglich der Exzentrizität in einem Zweipolmotor gibt, aber dass keine solche Richtung in einem Vierpolmotor existiert, und es kann angenommen werden, dass dieser Unterschied mit den Unterschieden bei der Vibration und dem Geräusch in Beziehung steht.
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Somit ist es notwendig die Zahl der Pole auf vier oder mehr zu erhöhen, um die Größe zu verringern und ein hohes Drehmoment zu erzeugen, mit der Folge von im Vergleich zu Zweipolmotoren eher auftretenden Vibrationen und Geräuschen.
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Außer der Schleifenwicklung kann auch die Wellenwicklung als Wicklungsverfahren für Anker in Betracht gezogen werden, wenn die Zahl der Pole erhöht wird, um die Größe zu verringern und das Drehmoment zu erhöhen. Bei einer Schleifenwicklung ist die Zahl der vorgesehenen Bürsten im allgemeinen die gleiche wie die Zahl der Pole, aber bei einer Wellenwicklung sind im allgemeinen zwei Bürsten vorgesehen.
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Die
18 und
19 sind Diagrammen und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung zeigen, die auf einen Vierpol-Anker mit 21 Schlitzen wirkt, welcher als mehrpoliges Beispiel angegeben wird, wobei die
18 einen Fall mit einer Schleifenwicklung und vier Bürsten zeigt, und
19 einen Fall, mit einer Wellenwicklung und zwei Bürsten zeigt. In den
18 und
19 stellt
dar, dass 100% Strom senkrecht zum Papier in Aufwärtsrichtung fließt,
stellt dar, dass 100% Strom senkrecht zum Papier in Abwärtsrichtung fließt,
stellt dar, dass 50% Strom senkrecht zum Papier in Aufwärtsrichtung fließt,
stellt dar, dass 50% Strom senkrecht zum Papier in Aufwärtsrichtung fließt, und
stellt dar, dass kein Strom fließt.
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Beim Vergleich der zwei Figuren erkennt man, dass im Fall der Wellenwicklung die magnetischen Anziehung, die auf den Anker ausgeübt wird wenn der Anker sich um einen Schlitz des Kerns dreht, stets in eine bestimmte radial nach außen zeigende Richtung gerichtet ist, wie durch den Pfeil A angegeben, wohingegen im Fall des Ankers mit 21 Schlitzen und Schleifenwicklung die magnetische Anziehung sich umfänglich bewegt, wie durch den Pfeil B angegeben, und ein Problem bei einem Schleifenwicklungs-Anker mit 21 Schlitzen ist, dass leicht Drehvibrationen auftreten, was die Erzeugung von Betriebsgeräuschen umso wahrscheinlicher macht.
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Im Falle einer mehrpoligen Schleifenwicklung mit ungerader Schlitzzahl, gibt es das weitere Problem, dass aufgrund der Einflüsse von Ungleichgewichten in dem elektromagnetischen Kreis des Jochs, aufgrund von Exzentrizitäten im Anker, aufgrund von nicht gleichmäßigen Strömen, die durch die Bürsten fließen, aufgrund von Entwurfsfehlern, usw., Unterschiede bei den elektromotorischen Kräften auftreten, die in den Kreisen der Wicklung des Ankers induziert werden, was dazu führt, dass Kreisströme bzw. zirkulierende Ströme innerhalb des Ankers durch die Bürsten fließen, und als Ergebnis nimmt die Kommutierungswirkung der Bürsten ab, was zu einer Temperaturerhöhung führt, sowie zu einer verkürzten Lebensdauer, einer erhöhten Drehmomentwelligkeit in den Bürsten und dem Kommutator, was mit einer Verstärkung des Bürstenfeuers einhergeht, und entsprechende kombinierte Effekte hervorruft, wodurch das Betriebsgeräusch erhöht wird.
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Gleichermaßen gibt es auch Probleme, im Fall einer mehrpoligen Wellenwicklung mit einer ungeraden Schlitzzahl, wie die Zunahme der Stärke der Drehmomentwelligkeit und die Abnahme der Bearbeitbarkeit, aufgrund der erhöhten Dicke der Wicklung zur Verringerung der Zahl an Parallelkreisen, usw.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die obigen Probleme zu lösen und hat als Aufgabe die Schaffung einer elektrischen Servolenkungs-Anordnung bzw. Lenkkraftunterstützungs-Anordnung mit einem Motor, welcher in der Lage ist mit verringertem Betriebsgeräusch zu arbeiten.
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Um die obige Aufgabe zu lösen wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrische Servolenkungs-Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 geschaffen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist in einem Unteranspruch definiert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Teilquerschnitt eines Motors für eine nicht erfindungsgemäßen elektrische Servolenkungs-Anordnung;
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2 ist eine Vergrößerung eines Teils der 1;
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3(a) ist eine entwickelte Vorderansicht des Ausgleicher-Hauptkörpers aus 1;
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3(b) ist eine Seitenansicht der 3(a);
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4(a) ist eine Vorderansicht der Basis des Ausgleicher-Hauptkörpers aus 1;
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4(b) ist eine Seitenansicht der 4(a);
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5 ist eine Vorderansicht eines Anschlusses des Ausgleicher-Hauptkörpers aus 1;
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6 ist eine Vorderansicht einer Isolierplatte des Ausgleicher-Hauptkörpers aus 1;
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7 sind Diagrammen und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung erklären, die auf einen Anker einer erfindungsgemäßen Servolenkungs-Anordnung wirkt, der vier Pole, eine Schleifenwicklung, vier Bürsten und 22 Schlitze hat;
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8 ist eine Vorderansicht, welche ein weiteres Beispiel eines Anschlusses zeigt;
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9 ist ein Querschnitt, der ein weiteres Beispiel eines Ankers zeigt;
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10 ist eine Vergrößerung eines Teils der 9;
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11 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis Zwischen der Zahl an Anschlüssen und der Geräuschauswertung zeigt;
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12 ist ein Schaubild, welches das Verhältnis zwischen der Motorleistungsklasse und des Motorbetriebsgeräusches für verschiedene Arten von Motoren zeigt;
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13 ist eine Perspektivansicht, welche einen Motor für eine elektrische Servolenkungs-Anordnung zeigt, der auf einem Ritzel montiert ist;
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14 ist ein Schaubild, welches Verhältnisse zwischen der Steuerverstärkung, der Drehmomentfluktuation und der magnetischen Anziehung in Radialrichtung zeigt;
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15 ist ein Querschnitt eines Motors für eine elektrische Servolenkungs-Anordnung aus dem Stand der Technik.
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16 sind Diagramme, welche die magnetische Anziehung in einem Zweipolmotor (in 17 oben) und einem Vierpolmotor (in 17 unten) erklären;
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17 sind Schaubilder, welche die magnetische Anziehung in einem Zweipolmotor und einem Vierpolmotor erklären;
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18 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Vierpolmotor mit Schleifenwicklung, 21 Schlitzen und vier Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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19 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Vierpolmotor mit Wellenwicklung, 21 Schlitzen und 2 Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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20 ist ein Blockdiagramm für eine Steuereinheit;
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21 Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Vierpolmotor mit Schleifenwicklung, 24 Schlitzen und vier Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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22 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Vierpolmotor mit Schleifenwicklung, 20 Schlitzen und vier Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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23 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Vierpolmotor mit Schleifenwicklung, 26 Schlitzen und vier Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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24 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Vierpolmotor mit Schleifenwicklung 28 Schlitzen und vier Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung zeigen;
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25 ist eine Tabelle, welche das Verhältnis zwischen Drehmomentwelligkeit und magnetischer Anziehung in Vierpolmotoren mit Schleifenwicklung, 4 Bürsten sowie 20 Schlitzen, 21 Schlitzen, 22 Schlitzen, 24 Schlitzen, 26 Schlitzen und 28 Schlitzen für elektrische Servolenkungs-Anordnungen zeigen;
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26 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Sechspolmotor mit Schleifenwicklung, 25 Schlitzen und sechs Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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27 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Sechspolmotor mit Schleifenwicklung, 24 Schlitzen und sechs Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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28 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Sechspolmotor mit Schleifenwicklung, 22 Schlitzen und sechs Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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29 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Sechspolmotor mit Schleifenwicklung, 26 Schlitzen und sechs Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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30 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Sechspolmotor mit Schleifenwicklung, 21 Schlitzen und sechs Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären;
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31 sind Diagramme und Schaubilder, welche die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit in einem Sechspolmotor mit Schleifenwicklung, 27 Schlitzen und sechs Bürsten für eine nicht erfindungsgemäße elektrische Servolenkungs-Anordnung erklären; und
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32 ist eine Tabelle, welche das Verhältnis zwischen Drehmomentwelligkeit und magnetischer Anziehung in einem Sechspolmotor mit Schleifenwicklung und sechs Bürsten, sowie 21, 22, 24, 25, 26 und 27 Schlitzen für elektrische Servolenkungs-Anordnungen zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
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Ein Beispiel einer nicht erfindungsgemäßen elektrischen Servolenkungs-Anordnung mit einem Motor (im Folgenden als ”Elektromotor” bezeichnet) wird nun beschrieben, und Teile dieser Anordnung, welche jenen des Beispiels aus dem Stand der Technik entsprechen, erhalten die gleichen Bezugszeichen.
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Der elektrische Motor umfasst: ein zylindrisches Joch 1, vier Permanentmagnete 2, die aus Ferrit bestehen, die umfänglich beabstandet und innerhalb des Jochs 1 befestigt sind; eine Welle 4, die durch Lager 3 frei drehbar innerhalb des Jochs 1 angeordnet ist; einen Anker 20, der an der Welle 4 befestigt ist; einen Kommutator 6, der eine Vielzahl von Segmenten 16 umfasst, befestigt an einem Endabschnitt der Welle 4; vier Bürsten 8, die äquidistant beabstandet sind und in Kontakt gebracht sind mit der Oberfläche des Kommutators 6 durch die elastische Kraft von Federn 7; und ein Ausgleicher-Hauptkörper 22, der zwischen dem Anker 20 und dem Kommutator 6 an der Welle 4 befestigt ist. Das Joch 1, die Permanentmagneten 2, Lager 3, Federn 7 und Bürste 8 sind in diesen Figuren nicht abgebildet.
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Der Anker 20 umfasst: einen Kern 9, welcher vierundzwanzig Schlitze hat, die sich in Axialrichtung erstrecken; und eine Wicklung 21, die durch Wicklung von Draht in Schlitze durch ein Schleifenwicklungsverfahren hergestellt wird.
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3(a) ist eine entwickelte Vorderansicht des Ausgleicher-Hauptkörpers 22, und 3(b) ist eine Seitenansicht des Ausgleicher-Hauptkörpers 22 in 3(a). Der Ausgleicher-Hauptkörper 22 umfasst: zwölf Anschlüsse 24, die aus Kupferblech oder aus verkupfertem Blech usw. bestehen, welche Ausgleichsglieder sind, und zwölf Isolierplatten 25, welche abwechselnd auf der Basis bzw. dem Sockel 23 in Schichten gestapelt sind.
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Die 4(a) und 4(b) sind eine Vorderansicht und eine Seitenansicht des Sockels 23. Zwölf Stifte 26 sind so angeordnet, dass sie äquidistant um den Umfang eines torischen Sockelhauptkörpers 27 stehen.
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5 ist eine Vorderansicht eines Anschlusses 24, der ein Ausgleichsglied ist. Öffnungen 29 sind an vierundzwanzig Punkten gebildet, die um den Umfang eines ringförmigen Anschlusshauptkörpers 28 jedes Anschlusses 24 äquidistant beabstandet sind. Ferner sind Ausgleicherzuführungsabschnitte 30a, 30b, welche sich in entgegengesetzten Richtungen radial nach außen erstrecken, an dem Anschlusshauptkörper 28 angeordnet.
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6 ist eine Vorderansicht einer Isolierplatte 25. Öffnungen 32 sind an 24 Punkten gebildet, die äquidistant um den Umfang des ringförmigen Isolierplatten-Hauptkörpers 31 jeder Isolierplatte 25 gebildet sind.
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Bei dem obigen Elektromotor wird der Ausgleicher-Hauptkörper 22 zusammengebaut durch abwechselndes Stapeln der zwölf Anschlüsse 24 und der zwölf Isolierplatten 25 auf dem Sockel 23. Während dieses Prozesses wird jeder aufeinanderfolgende Anschluss 24 um 15° gedreht und die Anschlüsse 24 werden an dem Sockel 23 befestigt durch Schieben der Stifte 26 des Sockels 23 durch die Öffnungen 29 im Anschlusskörper 28 der Anschlüsse 24. Ferner werden die Isolierplatten 25 an dem Sockel 23 befestigt durch Schieben der Stifte 26 des Sockels 23 durch die Öffnungen 32 in den Isolierplatten 25. Dann wird der Ausgleicher-Hauptkörper 22 zu einem Teil zusammengefügt, indem die Enden der Stifte 26 gecrimpt bzw. verstemmt bzw. verbogen werden.
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Als nächstes werden der Ausgleicher-Hauptkörper 22 und der Kommutator 6 in dieser Reihenfolge auf die Welle 4 gefügt. Vorstände 14, welche sich in Axialrichtung erstrecken, sind auf der Welle 4 gebildet, um den Ausgleicher-Hauptkörper 22 und den Kommutator 6 relativ zur Drehrichtung zu positionieren, und der Sockel 23 und der Kommutator-Hauptkörper 15, welche beide aus Phenolharz bestehen, werden durch elastische Verformung an den Vorständen 14 befestigt.
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Als nächstes wird der Anker 20 gebildet, durch Biegen der Ausgleicher-Zuführungsabschnitte 30a, 30b, damit diese sich mit Haken 34 ausrichten, und Bildung der Wicklung 21 durch Wicklung des Drahts 19 auf dem Kern 9 durch ein Schleifenwicklungsverfahren, dann werden die Ausgleicher-Zuführungsabschnitte 30a, 30b und die Haken 34 an vierundzwanzig Punkten durch gleichzeitiges Verschmelzen bzw. Verschweißen oder dergleichen elektrisch verbunden.
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Ein Elektromotor der obigen Konstruktion hat vier magnetische Pole, vierundzwanzig Schlitze 11, eine Schleifenwicklung und ein Vierbürstensystem. 21 sind Diagramme und Schaubilder der magnetischen Anziehung und der Drehmomentwelligkeit, welche in dem obigen Motor auf den Anker 20 wirkt, wobei diese von den Erfindern durch Magnetfeldanalyse erhalten wurde. Während sich in dem Fall des oben beschriebenen Ankers der 18 mit vier Polen, Schleifenwicklung, vier Bürsten und 21 Schlitzen, die magnetische Anziehung, die auf den Anker wirkt, entlang des Umfangs bewegt und Rotationsvibrationen leicht auftreten, was die Erzeugung von Betriebsgeräuschen um so wahrscheinlicher macht, ist es klar, dass im Fall des Ankers mit 24 Schlitzen und Schleifenwicklung, die magnetische Gesamtanziehung, welche auf den Anker wirkt, null ist, und dass daher kein Betriebsgeräusch aufgrund von Rotationsvibrationen auftritt.
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7 sind Diagramme und Schaubilder der magnetischen Anziehung und der Drehmomentwelligkeit auf einen Anker, welcher vier Pole, eine Schleifenwicklung und eine gerade Zahl von zweiundzwanzig Schlitzen hat, wobei die Erfinder diesen Satz durch Magnetfeldanalyse erhielten.
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Wie aus der Figur ersichtlich ist, ist im Fall eines Ankers mit Schleifenwicklung und zweiundzwanzig Schlitzen die magnetische Gesamtanziehung, die auf den Anker wirkt, ebenfalls null, und es tritt kein Betriebsgeräusch aufgrund von Drehvibrationen auf.
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Im Fall des oben beschriebenen Ankers mit Wellenwicklung der 19 beträgt die Drehmomentwelligkeit (p-p), welche durch das Verhältnis der vertikalen Schwankung in der Drehmomentkurve zum Gesamtdrehmoment definiert ist, 1,37% wohingegen die Drehmomentwelligkeit (p-p) im Falle des Ankers mit zweiundzwanzig Schlitzen und Schleifenwicklung kleiner ist als im Fall der Wellenwicklung und 0,876% beträgt. Bei einem Elektromotor 18, der durch Pulsbreitenmodulation (PWM) mittels eines Motorantriebssignals aus einer Steuereinheit 13 angetrieben wird, wie sie in 20 gezeigt ist, wird also im Vergleich mit einem Elektromotor mit Wellenwicklung die Drehmomentwelligkeit verringert, wodurch dem Fahrer ein verbessertes Gefühl des Steuerrads 12 vermittelt wird.
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Obwohl in der obigen Konstruktion ringförmige Anschlusskörper 28 in dem Ausgleicher-Hauptkörper 22 verwendet wurden, können auch bogenförmige Anschlusskörper 50 für Anschlüsse 52 verwendet werden, wie in 8 gezeigt, um bei der Menge des verwendeten Kupfers Einsparungen zu erzielen.
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Ferner können, wie in den 9 und 10 gezeigt, sechs Anschlüsse 24 und sechs Isolierplatten 25 eines Ausgleicher-Hauptkörpers 22 abwechselnd auf dem Sockel 23 gestapelt werden, und ein Anschluss 24 kann elektrisch mit jedem zweiten Haken 34 verbunden sein, oder ein Anschluss kann elektrisch mit jedem dritten Haken 34 verbunden sein.
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Je größer die Zahl an Anschlüssen ist, welche Ausgleichsglieder sind, desto größer der Effekt, dass zirkulierende Ströme bzw. Kreisströme daran zu hindern, aufgrund von Unterschieden in der induzierten elektromotorischen Kraft, welche zwischen den Kreisen auftritt, durch die Bürsten, zu fließen. Aber wie oben erklärt, kann die Zahl verringert werden, um eine einfachere Produktion und geringere Kosten für den Ausgleicher-Hauptkörper zu ermöglichen.
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Es wurde festgestellt, dass das Betriebsgeräusch am kleinsten war, wenn die Zahl an Anschlüssen die Gleichung Ns/(n × 2) ≤ K ≤ Ns erfüllte, wobei K die Zahl an Anschlüssen ist, Ns die Zahl an Schlitzen im Kern ist, und n die Maximalzahl von Segmenten ist, die von den Bürsten abgedeckt wird. 11 ist eine Auswertung für den Fall, bei welchem Ns = 22 und n = 3, und die obige Formel erfüllt die Auswertungskriterien, wobei sechs oder mehr aus zehn passabel ist.
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In einem Elektromotor der obigen Konstruktion ist ein maschinelles Wickeln der Verdrahtung 19 unter Verwendung von lackisoliertem Runddraht (emailliertem Runddraht) möglich, um die Produktionskosten zu verringern und eine Massenproduktion zu ermöglichen, aber selbst eine Verdrahtungsmaschine kann nicht in perfekten Reihen wickeln, und es besteht das Risiko, dass Unregelmäßigkeiten in dem Widerstand und der Induktivität zwischen Kreisen der Wicklung zunehmen werden. Da jedoch zirkulierende Ströme bzw. Kreisströme daran gehindert werden aufgrund von Unterschieden in der induzierten elektromotorischen Kraft, welche zwischen den Kreisen auftreten, durch die Bürsten zu fließen, in dem der Ausgleicher-Hauptkörper 22 vorgesehen wird, treten keine Probleme auf, welche aus Unregelmäßigkeiten in dem Widerstand und der Induktivität zwischen Kreisen der Wicklung entstehen.
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In einem Elektromotor der obigen Konstruktion werden Permanentfeld-Magnete 2 verwendet, welche aus Ferrit bestehen, um die Drehmomentwelligkeit zu verringern, welche am stärksten mit dem Lenken zusammenhängt. Wenn das Feld durch Elektromagnete erzeugt wird, ist die magnetische Flussdichte im Allgemeinen höher als jene von Permanentmagneten, was die Änderungen der Flussdichte im Spalt aufgrund von Positionsveränderungen in der Drehrichtung des Ankers intensiver gestaltet, wenn die Schlitze und Zähne des Kerns abwechselnd den Polen gegenüberstehen, wodurch die Drehmomentwelligkeit verstärkt wird. Während die mittlere Flussdichte im Spalt im Fall von permanenten Ferritfeldmagneten normalerweise 0.3 bis 0.4 Tesla beträgt, ist sie im Falle von Elektromagneten ungefähr doppelt so hoch, 0.7 bis 0.8 Tesla, und im Fall von Elektromagneten nimmt die Drehmomentwelligkeit zu, Fluktuationen in der magnetischen Anziehung nehmen an den Zähnen des Kerns auch zu, und das elektromagnetische Rauschen nimmt ebenfalls zu. Ferner, wenn Permanentfeld-Magneten aus Ferrit verwendet werden, wird es möglich, die Größe des Motors zu verringern, den Zusammenbauvorgang zu vereinfachen und die Kosten zu reduzieren.
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Somit ist es wirksam, Permanentfeld-Magneten mit Ferrit in einem Elektromotor zu verwenden. Da aber die magnetische Flussdichte des Feldes niedrig ist, ist es notwendig die Zahl von Windungen der Verdrahtung im Anker zu erhöhen, um das gewünschte Drehmoment sicherzustellen. Aus jenem Grund werden die Feldmagnete stark beeinflusst durch die Reaktion aus dem Anker, und das magnetische Zentrum der Flussverteilung der Magnetfeld-Pole wird stark verschoben in die Richtung entgegen der Drehrichtung des Ankers. In einem normalen Motor wird diese Verschiebung des magnetischen Zentrums kompensiert durch Verschieben der Bürsten aus dem geometrischen Zentrum der magnetischen Pole in die zur Drehrichtung des Ankers entgegengesetzte Richtung, um eine gute Flussverteilung zu erhalten. Da jedoch dieser Elektromotor in beide Richtungen dreht, ist es nicht möglich Verschiebungen des magnetischen Zentrums durch Verschiebung der Bürsten in die zur Drehrichtung des Ankers entgegengesetzte Richtung zu kompensieren, um eine gute Flussverteilung zu erhalten.
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Folglich wird eine gute Flussverteilung in diesem Motor durch Verbesserung des Gleichgewichts bzw. der Balance der induzierten Spannung in jedem der Kreise der Wicklung, durch Bereitstellung eines Ausgleicher-Hauptkörpers 22 auf dem Anker 20, um die schlechte Flussverteilung zu kompensieren, sichergestellt und die unten beschriebenen speziellen Wirkungen werden erzielt.
- (1) Da das Betriebsgeräusch dieses Elektromotors verringert wird, wie in 12 gezeigt, bemerkt der Fahrer kein unangenehmes Betriebsgeräusch beim Lenken, selbst wenn dieser Elektromotor auf der Lenksäule montiert ist. Da dieser Elektromotor auf der Säule innerhalb der Fahrerzelle bzw. Automobilzelle montiert ist, wird er darüber hinaus in eine günstigere Umgebung gesetzt was Hitze und Wasser angeht, als ein konventioneller Elektromotor 100, welcher z. B. auf einem Gestell 40 in dem Motorraum montiert ist, wie in 13 gezeigt, was eine kostengünstigere Herstellung dieses Elektromotors erlaubt.
- (2) Da dieser Elektromotor ein Verfahren mit Schleifenwicklung und vier Bürsten wählt, kann die Drehmomentwelligkeit verringert werden, und selbst wenn dieser Motor durch Pulsbreitenmodulation (PWM) mittels eines Motorantriebssignals aus einer Steuereinheit 13 betrieben wird, sind Vibrationen, welche während der Aktivierung dieses Elektromotors auf das Steuerrad 12 übertragen werden, praktisch nicht vorhanden, was eine Verschlechterung des Steuerradgefühls für den Fahrer verhindert.
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Ferner, da die Drehmomentwelligkeit bei diesem Elektromotor verringert wird, wird der Freiheitsgrad beim Entwurf des PWM-Antriebsverfahrens der Steuereinheit 13 erhöht, was die Einführung von Verbesserungen bei dem Ansprechen und bei der Mikrostromsteuerung erlaubt, was das Gefühl das Steuerrads weiter verbessert.
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Ferner kann das Haltegeräusch (das Geräusch, welches durch Vibrationen erzeugt wird, die von einem Elektromotor verursacht werden, verursacht von Veränderungen im Drehmoment aufgrund von Veränderungen im Strom, der durch den Anker fließt, die sich ergeben aus kleinsten Änderungen im Kontakt zwischen den Bürsten 18 und den Segmenten 16 wenn das Steuerrad 12 in einer gegebenen Position gehalten wird; oder das Vibrationsgeräusch, welches in der Periode der geringfügigen Verschiebung aufgrund eines Rückschlags aus dem System erzeugt wird, wenn der Elektromotor nicht aktiv ist) verringert werden. In einem konventionellen Verfahren mit Wellenwicklung und zwei Bürsten, ist die Drehmomentwelligkeit groß und das Haltegeräusch wird leicht erzeugt. Werden Versuche unternommen, die Erzeugung dieses Haltegeräuschs mittels der Steuereinheit 13 zu unterdrücken, indem die Steuerungsverstärkung erhöht wird, werden Drehmomentfluktuationen, welche den Grad an Haltegeräusch angeben, reduziert, wie in 14 gezeigt, während das Betriebsgeräusch (magnetische Anziehung in Radialrichtung) verstärkt wird. Es ist nicht möglich gleichzeitig sowohl das Haltegeräusch als auch das Betriebsgeräusch zu unterdrücken., Bei dem Elektromotor, der ein Verfahren mit Schleifenwicklung und vier Bürsten verwendet, ist es andererseits möglich gleichzeitig sowohl das Haltegeräusch als auch das Betriebsgeräusch zu unterdrücken.
- (3) Da dieser Elektromotor ein Verfahren mit Schleifenwicklung und vier Bürsten wählt, kann die Stromdichte in den Bürsten 8 verringert werden, was es ermöglicht die erlaubte Stromtragezeit dieses Elektromotors zu verlängern. Während dem Rückwärtseinparken, Wendemanövern, usw. wird das Steuerrad 12 oft bis zum Maximalanschlag gedreht und in einem sogenannten Zustand des ”stationären Lenkens” oder einem ”endverriegelten” Zustand verwendet, aber an diesem Punkt dreht sich der Anker eines Elektromotors kaum, während Drehmoment immer noch erzeugt wird, und der Elektromotor wird in einem gespannten bzw. erzwungenen Zustand verwendet. Dieser Elektromotor erlaubt die Verringerung der Stromdichte in den Bürsten zu jenem Zeitpunkt, wenn die Temperaturerhöhungen am schärfsten sind, was die erlaubte Verwendungsperiode in einem Zustand des ”stationären Lenkens” oder einem ”endverriegelten” Zustand verlängert, wodurch der Nutzen des Elektromotors vergrößert wird.
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Ferner wird die Lebensdauer der Bürsten 8 dadurch verlängert, was die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Elektromotors verbessert.
- (4) Da dieser Elektromotor ein Verfahren mit Schleifenwicklung und vier Bürsten wählt, kann die Querschnittsfläche der Wicklung 21 ungefähr die Hälfte der Querschnittsfläche einer Wellenwicklung unter identischen Bedingungen sein, was die Formung des Drahts erleichtert und die Wicklung verbessert, und da der Durchmesser des Drahtes klein ist, gibt es weniger Lücken zwischen Abschnitten der Verdrahtung innerhalb der Schlitze des Kerns 9, was das Draht-zu-Raum-Verhältnis verbessert und die Verkleinerung des Elektromotors ermöglicht. Folglich können das Trägheitsmoment und der Drehmomentverlust des Ankers 20, welches wichtige Faktoren beim Lenken sind, verringert werden.
- (5) Durch Verbesserung des Gleichgewichts bzw. der Balance der induzierten Spannung zwischen jedem der Kreise der Wicklung, kann eine Gesamtverringerung der Drehmomentwelligkeit erzielt werden, was die an das Steuerrad übertragene Drehmomentwelligkeit verringert, und eine Gesamtverbesserung des Gefühls des Steuerrads für den Fahrer ermöglicht.
- (6) Da dieser Elektromotor eine gute Kommutierungswirkung schafft, zusätzlich zur Ermöglichung von Wirkungen wie der Verlängerung der Lebensdauer der Bürsten 8, nimmt die Unterdrückung der Temperatur in den Bürsten 8 zu, und da eine Verringerung des Kommutatorrauschens bzw. Kommutatorgeräuschs (Funkenrauschen) erzielt wird, ist er vorteilhaft im Hinblick auf Funkstörungen, usw., da die Erzeugung von Funken verringert wird. Insbesondere wenn er auf der Lenksäule montiert ist, wo die Verwendung in der Nähe von Hochfrequenzschaltungen bzw. Funkleistungsschaltungen, usw. nicht verhindert werden kann, sind die Auswirkungen hinsichtlich von Funkstörung gering.
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Ferner, da die Erzeugung von Funken (Bürstenfeuer) verringert wird, kann auch die Belastung der Federn 7, welche die Bürsten 8 gegen den Kommutator 6 drücken, verringert werden, was eine Verringerung des Drehmomentverlustes aufgrund von Bürstendruck ermöglicht, und auch die Verringerung von Reibungswärme aufgrund des Drucks auf die Bürsten 8 ermöglicht. Folglich, obwohl dieser Elektromotor ein Verfahren mit Schleifenwicklung und vier Bürsten wählt, kann der Drehmomentverlust auf dem gleichen Niveau gehalten werden, wie bei einem Verfahren mit Wellenwicklung und zwei Bürsten.
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Die 22 bis 24 zeigen die magnetische Anziehung und Drehmomentwelligkeit, welche auf einen Anker wirken in den Fällen von Schleifenwicklungen mit vier Polen und zwanzig Schlitzen, vier Polen und sechsundzwanzig Schlitzen, sowie vier Polen und achtundzwanzig Schlitzen, und es ist klar, dass die magnetische Anziehung in keinem dieser Fälle in der Radialrichtung wirkt. 25 fasst diese Ergebnisse zusammen, und es ist ersichtlich, dass keine magnetische Anziehung in der Radialrichtung auftritt, wenn die Zahl an Schlitzen als gerade Zahl oder als Vielfaches der Zahl von Polpaaren gewählt wird, und dass die Drehmomentwelligkeit verringert werden kann, wenn die Zahl an Schlitzen kein Vielfaches der Polzahl ist.
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Die 26 bis 31 zeigen nicht erfindungsgemäße Beispiele von Schleifenwicklungen mit sechs Polen und fünfundzwanzig Schlitzen, sechs Polen und vierundzwanzig Schlitzen, sechs Polen und zweiundzwanzig Schlitzen, sechs Polen und sechsundzwanzig Schlitzen, sechs Polen und einundzwanzig Schlitzen und sechs Polen und siebenundzwanzig Schlitzen.
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Aus 26 ist ersichtlich, dass die magnetische Anziehung in der Radialrichtung wirkt, da die Zahl an Schlitzen weder eine gerade Zahl noch ein Vielfaches der Zahl an Polpaaren ist. In 27 ist die Drehmomentwelligkeit groß, da die Zahl an Schlitzen ein Vielfaches der Zahl an Polen ist. In 28 und 29 ist die Zahl an Schlitzen eine gerade Zahl, aber kein Vielfaches der Zahl an Polen, und in den 30 und 31 ist die Zahl an Schlitzen ein Vielfaches der Zahl an Polpaaren, aber kein Vielfaches der Zahl an Polen, und so wirkt in allen diesen Fällen die magnetische Anziehung nicht in Radialrichtung, und die Drehmomentwelligkeit wird minimiert. Die 32 fasst diese Resultate zusammen, und wie bei den Fällen mit vier Polen ist ersichtlich, dass eine magnetische Anziehung in der Radialrichtung nicht auftritt wenn die Zahl an Schlitzen eine gerade Zahl oder eine Vielfaches der Zahl an Polpaaren ist, und dass die Drehmomentwelligkeit verringert werden kann, wenn die Zahl an Schlitzen kein Vielfaches der Zahl an Polen ist. Das gleiche gilt für Fälle mit acht Polen oder mehr. Wenn die Zahl ein Vielfaches der Zahl an Polpaaren ist, können die oben beschriebenen Ausgleichsglieder vorgesehen werden, was eine Verhinderung von Kreisströmen bzw. zirkulierenden Strömen ermöglicht und die Kommutierungswirkung bessert.
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Gemäß einer Form der vorliegenden Erfindung, sind die Kreise des Ankers miteinander elektrisch verbunden unter Verwendung von Ausgleichsgliedern, was ermöglicht, dass zirkulierende Ströme bzw. Kreisströme aufgrund von Unterschieden in den induzierten elektromotorischen Kräften, welche zwischen den Kreisen des Ankers auftreten, daran gehindert werden durch die Bürsten zu fließen, wodurch die Kommutierungswirkung der Bürsten verbessert wird, und auch die Unterdrückung von Bürstenfeuer ermöglicht wird. Ferner können die Beträge sowohl des Betriebsgeräuschs als auch der Drehmomentwelligkeit hierdurch verringert werden.
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Gemäß einer Form der vorliegenden Erfindung wird der durch die Wicklung laufende Strom durch eine Pulsbreitenmodulations-Ansteuerung (PWM) gesteuert, wodurch die gewünschte Spannung bei verringertem Leistungsverlust angelegt werden kann, und die Größe der Steuereinheit verringert werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Draht lackisolierter Runddraht, was die Mechanisierung des Schritts der Wicklung des Drahts auf den Kern erleichtert, wodurch die Massenproduktion des Ankers ermöglicht wird und die Produktionskosten verringert werden.
stellt dar, dass 100% Strom senkrecht zum Papier in Abwärtsrichtung fließt,
stellt dar, dass 50% Strom senkrecht zum Papier in Aufwärtsrichtung fließt,
stellt dar, dass 50% Strom senkrecht zum Papier in Aufwärtsrichtung fließt, und
stellt dar, dass kein Strom fließt.