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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor mit integriertem Wellgetriebe, welches einen kreisförmigen Außenring und ein Innenrad aufweist.
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Getriebemotoren dienen meist zur Übersetzung einer rotativen Antriebsbewegung auf eine rotative Abtriebsbewegung. Solche Motoren vereinen eine Motorfunktion mit einer Getriebefunktion, wobei die Getriebefunktion zumeist mittels eines Hohlrades und eines im Hohlrad exzentrisch umlaufenden kleineren Innenrades realisiert wird. Zwischen diesen Rädern kann über eine Verzahnung oder reibschlüssig ein Drehmoment übertragen werden. Die Getriebeübersetzung ergibt sich aus der Differenz der Durchmesser bzw. der Differenz der Zähnezahl. Dabei ist die Übersetzung umso größer, je höher die Zähnezahl und je geringer die Differenz der Durchmesser ist. Problematisch ist bei solchen herkömmlichen Getriebemotoren allerdings die exzentrische Bewegung des Innenrades. Denn vom exzentrisch umlaufenden Innenrad muss das Drehmoment auf eine zentrisch laufende Abtriebswelle übertragen werden. Der Kupplungsmechanismus muss daher einerseits das Moment übertragen und andererseits zusätzlich die Exzentrizität ausgleichen.
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Aus der Druckschrift
DE 10 2006 017 713 A1 ist hingegen ein Getriebemotor bekannt, bei dem das innere Zahnrad elastisch verformt wird. Dadurch erhält es eine elliptische Form und hat auf zwei Seiten des Hohlrades Zahneingriff. Der Antrieb erfolgt über einen Wellengenerator, der die elastische Verformung des inneren Zahnrades bewirkt. Nachteilig ist jedoch, dass nur geringe elastische Verformungen möglich sind, so dass nur Übersetzungen ab ca. 30 realisierbar sind.
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Weiterhin offenbart die
JP 06296345 A eine Anordnung, bei der eine Welle magnetisch gelagert ist und die magnetische Lagerung einen Außenring aufweist, der durch Aktuatoren bewegt werden kann. Durch die Aktuatoren kann die Magnetlagerung in eine exzentrische Position gebracht werden, im zitierten Stand der Technik dient die exzentrische Positionierung des Magnetlagers dazu, Exzentrizitäten der Welle, die aus externen auf die Welle wirkenden Kräften resultieren, auszugleichen.
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Eine andere bekannte Ausführung von Getrieben sind Stirnradgetriebe. Um mit Stirnradverzahnungen große Übersetzungen zu realisieren, sind mehrstufige Getriebemotoren nötig. Die Mehrstufigkeit der Getriebe führt zu einer Vergrößerung des Bauraumes, der Teilezahl und der Herstellungskosten.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Getriebemotor zu schaffen, der sich trotz einstufigen Getriebes für große Übersetzungen eignet, und bei dem der Antrieb des Hohlrades direkt elektromagnetisch erfolgt.
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Diese Aufgabe wird mit dem Elektromotor gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der Elektromotor sieht erfindungsgemäß vor, dass der Außenring verschoben wird und eine Bewegung ausführt, bei der der Mittelpunkt des Außenringes sich entlang einer Kreisbahn bewegt. Da durch rollt der Außenumfang des Innenrades entlang dem Innenumfang des Außenrings ab. Das Innenrad rotiert dabei zentrisch um eine Achse, die durch den Mittelpunkt der Kreisbahn führt. Es ist entlang dieser Achse drehbar gelagert und wird mittels der Bewegung des Außenringes angetrieben.
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Die Verschiebung des Außenringes wird durch ein Magnetfeld hervorgerufen, das durch Anregung der Erregerspulen erzeugt wird. Die Erregerspulen sind vorzugsweise auf Magnetpolen vorgesehen. Sie werden abwechselnd so angesteuert, dass die Überlagerung der durch die Erregerspulen erzeugten Magnetfelder ein Magnetfeld bewirkt, welches in einer Umfangsrichtung des Außenringes wandert. Dieses wandernde Magnetfeld wirkt dabei auf ein magnetisch beeinflussbares Bauteil.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das magnetisch beeinflussbare Bauteil der Außenring und/oder am Außenring angeordnet. Ebenfalls bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das magnetisch beeinflussbare Bauteil an einem Stator des Elektromotors angeordnet ist. Dabei ist das magnetisch beeinflussbare Bauteil vorzugsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet. Weiterhin bevorzugt ist das magnetisch beeinflussbare Bauteil zumindest teilweise oder vollständig ein Permanentmagnet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können mehrere magnetisch beeinflussbare Bauteile vorgesehen sein, die bevorzugt am Außenring vorgesehen sind. Die mehreren beeinflussbaren Bauteile können ebenfalls bevorzugt am Stator des Elektromotors, oder teilweise am Stator und teilweise am Außenring angeordnet sein. Auch in diesen Ausführungsformen sind die mehreren beeinflussbaren Bauteile vorzugsweise Permanentmagnete.
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Sofern magnetisch beeinflussbare Bauteile durch den Außenring gebildet oder an dem Außenring angeordnet sind, sind die Erregerspulen am Stator angeordnet. Falls hingegen die Erregerspulen am Außenring angeordnet sind, sind magnetisch beeinflussbare Bauteile am Stator angeordnet.
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Besonders bevorzugt sind die magnetisch beeinflussbaren Bauteile den Magnetpolen beziehungsweise Erregerspulen gegenüberliegend angeordnet. Dabei ist ebenfalls bevorzugt ein Luftspalt zwischen den magnetisch beeinflussbaren Bauteilen und den Magnetpolen beziehungsweise den Erregerspulen vorgesehen. Dabei ist die Größe des Luftspaltes entsprechend der Verschiebung des Außenringes veränderlich.
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Der Einsatz von Permanentmagneten als magnetisch beeinflussbare Bauteile hat den Vorteil, dass neben anziehenden auch abstoßende Kräfte nutzbar sind, und dass die im Luftspalt auftretenden Kräfte beim Einsatz von Permanentmagneten wesentlich verstärkt sind.
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Beim Abrollen des Innenrades am Außenring wirken das Innenrad und der Außenring bevorzugt reib- und/oder formschlüssig zusammen. Dabei weist das Innenrad in einer bevorzugten Ausführungsform eine Außenverzahnung auf, wobei der Außenring eine Innenverzahnung aufweist, so dass die Außenverzahnung des Innenrades zumindest teilweise mit der Innenverzahnung des Außenringes in Eingriff ist. Vorzugsweise weist dabei die Innenverzahnung des Außenrades eine größere Zähnezahl als die Außenverzahnung des Innenrades auf.
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Da die Erregerspulen am Stator und das magnetisch beeinflussbare Bauteil durch den Außenring gebildet oder am Außenring angeordnet sind, oder da das magnetisch beeinflussbare Bauteil durch den Stator gebildet oder am Stator angeordnet ist und die Erregerspulen am Außenring angeordnet sind, und da der Außenring verschiebbar gelagert ist, können durch Ansteuerung der Erregerspulen gezielt sich überlagernde Magnetfelder erzeugt werden, die eine Verschiebung des Außenringes bewirken. Dabei wird das magnetisch beeinflussbare Bauteil durch die Erregerspulen angezogen und/oder – bei Einsatz von Permanentmagneten – abgestoßen.
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Bevorzugt erfolgt die Ansteuerung in Abhängigkeit von der Größe eines zwischen dem Magnetpol beziehungsweise der Erregerspule und einem gegenüberliegenden magnetisch beeinflussbaren Bauteil bestehenden Luftspaltes. Und zwar wird das von der Erregerspule erzeugte Magnetfeld bevorzugt ausgeschaltet, wenn der Luftspalt eine minimale Größe hat. Dabei werden vorzugsweise ein oder mehrere andere Erregerspulen in Umlaufrichtung eingeschaltet. Das durch die Erregerspulen erzeugte resultierende Magnetfeld ist erfindungsgemäß ein Magnetfeld, welches in einer Umlaufrichtung des Außenringes wandert und die Verschiebung des Außenringes so bewirkt, dass der Mittelpunkt des Außenringes sich entlang der Kreisbahn bewegt.
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Bevorzugt ist dabei der Durchmesser der Kreisbahn gleich der Durchmesserdifferenz zwischen dem Innendurchmesser des Außenringes und dem Außendurchmesser des Innenrades.
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Bevorzugt ist die Lagerung des Außenringes feststehend, so dass der Außenring zwar verschiebbar aber nicht drehbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lagerung dafür zumindest drei in Umfangsrichtung des Außenringes in Abstand voneinander angeordnete miteinander parallele Bolzen auf, die in Bohrungen am Außenring eingreifen.
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Vorzugsweise ist der Durchmesser der Bohrungen um die Durchmesserdifferenz zwischen dem Innendurchmesser des Außenrings und dem Außendurchmesser des Innenrades größer als der Durchmesser der Bolzen. Die Bolzen sind bevorzugt Rundbolzen. Sie sind daher innerhalb der Bohrungen verschieblich, und werden vorzugsweise bei Verschiebung des Mittelpunktes des Außenringes entlang der Kreisbahn entlang der Wand der Bohrungen geführt.
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Um eine von der Lastsituation unabhängige Schaltsequenz realisieren zu können, ist vorzugsweise eine Positionserfassung des Außenringes vorgesehen, beispielsweis mithilfe von Hall Sensoren, die beispielsweise die Luftspaltgröße erfassen, so dass die Ansteuerung der Erregerspulen in Abhängigkeit von der Position des Außenringes erfolgen kann.
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Die Spannungsversorgung für den Elektromotor ist bevorzugt zumindest zweiphasig oder mehrphasig vorgesehen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor,
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2 zeigt schematisch die Kreisbahn, entlang der sich der Mittelpunkt des Außenringes bewegt;
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3 zeigt Schnitte eines erfindungsgemäßen Elektromotors in verschiedenen Ansteuerungssituationen der Erregerspulen,
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4 zeigt Spannungsverläufe der den Elektromotor versorgenden zweiphasigen Motorspannung.
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1 zeigt schematisch einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Elektromotor. Der Elektromotor dieser Ausführungsform weist einen Stator 1 auf, in dem ein Außenring 2 und innerhalb des Außenrings 2 ein Innenrad 3 kleineren Durchmessers angeordnet ist. Der Außenring 2 hat einen Innenumfang 2.1, der mit einer Innenverzahnung 2.11 versehen ist. Das Innenrad 3 weist hingegen einen Außenumfang 3.2 mit einer Außenverzahnung 3.21 auf. Die Innenverzahnung 2.11 des Außenringes 2 und die Außenverzahnung 3.21 des Innenrades 3 sind zumindest teilweise miteinander in Eingriff. Dabei ist die Zähnezahl Z2 des Innenrades 3 kleiner als die Zähnezahl Z1 des Außenringes 2 gewählt.
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Durch die miteinander in Eingriff stehende hier sehr hohe Zahl der Zähne Z1, Z2 des Innenrades 3 und des Außenringes 2 verteilen sich bei der hier gezeigten Ausführungsform die Kräfte und es ist ein im Vergleich zu Stirnradgetrieben hohes Drehmoment übertragbar.
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Das Innenrad 3 ist um eine Achse, die durch den Mittelpunkt 3.5 des Innenrades 3 verläuft, der hier gleichzeitig der Mittelpunkt des Stators 1 ist, drehbar gelagert.
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Am Stator 1 sind zwei Paare A-C, B-D Magnetpole 1.1 vorgesehen, wobei die Polteilung gleich gewählt ist. Es sind auch höhere Polzahlen möglich, die aber zu einer langsameren Bewegung des Außenringes 2 führen. Weiterhin beeinflusst auch die Frequenz des wandernden Magnetfeldes die Geschwindigkeit des Außenringes 2.
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An den Magnetpolen 1.1 sind Erregerspulen 8, A, B, C, D vorgesehen, wobei die Erregerspulen 8, A, B, C, D der diametral einander gegenüberliegenden Magnetpole 1.1 jeweils zum gleichen Wicklungsstrang gehören und gegenläufig bestromt werden, so dass jeweils die in den Diametralrichtungen auf den Außenring 2 wirkenden Magnetkräfte gleichgerichtet sind, und in dem Luftspalt 4 des einen Magnetpols 1.1 eines Polpaares A-C, B-D jeweils eine anziehende Kraft wirkt, während in dem Luftspalt 4 des gegenüberliegenden Magnetpols 1.1 desselben Polpaares A-C, B-D eine abstoßende Kraft wirkt.
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Am Außenring 2 sind gegenüber den Magnetpolen 1.1 als magnetisch beeinflussbare Bauteile 9 jeweils Permanentmagnete vorgesehen, durch die die in den Luftspalten 4 zwischen dem Außenring 2 und den Magnetpolen 1.1 wirkende Kraft verstärkt ist.
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Bei einer zweiphasigen Versorgungsspannung (s. 4) besteht zwischen den Spannungsverläufen der beiden Wicklungen der Polpaare A-C, B-D bevorzugt eine Phasenverschiebung von 90°, so dass die Durchflutung der einen Wicklung gegenüber der Durchflutung der anderen Wicklung um 90° versetzt nacheilt.
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Grundsätzlich können die Erregerspulen 8, A, B, C, D eines erfindungsgemäßen Elektromotors auch am Außenring 2 angeordnet sein, wobei die Wicklungen dann mit bewegt werden, oder teilweise am Außenring 2 und teilweise am Stator 1, wobei der am Außenring 2 angeordnete Teil mit bewegt wird, wohingegen der am Stator 1 angeordnete Teil nicht mit bewegt wird. Beim Einsatz von Permanentmagneten 9 können diese ebenfalls am Außenring 2 oder am Stator 1 angeordnet sein, wobei die Wicklung dann aber jeweils auf dem anderen Bauteil 1, 2 angeordnet ist.
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Für die Lagerung 6, 7 des Außenringes 2 sind radial am Außenumfang 2.2 des Außenringes 2 vorstehende Buchsen 6.1 vorgesehen, die mit Bohrungen 6 versehen sind, in die Rundbolzen 7 eingreifen. Dabei ist der Durchmesser der Bohrungen 6 um die Durchmesserdifferenz d3 zwischen dem Innendurchmesser D1 des Außenringes 2 und dem Außendurchmesser D2 des Innenrades 3 größer als der Durchmesser der Bolzen 7, so dass die Bolzen 7 jeweils in den Bohrungen 6 verschiebbar sind.
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Der Außenring 2 kann daher so verschoben werden, dass sich sein Mittelpunkt 2.5 entlang eines Kreises 5 bewegt, dessen Durchmesser der Durchmesserdifferenz d3 zwischen dem Innendurchmesser D1 des Außenringes 2 und dem Außendurchmesser D2 des Innenrades 3 entspricht. Dabei werden einerseits die Bolzen 7 innerhalb der Bohrungen 6 entlang der Bohrungswände geführt und andererseits rollt dabei das Innenrad 3 mit seinem Außenumfang 3.2 am Innenumfang 2.2 des Außenringes 2 ab.
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Da der Außenumfang 3.2 des Innenrades 3 kleiner als der Innenumfang 2.2 des Außenringes 2 ist, besteht zwischen dem Innenumfang 2.2 des Außenringes 2 und dem Außenumfang 3.2 des Innenrades 3 immer ein Luftspalt 4, der mit dem Abrollen des Innenrades 3 am Außenring 2 umläuft. Von einem festgelegten Punkt des Außenringes 2 aus betrachtet variiert die Größe des Luftspaltes 4 beim Abrollen daher zeitlich.
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Die Verschiebung des Außenringes 2 wird verursacht, indem die Erregerspulen 8, A, B, C, D abwechselnd ein Magnetfeld erzeugen, so dass das resultierende Magnetfeld in einer Umlaufrichtung 2.4 des Außenringes 2 den Außenring 2 umläuft und auf die Permanentmagnete 9 eine entsprechende Kraft ausüben.
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Dafür werden die Erregerspulen 8, A, B, C, D in einer Sequenz abwechselnd angesteuert, wobei zwei- oder mehrphasige Versorgungsspannungen nötig sind. Die Wicklung des Elektromotors ist hier zweipolig ausgeführt und muss auch zumindest zweipolig ausgeführt werden. Die Umschaltung von einer Erregerspule 8, A, B, C, D auf die nächstfolgende Erregerspule 8, A, B, C, D erfolgt immer, wenn der Luftspalt 4 zwischen einem Magnetpol 1.1 und dem ihm gegenüberliegenden Permanentmagnet 9 des Außenrings 2 einen Grenzwert erreicht, und insbesondere minimal ist.
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2 zeigt schematisch die Kreisbahn 5, entlang der sich der Mittelpunkt 2.5 des Außenringes 2 bewegt. Der Durchmesser d3 der Kreisbahn 5 entspricht gerade der Durchmesserdifferenz d3 zwischen dem Innendurchmesser D1 des Außenringes 2 und dem Außendurchmesser D2 des Innenringes 3.
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Mit dem Pfeil ist beispielhaft eine Umlaufrichtung 2.4 des Außenringes 2 gezeigt. Es ist aber wahlweise in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Erregerspulen 8, A, B, C, D auch die entgegengesetzte Umlaufrichtung 2.4 realisierbar.
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Die Getriebeübersetzung i ist aus der Differenz der Durchmesser gemäß i = D2/(D1 – D2) beziehungsweise aus der Differenz der Zähnezahlen gemäß i = Z2/(Z1 – Z2), bestimmbar, wobei Z1 die Zähnezahl de Außenringes und Z2 die Zähnezahl des Innenrades ist.
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3 zeigt Schnitte eines erfindungsgemäßen Elektromotors in verschiedenen Ansteuerungssituationen der Erregerspulen 8, A, B, C, D:
In 3a sind die Spulen A und C von einem Strom durchflossen, wobei die Spule A eine anziehende Kraft und die Spule C eine abstoßende Kraft auf die magnetisch beeinflussbaren Bauteile 9 beziehungsweise den Außenring 2 ausübt.
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In 3b sind alle Spulen A, B, C, D von einem Strom durchflossen, wobei die Spulen A und B eine anziehende Kraft und die Spulen C und D eine abstoßende Kraft ausüben.
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In 3c sind die Spulen B und D von einem Strom durchflossen, wobei die Spule B eine anziehende Kraft und die Spule D eine abstoßende Kraft ausübt.
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In 3d sind alle Spulen A, B, C, D von einem Strom durchflossen, wobei die Spulen B und C eine anziehende Kraft und die Spulen A und D eine abstoßende Kraft ausüben.
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In 3e sind die Spulen A und C von einem Strom durchflossen, wobei die Spule A eine abstoßende Kraft und die Spule C eine anziehende Kraft ausübt.
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Als Versorgungsspannung ist eine zumindest zwei- oder mehrphasige Spannung vorgesehen, wobei die Phasen 1, 2 miteinander entsprechend der Polpaarzahl zueinander versetzt sind. Der in 3 schematisch gezeigte Verlauf beschreibt die Ansteuerung des erfindungsgemäßen Elektromotors der Ausführungsform gemäß 1 bei zweiphasiger Versorgungsspannung. Eine solche Versorgungsspannung zeigt auch die 4.
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Die Phasen 1, 2 der Versorgungsspannung sind hier um ca. 90° zueinander versetzt.
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Der in 3 dargestellte Verlauf lässt sich mithilfe der 4 nachvollziehen, wenn die Erregerspulen 8, A, B des Polpaars B-D mit einer Versorgungsspannung gemäß der Phase 1 und die Erregerspulen 8, C, D des Polpaars A-C mit einer Versorgungsspannung gemäß der Phase 2 versorgt werden. Die 3a–3e geben dann gerade die Positionen des Außenringes 2 während einer Halbwelle der Versorgungsspannung wieder.
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Dabei wirkt bei positiver Versorgungsspannung der Phase 1 das Magnetfeld der Spule D abstoßend und das Magnetfeld der Spule B anziehend, bei negativer Versorgungsspannung der Phase 1 hingegen das Magnetfeld der Spule D anziehend und das Magnetfeld der Spule B abstoßend.
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Bei positiver Versorgungsspannung der Phase 2 ist dagegen das Magnetfeld der Spule A anziehend und das Magnetfeld der Spule C abstoßend, während bei negativer Versorgungsspannung der Phase 2 das Magnetfeld der Spule A abstoßend und das Magnetfeld der Spule C anziehend ist.
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Um Vibrationen durch die Bewegung des Außenringes 2 zu reduzieren, kann es in mehrere axial hintereinander angeordnete Segmente geteilt werden, die versetzt angeordnet sind und einen Ausgleich der bewegten Massen ermöglichen.
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Beim erfindungsgemäßen Elektromotor ist nur ein einziges bewegliches Bauteil, nämlich der Außenring 2 notwendig. Er ist daher einfach aufgebaut. Der Elektromotor verhält sich wie ein Synchronmotor, es sind mit ihm große Übersetzungen realisierbar und es lassen sich durch die Vielzahl der möglichen miteinander in Eingriff stehenden Zähne hohe Momente übertragen. Für das Innenrad 3 ist eine Hohlwelle verwendbar und der Elektromotor ist insgesamt sehr kompakt realisierbar.