DE102008003169A1

DE102008003169A1 - Electric motor, has rotor which is rotary stored by using of sintered bearing and sintered bearing comprises bearing bush, whose length and inner diameter are selected

Info

Publication number: DE102008003169A1
Application number: DE200810003169
Authority: DE
Inventors: Yvan Bourqui; Michael Watzek; Eric Bochud
Original assignee: Johnson Electric Switzerland AG
Current assignee: Johnson Electric Switzerland AG
Priority date: 2007-02-28
Filing date: 2008-01-04
Publication date: 2008-09-04

Abstract

The electric motor has a rotor which is rotary stored by using of a sintered bearing (2). The sintered bearing comprises a bearing bush, whose length and inner diameter are selected such that ratio of length and inner diameter is greater than four. The electric motor has another bearings for the axial storage of the rotor. An independent claim is also included for a device of electric motor for adjusting a movable component in a motor vehicle.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Elektromotor gemäss Oberbegriff des Anspruchs 1.The The present invention relates to an electric motor according to Preamble of claim 1.

Es ist bekannt Sintergleitlager (im Folgenden auch "Sinterlager" genannt) zu verwenden, um den Rotor eines Elektromotors drehbar zu lagern (siehe z. B. US 2005/0249440 A1 , US 2006/0171620 A1 und WO 2005/090807 A1 ). Sinterlager sind Gleitlager mit einer porösen Struktur und einem Schmiermittel, welches im Porenraum aufgenommen ist. Das Lager läuft dann verschleissfrei, wenn sich Schmiermittel zwischen den relativ zueinander drehenden Lagerteilen befindet, sodass diese nicht aneinander reiben können. Man spricht in diesem Fall von hydrodynamischer Schmierung. In der Regel ist man bestrebt, das Sinterlager bei einer derartigen hydrodynamischen Schmierung zu betreiben. Nebst einem verschleissfreien Betrieb ist dann ebenfalls die Geräuschentwicklung reduziert, da die Wahrscheinlichkeit eines direkten Kontakts zwischen Achse und Lagerbuchse gering ist.It is known to use sintered plain bearings (also referred to below as "sintered bearings") for rotatably supporting the rotor of an electric motor (see, for example, US Pat. US 2005/0249440 A1 . US 2006/0171620 A1 and WO 2005/090807 A1 ). Sintered bearings are sliding bearings with a porous structure and a lubricant, which is accommodated in the pore space. The bearing then runs wear-free when lubricant is between the relatively rotating bearing parts, so that they can not rub against each other. In this case one speaks of hydrodynamic lubrication. As a rule, it is endeavored to operate the sintered bearing in such a hydrodynamic lubrication. In addition to a wear-free operation, the noise is also reduced because the probability of direct contact between the axis and bearing bush is low.

Zur Auslegung des Sinterlagers sind verschiedene Grössen zu berücksichtigen, wie u. a. Drehzahl des drehenden Lagerteils, auf das Lager einwirkende Kraft, Lagerspiel, Innendurchmesser D sowie Länge L des Lagers. Für ein optimales Laufverhalten des Sinterlagers darf nach den gängigen Ingenieurregeln die Länge L nicht allzu gross gewählt werden.to Design of the sintered bearing are different sizes too consider how u. a. Rotational speed of the rotating bearing part, acting on the bearing force, bearing clearance, inner diameter D as well Length L of the bearing. For optimal running behavior of the sintered bearing may according to the common engineering rules the length L should not be too large.

Im Falle der hydrodynamischen Schmierung ist im Weiteren das Lagerspiel so zu wählen, dass es einerseits grösser als ein Mindestspiel ist, da sonst das Lager blockiert, und anderseits kleiner als ein Höchstspiel, da sonst übermässig Geräusche entwickelt werden. Bezeichnet d den Durchmesser der Achse und s das Lagerspiel zwischen Lagerbuchse und Achse, so blockiert ein Sinterlager typischerweise, wenn s < 0.7·10^–3·d oder s < 3 μm, währenddessen in der Regel eine übermässige Geräuschentwicklung einsetzt, wenn s > 15 μm + 1.2·10^–3·d. Bei der Auslegung des Sinterlagers gilt es demnach zwischen der Laufsicherheit und der Geräuschentwicklung abzuwägen.In the case of hydrodynamic lubrication further, the bearing clearance is to be chosen so that it is on the one hand greater than a minimum clearance, otherwise the camp blocked, and on the other hand smaller than a maximum game, otherwise excessive noise will be developed. If d denotes the diameter of the axle and s the bearing clearance between the bearing bush and the axle, a sintered bearing typically blocks when s <0.7 × 10 ^-3 · d or s <3 μm, during which an excessive noise usually sets in when s> 15 μm + 1.2 · 10 ^-3 · d. When designing the sintered bearing, it is therefore necessary to balance between running safety and noise development.

Es wurde festgestellt, dass es u. a. aufgrund einer unregelmässigen Anordnung des Rotors und/oder Stators zu einer asymmetrischen Kräfteverteilung in radialer sowie axialer Richtung kommen kann und dadurch die Laufeigenschaften des Elektromotors verschlechtert sind. So führen die Kräfteverhältnisse u. a. zu Vibrationen sowie ungünstigen Reibungseigenschaften.It it was found that it u. a. due to an irregular Arrangement of the rotor and / or stator to an asymmetric distribution of forces can come in the radial and axial directions and thereby the running properties of the electric motor are deteriorated. So lead the balance of power u. a. to vibrations as well as unfavorable friction characteristics.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen Elektromotor mit verbesserten Laufeigenschaften anzugeben.outgoing from this prior art is an object of the present invention Invention in an electric motor with improved running characteristics specify.

Ein Elektromotor, der diese Aufgabe löst, ist im Anspruch 1 angegeben. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen an.One Electric motor that solves this problem is in claim 1 specified. The other claims give preferred embodiments at.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf Figuren erläutert. Es zeigenThe Invention will be described below with reference to an embodiment explained with reference to figures. Show it

1 eine geschnittene Ansicht des gelagerten Rotors eines erfindungsgemässen Elektromotors; 1 a sectional view of the stored rotor of an inventive electric motor;

2 den theoretisch berechneten Verlauf des Reibmoments in Funktion der Viskosität für den Fall eines kurzen Lagers; und 2 the theoretically calculated course of the friction torque as a function of the viscosity in the case of a short bearing; and

3 den theoretisch berechneten Verlauf des Reibmoments in Funktion der Viskosität für den Fall eines langen Lagers. 3 the theoretically calculated course of the friction torque as a function of the viscosity for the case of a long bearing.

1 zeigt den gelagerten Rotor im Schnitt. Jener ist durch ein einziges Radiallager in Form eines Sinterlagers 2 radial gelagert. Axial ist er an axialen Lagerstellen gelagert, die in der 1 nicht dargestellt sind. Der Rotor umfasst einen permanentmagnetischen Ring 1 und ist fest mit der Lagerbuchse 2 des Sinterlagers verbunden. Eine zylindrische Achse 3 ist durch die zylindrische Bohrung 4 der Lagerbuchse 2 hindurchgeführt und im vorliegenden Beispiel fest montiert. 1 shows the stored rotor in section. That is through a single radial bearing in the form of a sintered bearing 2 radially mounted. Axial it is mounted on axial bearings, which in the 1 are not shown. The rotor includes a permanent magnetic ring 1 and is fixed to the bearing bush 2 connected to the sintered warehouse. A cylindrical axis 3 is through the cylindrical bore 4 the bearing bush 2 passed through and firmly mounted in the present example.

Der Innendurchmesser der Bohrung 4 ist geringfügig grösser als der Aussendurchmesser der Achse 3, so dass zwischen den Mantelflächen von Bohrung 4 und Achse 3 ein dünner Spalt gegeben ist, der dem Lagerspiel s entspricht und der im Betrieb mit einem flüssigen Schmiermittel, vorzugsweise Öl gefüllt ist. Im vorliegenden Fall ist die Lagerbuchse 2 als zylindrische Lagerhülse ausgebildet, welche am gemäss 1 unteren Ende einen Bund aufweist. Dieser verbessert den Halt zwischen Lagerbuchse 2 und Ring 1, indem er u. a. ein Verrutschen in axialer Richtung verhindert. Der Bund ist jedoch nicht unbedingt notwendig und kann auch weggelassen sein.The inner diameter of the hole 4 is slightly larger than the outside diameter of the axle 3 , so that between the lateral surfaces of bore 4 and axis 3 a thin gap is given, which corresponds to the bearing clearance s and which is filled in operation with a liquid lubricant, preferably oil. In the present case, the bearing bush 2 designed as a cylindrical bearing sleeve, which in accordance with 1 lower end has a fret. This improves the grip between bearing bush 2 and ring 1 , inter alia, prevents slippage in the axial direction. However, the covenant is not absolutely necessary and can also be left out.

Die Gleitflächen der Lagerbuchse 2 bestehen aus einem gängigen Material wie Sinterbronze oder Sintereisen. Um die Gleiteigenschaften anzupassen, kann z. B. Graphit beigefügt sein. Die Achse 3 besteht aus Metall, beispielsweise Stahl, der gehärtet ist.The sliding surfaces of the bearing bush 2 consist of a common material such as sintered bronze or sintered iron. To adjust the sliding properties, z. B. be added graphite. The axis 3 is made of metal, such as steel, which is hardened.

Zur Kopplung des Rotors an ein Getriebe dient ein Ritzel 5, welches drehfest mit dem Rotor verbunden ist.A pinion is used to couple the rotor to a gearbox 5 , which is rotatably connected to the rotor.

Der Rotor ist Teil eines Elektromotors ohne Bürsten, welcher z. B. als Schrittmotor oder bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Zum Antreiben des Rotors dient ein Stator mit Zähnen, die mittels Spulen magnetisierbar sind und so Pole bilden. Im Betrieb werden die Spulen mittels einer elektronischen Schaltung derart bestromt, dass sich der Rotor schrittweise dreht. Der Elektromotor ist vorzugsweise als Kleinantrieb ausgebildet, welcher eine mechanische Leistung von weniger als 5 W aufweist. Im Weiteren ist der Elektromotor für kleinere Drehzahlen ausgelegt, wie sie z. B. in Aktuatoren von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Lagerbuchse 2 und Achse 3 ist typischerweise kleiner als 0.1 m/s oder sogar kleiner als 0.05 m/s. Die Drehzahl des Rotors ist kleiner als 50 Umdrehungen pro Sekunde und vorzugsweise kleiner als 20 Umdrehungen pro Sekunde.The rotor is part of an electric motor without Brushes, which z. B. is designed as a stepper motor or brushless DC motor. To drive the rotor is a stator with teeth that are magnetizable by means of coils and thus form poles. In operation, the coils are energized by means of an electronic circuit such that the rotor rotates stepwise. The electric motor is preferably designed as a small drive, which has a mechanical power of less than 5 W. Furthermore, the electric motor is designed for lower speeds, as z. B. used in actuators of motor vehicles. The relative speed between bearing bush 2 and axis 3 is typically less than 0.1 m / s or even less than 0.05 m / s. The speed of the rotor is less than 50 revolutions per second and preferably less than 20 revolutions per second.

In 1 sind die Länge L sowie der Innendurchmesser D der Lagerbuchse 2 eingezeichnet. Diese Grössen sind so gewählt, dass L/D > 4, bevorzugt L/D > 5 und besonders bevorzugt L/D > 6. In typischen Anwendungen liegt D im Bereich von 1 mm bis 3 mm und L im Bereich, welcher sich aus dem gewählten Verhältnis L/D ergibt, z. B. für L/D = 6.4 liegt L im Bereich von 6.4 mm bis 19.2 mm.In 1 are the length L and the inner diameter D of the bearing bush 2 located. These sizes are chosen to be L / D> 4, preferably L / D> 5, and more preferably L / D> 6. In typical applications, D ranges from 1 mm to 3 mm and L ranges from the selected ratio L / D gives, for. For example, for L / D = 6.4, L is in the range of 6.4 mm to 19.2 mm.

Die Länge der Lagerbuchse 2 ist grösser als bei den üblichen Elektromotoren gewählt. Diese Massnahme bringt diverse Vorteile mit sich. So sinkt die Flächenpressung, da die Kräfte, welche während des Betriebs auf das Sinterlager auftreten, auf eine grössere Lagerfläche wirken. Dadurch kann der Rotor weniger leicht seitlich kippen.The length of the bearing bush 2 is chosen larger than the usual electric motors. This measure brings various advantages. Thus, the surface pressure decreases because the forces that occur during operation on the sintered bearing, act on a larger storage area. As a result, the rotor is less likely to tilt sideways.

Überraschenderweise ergeben sich auch Vorteile hinsichtlich der Wahl der Schmierstoffs sowie des Lagerspiels, wie dies nachfolgend anhand der 2 und 3 eingehender erläutert wird. Diese beiden Figuren zeigen jeweils den Verlauf des Reibmoments M in Funktion der dynamischen Viskosität η des Schmierstoffs auf einer doppelt logarithmischen Skala. Die beiden Kurven 10 und 20 sind anhand theoretischer Modelle berechnet worden, wobei die obere Kurve 10 den Fall für ein kurzes Lager, L = 6.6 mm, und die untere Kurve 20 den Fall für ein langes Lager, L = 11.6 mm, zeigt. Für die Berechnung wurde eine Kraft F vorgegeben, welche radial an dem einen Ende des Lagers angreift, wobei der Betrag von F so gewählt ist, dass in beiden Fällen die gleiche Hebelwirkung erzeugt wird, d. h., dass das Drehmoment, L × F, konstant ist. Konkret ist im ersten Fall F = 6 N und im zweiten Fall F = 3.5 N. Die übrigen Parameter sind in beiden Fällen gleich, insbesondere der Innendurchmesser D = 1.8 mm, das Lagerspiel s = 10 μm und die Drehzahl n = 7.14 s^–1.Surprisingly, there are also advantages in terms of the choice of lubricant and the bearing clearance, as described below with reference to the 2 and 3 is explained in more detail. These two figures each show the course of the friction torque M as a function of the dynamic viscosity η of the lubricant on a double logarithmic scale. The two curves 10 and 20 have been calculated using theoretical models, with the upper curve 10 the case for a short bearing, L = 6.6 mm, and the lower curve 20 shows the case for a long bearing, L = 11.6 mm. For the calculation, a force F was applied, which acts radially on one end of the bearing, wherein the amount of F is chosen so that in both cases, the same leverage is generated, ie, that the torque, L × F, is constant , Specifically, in the first case F = 6 N and in the second case F = 3.5 N. The other parameters are the same in both cases, in particular the inner diameter D = 1.8 mm, the bearing clearance s = 10 μm and the rotational speed n = 7.14 s ^-1 ,

Bei beiden Kurven 10, 20 nimmt bei einer Zunahme der Viskosität η das Reibmoment M zuerst ab, bis es ein Minimum erreicht. Bei der Kurve 10 liegt dieses Minimum bei etwa η = 0.09 Nsm^–2, bei der Kurve 20 bei etwa η = 0.03 Nsm^–2. Wird die Viskosität η weiter erhöht, so steigt das Reibmoment M wieder an. In diesem Bereich, wo M mit η steigt, ist die hydrodynamische Schmierung gewährleistet. Wie ersichtlich, wird beim längeren Lager der hydrodynamische Arbeitsbereich bei einer kleineren Viskosität erreicht. Wird demnach die Länge L des Sinterlagers grösser ausgelegt, kann ein Schmierstoff mit einer kleineren Viskosität η gewählt werden.For both curves 10 . 20 When the viscosity η increases, the frictional torque M first decreases until it reaches a minimum. At the bend 10 this minimum is about η = 0.09 Nsm ^-2 , at the curve 20 at about η = 0.03 Nsm ^-2 . If the viscosity η is further increased, the friction torque M increases again. In this area, where M increases with η, hydrodynamic lubrication is guaranteed. As can be seen, the hydrodynamic working area is achieved at a lower viscosity during longer storage. If, therefore, the length L of the sintered bearing is made larger, a lubricant with a lower viscosity η can be selected.

Die Möglichkeit, einen Schmierstoff mit niedriger Viskosität verwenden zu können, ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Elektromotor auch bei tiefen Temperaturen einsetzbar sein soll. So werden beispielsweise Elektromotoren bei Kraftfahrzeugen verwendet, um eine bewegliche Komponente, wie eine Lüftungsklappe in der Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimaanlage, einen Scheinwerfer oder eine Scheinwerferkomponente, gesteuert zu bewegen. Sinkt die Temperatur, so wird der Schmierstoff zähflüssiger. Bei der Verwendung eines langen Sinterlagers kann nun die Viskosität des Schmierstoffs so gewählt werden, dass die Fliessfähigkeit des Schmierstoffs und dadurch ein sicherer Betrieb des Elektromotors auch bei einer tiefen Temperatur gewährleistet sind, z. B. bei –10 Grad Celsius, –20 Grad Celsius oder sogar –40 Grad Celsius. Der Schmierstoff ist jedoch nach wie vor bei einer hohen Temperatur, z. B. bei 100 Grad Celsius oder sogar 120 Grad Celsius, viskos genug, um eine ausreichende Tragfähigkeit des Lagers zu gewährleisten.The Possibility of a lubricant with low viscosity being able to use is particularly advantageous when the electric motor should be usable even at low temperatures. For example, electric motors are used in motor vehicles, a movable component, such as a ventilation flap in the heating, ventilation and / or air conditioning, one Headlight or a headlight component, controlled to move. Sinks the temperature, the lubricant becomes viscous. When using a long sintered bearing, the viscosity can now of the lubricant can be chosen so that the fluidity of the lubricant and thereby safe operation of the electric motor are guaranteed even at a low temperature, for. At -10 degrees Celsius, -20 degrees Celsius or even -40 degrees Celsius. The lubricant is however after as before at a high temperature, for. B. at 100 degrees Celsius or even 120 degrees Celsius, viscous enough to provide adequate carrying capacity Warehouse to ensure.

Als Schmierstoffe sind z. B. solche geeignet, welche bei einer Raumtemperatur von 20 Grad Celsius eine Viskosität η von weniger als 0.3 Nsm^–2, vorzugsweise weniger als 0.15 Nsm^–2 und besonders bevorzugt weniger als 0.07 Nsm^–2 aufweisen. Geeignet sind u. a. synthetische Öle, beispielsweise das Öl mit der Produktebezeichnung Klübersynth DB 2-32.As lubricants z. For example, those which have a viscosity η of less than 0.3 Nsm ^-2 , preferably less than 0.15 Nsm ^-2 and particularly preferably less than 0.07 Nsm ^-2 at a room temperature of 20 degrees Celsius. Suitable include synthetic oils, such as the oil with the product name Klübersynth DB 2-32.

Die Berechnungen haben weiter gezeigt, dass der hydrodynamische Arbeitsbereich zu kleineren Viskositäten hin verschoben wird, wenn das Lagerspiel abnimmt. Bei der Kurve 20 steigt bei etwa η = 0.1 Nsm^–2 das Reibmoment wieder an. Ist das Lagerspiel z. B. doppelt so gross, s = 20 μm, setzt dieser Anstieg erst bei etwa η = 0.5 Nsm^–2 ein. Es wurde festgestellt, dass man sich bei einem längeren Sinterlager ein grösseres Spiel erlauben kann, wenn es ähnliche Charakteristiken im Reibungsverhalten aufweisen soll wie ein kürzeres Sinterlager. Die Erhöhung des Lagerspiels s führt zu einer höheren Laufsicherheit des Rotors insbesondere bei tiefen Temperaturen. Das Lagerspiel s ist mit Toleranzen behaftet. Bleibt die zugelassene Toleranz für s gleich, z. B. bei ±8 μm, so sinkt bei einer Erhöhung von s die relative Toleranz, d. h. das Verhältnis von "Maximalwert von s" zu "Minimalwert von s" wird kleiner.The calculations have further shown that the hydrodynamic working range is shifted to lower viscosities as the bearing clearance decreases. At the bend 20 increases the friction torque at about η = 0.1 Nsm ^-2 again. Is the bearing clearance z. B. twice as large, s = 20 microns, this increase is only at about η = 0.5 Nsm ^-2 a. It has been found that a longer sintered bearing can allow a greater clearance if it is to have similar frictional characteristics as a shorter sintered bearing. The increase of the bearing clearance s leads to a higher running safety of the rotor, especially at low temperatures. The bearing clearance s is subject to tolerances. If the permitted tolerance for s remains the same, z. B. at ± 8 microns, then decreases with an increase of s the relative tolerance, ie the ratio of "maximum value of s" to "minimum value of s" is smaller.

Bei einer Erhöhung des Verhältnisses L/s wird auch die Stabilität des Rotors erhöht, was eine Verminderung der Vibrationen und einen geräuscharmen Betrieb bewirkt. Durch experimentelle Messungen konnte dies bestätigt werden.at an increase in the ratio L / s will also the stability of the rotor increases, causing a reduction the vibration and a quiet operation causes. This could be confirmed by experimental measurements.

Soweit nicht schon erwähnt, weist der erfindungsgemässe Elektromotor folgende Vorteile auf:

– Die Verwendung eines langen Sinterlagers führt dazu, dass dieses trotz dynamischer Unwuchten hydrodynamisch arbeitet.
– Die Laufeigenschaften sind verbessert, die auftretenden Vibrationen reduziert und ein geräuscharmer Betrieb ist gewährleistet.
– Es sind Schmierstoffe mit einer niedrigeren Viskosität verwendbar. Dadurch ist ein sicherer Betrieb auch bei tieferen Temperaturen gewährleistet. Das Lager zeigt ebenfalls ein besseres Dämpfungsverhalten.
– Der Elektromotor ist über einen weiten Temperaturbereich einsetzbar.

Unless already mentioned, the electric motor according to the invention has the following advantages:

- The use of a long sintered bearing causes it to work hydrodynamically despite dynamic unbalance.
- The running properties are improved, the vibrations occurring and a quiet operation is guaranteed.
- Lubricants with a lower viscosity can be used. This ensures safe operation even at lower temperatures. The bearing also shows a better damping behavior.
- The electric motor can be used over a wide temperature range.

Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche definiert ist. So kann der Elektromotor auch so ausgebildet sein, dass die Achse 3 drehbar gelagert und die Lagerbuchse 2 fest montiert ist. Dies ist z. B. bei einem Aussenläufermotor der Fall. Die hier beschriebenen Vorteile ergeben sich auch bei Rotoren, die nicht-permanentmagnetisch sind.From the foregoing description, numerous modifications will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention, which is defined by the claims. Thus, the electric motor can also be designed so that the axis 3 rotatably mounted and the bearing bush 2 is firmly mounted. This is z. B. the case of an external rotor motor. The advantages described here also arise with rotors that are non-permanent magnetic.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2005/0249440 A1 [0002]
US 2006/0171620 A1 [0002]
WO 2005/090807 A1 [0002]

Claims

Electric motor with a rotor, which is rotatably mounted by means of a sintered bearing, characterized in that the sintered bearing is a bearing bush ( 2 ) whose length L and inner diameter D are chosen such that L / D> 4.

Electric motor according to claim 1, with further bearings for the axial bearing of the rotor.

Electric motor according to one of the preceding claims, wherein the sintered bearing contains a lubricant having a dynamic viscosity of less than 0.3 Nsm ^-2 , preferably less than 0.15 Nsm ^-2 and more preferably less than 0.07 Nsm ^-2 at a room temperature of 20 degrees Celsius ,

Electric motor according to one of the preceding claims, for operation in a temperature range of T1 is designed to T2, where T1 minus 10 degrees Celsius, preferably minus 20 degrees Celsius and most preferably minus 40 degrees Celsius and T2 is 100 degrees Celsius, preferably 120 degrees Celsius is.

Electric motor according to one of the preceding claims, wherein the rotor for rotation numbers of less than 50 revolutions per second and preferably less than 20 revolutions per second is designed.

Electric motor according to one of the preceding claims, with an electronic circuit for stepwise driving the Rotor.

Device for adjusting a movable component in a motor vehicle, with an electric motor according to one of the preceding Claims.