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Es sind viele Ausgestaltungen von kollektorlosen
Elektromotoren bekannt, die im Handel in verschiedenen geometrischen
Lösungen erhältlich sind, die (abhängig von der
beabsichtigten Verwendung) im wesentlichen durch die Auswahl
eines Innen- oder eines Außenrotors oder eines Stators, mit
einem oder mehreren Polen versehen, gekennzeichnet sind.
Ferner typisieren verschiedene Lösungen der Verbindungen
zwischen der elektronischen Schaltung und dem Motor zusammen
mit dem Aufbau des Motors die verschiedenen gegenwärtig auf
dem Markt befindlichen Ausgestaltungen, wobei die
elektronische Schaltung einen integralen Bestandteil des Motors
bildet, weil die Anzahl von Verbindungsdrähten zu einem
Anstieg der Kosten führen würde, wenn die elektronische
Schaltung außerhalb angeordnet wäre.
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Die DE-A-3136855 offenbart einen kollektorlosen
Gleichstrommotor mit einem Stator, der aus einem Zentralkörper und sich
radial erstreckenden Armen zusammengesetzt ist, wobei die
Arme, um eine zylinderförmige Gestaltung zu erhalten, gebogen
und an ihren Enden zur Ausbildung von Polschuhen geformt
sind.
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Jedoch ist in diesem Stator die Form der Arme und der
Polschuhe nicht dergestalt, daß die elektrische Schaltung
optimiert ist, und sie erlaubt nicht, die Drähte der Wicklung
aufzuwickeln, bevor die Arme gebogen werden.
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Der Gegenstand dieses Patents ist eine innovative Lösung
eines Statoraufbaus umfassend elektrische und mechanische
Verbindungen für die elektronische Antriebsschaltung.
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Dieser grundsätzliche Aufbau gemäß der vorliegenden Erfindung
kann eine Reihe von möglichen Ausgestaltungen annehmen, was
die Flexibilität gewährleistet, welche die oben erwähnten
Verwendungen erfordern.
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Der innovative Teil des Vorschlags ist der Aufbau des Stators
(in seinen verschiedenen Ausgestaltungen), der die
nachfolgenden Vorzüge für einen kollektorlosen Motor gewährleistet:
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1) Er optimiert die Wellenform der für jede Phase
induzierten elektromotorischen Kraft, wodurch eine
Funktion des Motors mit hoher Wirkschaftlichkeit ermöglicht
wird.
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2) Er vereinfacht, wodurch die Herstellkosten verringert
werden, das Bereitstellen der magnetischen Schaltung des
Stators, so daß in den Spalten der Raum für eine direkte
Wicklung auf der Spule bereitgestellt wird und dadurch
eine hervorragende Verteilung der Windungen in dem Spalt
bei hoher Geschwindigkeit ermöglicht wird.
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3) Er gestattet, wodurch die Herstellkosten verringert
werden, die Befestigung der Antriebswelle fest an dem
Stator bei der mit einem Innenrotor ausgestatteten
Ausgestaltung (andernfalls wären eine oder zwei
Hilfsträgergehäuse zum Tragen der Welle erforderlich).
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4) Er vereinfacht, wodurch die Herstellkosten verringert
werden, das Vorsehen der Isolierung der Wicklungen des
Eisens, indem dieselbe Isolierstruktur zum Tragen der
Leitungselemente verwendet wird, um an ihnen die Enden
der gewickelten Wicklungen anzubringen und diese mit
einem automatischen Verfahren anzuschweißen.
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5) Er vereinfacht, wodurch die Herstellkosten verringert
werden, die mechanischen und elektrischen Verbindungen
der elektronischen Steuerschaltung, indem dieselben
leitenden Teile verwendet werden, mit denen die Enden der
Wicklungen verbunden sind.
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6) Er ist einfach, wodurch die Herstellkosten der
mechanischen Verbindung zwischen dem Motor und dem entfernten
Verwender verringert werden, infolge der Verfügbarkeit
einer Schnappverbindung des Statoraufbaus.
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7) Er ermöglicht, wo die beteiligten Leistungen dies
gestatten, die Montage von Eventualleistungstransistoren;
an der eisernen Magnetstruktur, wodurch die
Kühlkörperfunktion auf einfache Weise erreicht werden kann.
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8) Er führt für Anwendungen mit niedriger Drehzahl (z. B.
1.000 Umdrehungen) zu einer sehr kostengünstigen Lösung
mit einem Statoraufbau, der aus einem einzigen Stück von:
massivem Weicheisen hergestellt ist.
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Für diese und weitere Ziele und Vorteile, die aus der
nachfolgenden Beschreibung heraus besser verstanden werden,
schlägt die vorliegende Erfindung einen Stator von
kollektorlosen Gleichstrommotoren mit geringen Leistungen vor, der aus
einem auf einer Welle des Motors befestigten Zentralkörper
gebildet ist, wobei sich Arme in radialer Richtung von dem
Zentralkörper erstrecken und an ihren Enden Polschuhe
aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arm eine
geringere Breite besitzt als der zugeordnete Polschuh, so daß sie
zusammen eine T-Gestalt besitzen, und daß die die
Statorwicklung bildenden Drähte auf die Arme gewickelt sind, bevor
diese von einer Seite des Zentralkörpers zur Herstellung
einer zylinderförmigen Gestalt des Stators gebogen werden.
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Der erfindungsgemäße Motor wird nachstehend mit Bezug auf die
anliegenden Zeichnungen in einigen Ausgestaltungen
beschrieben, wobei
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Fig. 1 und 2 die Vorder- und die Seitenansicht des
Zentralkörpers des Stators vor dem Aufbringen der Windungen
hieran wiedergeben,
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Fig. 3 und 4 von dem fertigen Stator eine Frontansicht und
eine Ansicht längs des Querschnittes IV-IV der Figur
wiedergeben,
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Fig. 5 eine schematische Ansicht des Stators der
vorausgehenden Figuren mit einer Aufbauvariante wiedergibt,
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Fig. 6 und 8 eine Rück- und eine Frontansicht des in den Fig.
1 und 2 dargestellten Stators sind, wobei Wicklungen auf den
Statorkörper aufgebracht worden sind,
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Fig. 7, 9 und 10 Schnitte längs den Linien VII-VII, IX-IX und
X-X der Fig. 6 sind,
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Fig. 11 ein Schnitt ähnlich dem zu Fig. 4 ist, wobei jedoch
der Stator mit allen seinen Teilen vollständig dargestellt
ist,
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Fig. 12 eine Explosionsdarstellung einer Ausgestaltung des
Motors gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
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Fig. 13 eine vergrößerte Ansicht eines Details von Fig. 12
ist,
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Fig. 14 eine Frontansicht des erfindungsgemäßen Motors in der
Variante mit einem Außenrotor ist,
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Fig. 15 eine Frontansicht des erfindungsgemäßen Stators in
der Dreiphasenvariante ist,
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Fig. 16 eine Frontansicht des Stators, wie in Fig. 5
dargestellt, in der Einphasenvariante ist,
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Fig. 17 ein Schnitt längs der Linie XVII-XVII der Fig. 14 der
Variante mit einer inneren elektronischen Steuerschaltung
ist.
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Die nachfolgende Beschreibung betrifft eine
Zweiphasen-Ausgestaltung mit einem Innenrotor und beschreibt die
verschiedenen wichtigen Betriebspunkte und/oder konstruktiven
Aspekte der genannten Ausführungsform.
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Alle weiteren Ausführungsformen werden nur kürzer
beschrieben, es ist eine sinngemäße Extrapolation der
Erläuterung der Zweiphasen-Ausgestaltung.
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Der Stator des erfindungsgemäßen Motors hat während der
Herstellung die in Fig. 1 dargestellte Konfiguration, d. h.
von einem Zentralkörper erstrecken sich kreuzweise vier Arme
11, die mit zugeordneten Polschuhen 12 versehen sind.
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In einer ersten Ausführungsform ist dieser Stator aus einer
Mehrzahl von mehreren Schichten gebildet, von denen jede die
Konfiguration gemäß Fig. 1 besitzt und die miteinander
verbunden sind, d. h. in dem zentralen Bereich mittels
Schweißpunkte oder mittels anderer bekannter Techniken
verbunden sind, mit Polschuhen 12 mit einem derartigen
Krümmungsradius (Fig. 2), daß, nachdem die Arme 11 um 90º
gefaltet worden sind, die Polschuhe die Gestalt von
geschlossenen Polschuhen (vgl. Fig. 3) annehmen mit einer
vollständig kreisrunden Geometrie und mit einem beliebig
kleinen Luftspalt 13 zwischen den Polschuhen, der, wenn
erwünscht, sogar gleich Null sein kann.
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Es ist bekannt, daß das zuletzt genannte Charakteristikum von
extremer Bedeutung ist, um eine induzierte Spannung zu
erhalten, deren Form sich der Rechteckform soweit wie möglich
annähert, um einen hohen Wirkungsgrad des Motors zu erhalten.
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In Fig. 1 sind Querschnitte 14 in den Armen 11 der Polschuhe
12 erkennbar, die das Biegen der Arme in die in Fig. 3
dargestellte Stellung erleichtern. Desweiteren sind in den
Polschuhen 12 Längsschnitte 15 ausgebildet, die durch das
Entfernen von Material oder durch Halbschnitte mit Zugabe des
Materials (Fig. 3) erhalten werden, welche Schnitte ehochimpedante Bahnen für die Wirbelströme bereitstellen
sollen, die durch den Einfluß der Rotation des Magnets des
Rotors induziert werden.
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Es ist jedoch zu beachten, daß gemäß der Erfindung der in
Fig. 1 gezeigte magnetische Körper (für Anwendungen mit
geringer Drehzahl und somit geringen Antriebsfrequenzen) aus
einem einzigen Block von massivem magnetischem Material
hergestellt werden kann, wozu in den Armen winklige
Einprägungen vorgesehen sind, so daß das Biegen erleichtert und
zugleich der magnetische Pfad perfekt geschlossen wird,
nachdem die Faltung um 90º ausgeführt worden ist.
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Man beachte ferner, daß die Polschuhe 12, anstatt daß sie,
wie vorstehend beschrieben, gemäß einem Umfangsbogen geprägt
werden, mit zwei Falzkanten pro Polschuh versehen sein
können, so daß nach dem Falten die Draufsicht auf die
Polschuhe eine achteckige Form (Fig. 5) besitzt, anstelle der
in Fig. 3 dargestellten Kreisform.
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Dies stellt auf jedem Polschuh eine ebene Fläche bereit, auf
welcher die Anbringung (durch Nieten, Schrauben oder dgl.)
der Antriebsleistungstransistoren 16 möglich ist, wobei die
Polschuhe als Kühlkörper verwendet werden, wenn die ebeteiligten Leistungen und die entsprechenden thermischen
Gleichgewichte dies gestatten.
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In den Fig. 1 und 4 ist die Antriebswelle 17 erkennbar, die
mit der Eisenstruktur des Stators verbunden und in diese
eingetrieben ist.
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Die Schergeometrie der Polschuhe 12 kann Entladungsmittel 18
an solchen Stellen aufweisen, deren Lage durch die Logik der
Steuerelektronik vorgegeben ist, wie beispielsweise Hall-
Effektfühler zur Erzeugung eines Signals betreffend die
relative Position des Rotors bezüglich des Stators (vgl.
beispielsweise Fig. 1).
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Die Isolierstruktur 19, die die Wicklungen (6 bis 10)
aufnimmt, kann sowohl zwei geprägte und einander auf der
Eisenstruktur gegenüberstehende Halbschalen umfassen als auch
ein einziges zugleich miteinander geprägtes Teil.
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AeGemäß der Erfindung wird der Draht 20 auf die Struktur 19
gewickelt, während die Polschuhe noch immer ungefaltet sind,
und es ist erkennbar, daß die Spule (Fig. 6, 8), mit der der
Isolierkörper erscheint, vollständig freiliegt für eine
spulenartige Direktwicklung für beide Wicklungen mit 90º.
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In Reihe mit den Armen 11 für die Verbindung zu den
Polschuhen 12 wird der Isolierkörper 19 bei 21 gebogen, um,
während der Weiterverarbeitung nach dem Wickeln der Spulen,
vier Ausstanzungen zu ermöglichen, während des Biegens der
Arme um 900 das Material geeignet aufzunehmen.
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Längs der Peripherie des Isolierkörpers sind Taschen 22
verteilt, für das Unterbringen oder das gleichzeitige
Einpressen oder für ein aufeinanderfolgendes Einpressen der
Leiter 23 um eine vorgegebene Länge, bis zu acht für den
Zweiphasentyp (Fig. 11). Zu diesen Leitern wird der
automatische Wickler zu Anfang und am Ende jeder Wicklung geführt,
was gestattet, daß in einem einzigen (nachfolgenden)
Arbeitsgang (Wellenschweißung oder Zinnschweißung) sämtliche Drähte
20 der Spule mit den Leitern 23 verbunden werden.
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In Fig. 12 ist beispielhaft, um die Gesamtstruktur des Motors
darzustellen, eine Ausgestaltung eines Zentrifugalventilators
gezeigt, bei der an dem Ventilator V, der sich auf der festen
Welle 17 des Stators S dreht, zugleich der zweipolige
Magnetrotor R angebaut oder angepreßt ist.
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Ebenfalls in Fig. 12 ist erkennbar, daß auf die Leiter 23 die
auf einer Platte 24 angeordnete elektronische Steuereinheit
aufgeschoben wird. Die Leiter 23 können bei 25 auch gebogen
sein, um die Platte 24 der gedruckten Schaltung in einer
Position mit Abstand zu dem Motor zu halten, selbst wenn dies
für den korrekten Betrieb der Einheit nicht zwingend
erforderlich ist.
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Somit können die zwischen benachbarten Polschuhen 12
gebildeten Einschnitte 26 als ein Träger für Verbindungselemente
des Körpers oder Gehäuses, mit welchem der Motor verbunden
werden soll, dienen.
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Drei alternative Ausgestaltungen der vorstehend beschriebenen
Grundgestaltung werden nachstehend für die folgenden
Weiterbildungen beschrieben:
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1) Einphasen-Variante
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2) Dreiphasen-Variante
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3) Für allen drei Typen (einphasig, zweiphasig,
dreiphasig) eine Ausführungsform mit einem Außenrotor und
innerer oder äußerer Elektronikschaltung.
EINPHASEN-VARIANTE
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Eine Ansicht des Motors mit gestrichelt gezeichneten Armen 11
und dann mit einer Frontansicht nach dem Biegen ist in Fig.
16 wiedergegeben, aus der die Verwendung aller
charakteristischer Punkte des genannten Statoraufbaus ersichtlich ist,
mit dem einzigen Unterschied, daß der Schluß der beiden
Polschuhe 12 (wie es im Stand der Technik bekannt ist)
unsymmetrisch ist, was ein Blockieren des Motors zu verhindern
erlaubt, mit der Folge des Startens aus dem Stillstand.
DREIPHASIG
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Die in Fig. 15 dargestellte Dreiphasen-Variante mit offenen
Armen 11 unterscheidet sich von der in den Fig. 6 und 8
dargestellten technischen Lösung lediglich in der Anzahl der
Arme 11 und der Windungen aus den bekannten Gründen.
VARIANTE MIT AUSSENROTOR UND INNERER ELEKTRONIKSCHALTUNG
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Diese Variante in der zweiphasigen Anwendungsform ist in den
Fig. 14 und 17 gezeigt, aus denen ersichtlich ist, daß der
Rotor (wie dies bei bereits gebräuchlichen Varianten auf dem
Markt erhältlicher Strukturen der Fall ist) aus einem Glas
aus (magnetischem) Eisenmaterial besteht, an dessen innerem
Umfang der Magnet 31 befestigt ist.
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Gemäß der Erfindung nutzt der in dieser Anwendung benutzte
Statoraufbau den Zwischenraum 32 zwischen den Polschuhen 12,
um hierin (Fig. 17) sowohl die auf einer Platte 24
angeordnete
elektronische Signalsteuerung aufzunehmen als auch unter
den Polschuhen (gemäß Fig. 4) Leistungskomponenten zu
befestigen.