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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft einen Elektromotor und insbesondere einen Elektromotor
mit einem quadratischen Stator.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
Querschnitt eines konventionellen Permanentmagnet-Gleichstrommotors
ist in 7 dargestellt. Solche Motoren verwenden ein zylindrisches Gehäuse 1.
Permanentmagnete 2 sind an der Innenfläche des zylindrischen Gehäuses 1 befestigt
und liegen über
der Peripherie eines Rotors 3. Ein Motor mit einer solch
runden Konstruktion kann jedoch beim Transport leicht herum rollen.
Zudem ist die Installation unbequem und erfordert eine zusätzliche Positionierungsvorrichtung.
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Ein
Motor mit einem quadratischen Querschnitt, wie er in den letzten
Jahren entwickelt wurde, ist in 8 dargestellt.
Dieser Motor verwendet ein quadratisches Gehäuse 1' mit vier Seitenwänden. Permanentmagnete 2' sind an den
Innenflächen
der vier Seitenwände
befestigt. Wenngleich dieser Motor mit einem quadratischen Gehäuse die
vorstehend genannten Probleme zylindrischer Motoren löst, ergibt
sich dennoch das folgende Problem: 1) Der Raumnutzungsfaktor dieses
Gehäuses
ist sehr gering, und der Raum der vier Ecken ist ungenutzt. 2) Der
Durchmesser des Rotors 3' ist
gleich der Breite des Mantels 1', abzüglich der Dicke der Seitenwände, der
Dicke der Permanentmagnete 2' und
der Dicke des Luftspalts zwischen den Magneten 2' und dem Rotor 3'. Versuche,
die Größe des Motors
zu reduzieren, sind eingeschränkt,
mit Ausnahme des Durchmessers des Rotors und der Dicke der Magnete
und des Gehäuses.
Demzufolge hat der Motor bei einem vorgegebenen Volumen eine geringe
Leistungsdichte.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
besteht daher der Wunsch nach einem neuen Typ eines quadratischen
Motors mit größerer Raumnutzung.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Elektromotor bereitgestellt,
umfassend: einen Stator und einen in dem Stator aufgenommenen Rotor,
wobei der Stator ein Gehäuse
hat, dessen Querschnitt senkrecht zur Rotorachse polygonal ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine Vielzahl von Seitenwänden und
benachbarten bogenförmigen
Verbindungsbereichen aufweist, die die Seitenwände miteinander verbinden,
wobei der Stator 2n Magnete hat, die in den bogenförmigen Verbindungsbereichen
liegen, und wobei die Magnete 2m Magnetpole bilden, wobei m, n positive
ganze Zahlen sind und m ungleich n ist.
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Vorzugsweise
ist m gleich der Hälfte
oder dem Zweifachen von n.
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Vorzugsweise
hat das Gehäuse
eine einheitliche Dicke, und zwischen den Magneten und den entsprechenden
bogenförmigen
Verbindungsbereichen ist ein Spalt gebildet, in dem Klebstoff für die Befestigung
der Magnete an dem Gehäuse
angeordnet ist.
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Vorzugsweise
hat das Gehäuse
eine einheitliche Dicke, und eine Platte aus magnetisch leitendem
Material ist zwischen den Magneten und den entsprechenden bogenförmigen Verbindungsbereichen
angeordnet.
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Vorzugsweise
ist die Dicke der bogenförmigen
Verbindungsbereiche größer als
die Dicke der Seitenwände.
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Vorzugsweise
sind die Magnete an der Innenfläche
der entsprechenden bogenförmigen
Verbindungsbereiche befestigt oder in den entsprechenden bogenförmigen Verbindungsbereichen
eingebettet.
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Vorzugsweise
sind einige der Magnete an der Innenfläche von entsprechenden bogenförmigen Verbindungsbereichen
befestigt, und die restlichen Magnete sind in den entsprechenden
bogenförmigen Verbindungsbereichen
eingebettet, wobei die oberflächenmontierten
Magnete und die eingebetteten Magnete einander abwechselnd in Umfangsrichtung um
das Gehäuse
voneinander beabstandet sind.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse
quadratisch, und es sind vier Magnete vorhanden, die jeweils an der
Innenfläche
von vier bogenförmigen
Verbindungsbereichen befestigt oder in den vier bogenförmigen Verbindungsbereichen
des Gehäuses
eingebettet sind, wobei die Magnete gemeinsam einen Stator mit zwei
Magnetpolen bilden.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse
quadratisch, und es sind vier Magnete vorhanden, wobei zwei Magnete
jeweils an der Innenfläche
von bogenförmigen Verbindungsbereichen
in einer Diagonale des Gehäuses
befestigt sind und wobei die beiden anderen Magnete jeweils in den
bogenförmigen Verbindungsbereichen
in einer anderen Diagonale des Gehäuses eingebettet sind.
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Vorzugsweise
sind vier Magnete vorhanden, die jeweils an der Innenfläche von
vier bogenförmigen
Verbindungsbereichen befestigt sind, wobei die Magnete gemeinsam
einen Stator mit acht Magnetpolen bilden.
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Vorzugsweise
ist das Gehäuse
quadratisch, und es sind zwei Magnete jeweils an der Innenfläche von
bogenförmigen
Verbindungsbereichen in einer Diagonale des Gehäuses befestigt und bilden gemeinsam
einen Stator mit vier Magnetpolen.
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Die
vorteilhafte Wirkung der Erfindung ist, dass die Permanentmagnete
des Motors in den Ecken des polygonalen Gehäuses angeordnet sind. Dadurch
kann der Durchmesser des Rotors größer sein und die Leistungsdichte
des Motors ohne Vergrößerung des
Motors erhöht
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels beschrieben, wobei
auf die anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische
Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen,
tragen in sämtlichen
Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die
Dimensionen von Komponenten und in den Figuren dargestellten Merkmalen
sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und
sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 ist
eine Schnittansicht eines Motors gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 ist
eine schematische Darstellung einer Magnetfeldverteilung eines Motors
gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine schematische Darstellung einer Magnetfeldverteilung eines Motors
gemäß einer dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Magnetfeldverteilung eines Motors
gemäß einer vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 ist
eine schematische Darstellung einer Magnetfeldverteilung eines Motors
gemäß einer fünften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Magnetfeldverteilung eines Motors
gemäß einer sechsten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine Schnittansicht eines konventionellen Motors; und
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8 ist
eine Schnittansicht eines weiteren Motors nach dem Stand der Technik.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, in der ein Elektromotor einen Stator
und einen in dem Stator aufgenommenen Rotor 16 hat. Der
Stator hat ein polygonales Gehäuse 10 und
eine Vielzahl von Permanentmagneten 12. Vorzugsweise ist
das Gehäuse
ein regelmäßiges Polygon.
In dieser Ausführungsform
ist der Querschnitt des Gehäuses 10 senkrecht
zur Rotorachse quadratisch. Das Gehäuse hat vier Seitenwände 10a,
und benachbarte Seitenwände 10a sind
durch eine Ecke oder durch einen bogenförmigen Verbindungsbereich 10b verbunden.
Der Radius des bogenförmigen Verbindungsbereichs 10b ist
kleiner als der Umkreisradius des Gehäuses 10. Das Gehäuse 10 hat
eine einheitliche Dicke. Es sind vier Permanentmagnete 12 vorhanden,
die separat innen an den bogenförmigen
Verbindungsbereichen 10b angeordnet sind. Die Mittellinie 12 jedes
Magnets koinzidiert mit der Mittellinie des jeweiligen bogenförmigen Verbindungsbereichs 10b.
Zwei Enden jedes Magnets 12 sind an der Innenfläche benachbarter
Seitenwände
des Gehäuses 10 befestigt.
Zwischen dem mittleren Teil des Magnets 12 und dem bogenförmigen Verbindungsbereich 10b ist
ein Spalt gebildet. In dem Spalt ist ein Klebstoff vorgesehen, um
den Magnet 12 an dem Gehäuse 10 festzukleben.
In dieser Ausführungsform
ist eine Platte 14 in dem Spalt angeordnet. Die Platte
besteht aus magnetisch leitendem Material und unterstützt die
magnetische Verbindung zwischen den Magneten und dem Gehäuse. Der
Rotor 16 ist in dem Gehäuse 10 angeordnet.
In dieser Ausführungsform
liegen die vier Magnete 12 in den vier Ecken des quadratischen
Gehäuses 10.
Der Durchmesser des Rotors 16 ist gleich der Breite des
Gehäuses 10,
abzüglich
der Seitenwanddicke des Gehäuses 10 und
der Breite des Spalts zwischen dem Gehäuse 10 und dem Rotor 16.
Der Durchmesser des Rotors 16 ist daher nicht durch die
Dicke der Magnete 12 eingeschränkt. Verglichen mit einem Motor konventioneller
Bauart mit einem gleich großen
Gehäuse,
kann der Durchmesser des Rotors 16 bei vorliegender Erfindung
vergrößert werden.
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Eine
schematische Darstellung der Magnetfeldverteilung eines Motors gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt.
Die Magnete sind entlang der radialen Richtung polarisiert, wobei
bei der Polarisationsrichtung von zwei aneinandergrenzenden oder
benachbarten Magneten der Nordpol und bei der Polarisationsrichtung
der anderen beiden benachbarten Magneten der Südpol außen liegt. Die Magnetlinien von
dem Nordpol derjenigen Magnete, deren Nordpol außen liegt, verlaufen durch
das Gehäuse 10 in
die benachbarten Magnete, deren Südpol außen liegt, und über den
Rotor 16 zurück
zu dem Südpol
der Magnete, deren Nordpol außen
liegt, so dass die beiden benachbarten Magnete mit entgegengesetzter
Polarisationsrichtung gemeinsam einen Magnetkreis bilden. Die durchgezogenen
Linien und die gestrichelten Linien dienen zur Darstellung der in 2 gezeigten
einzelnen Magnetkreise. Die vier Magnete 12 bilden einen
Stator mit zwei Magnetpolen. Es versteht sich, dass das Gehäuse 10 auch
eine nicht einheitliche Dicke aufweisen kann. In dieser Ausführungsform
sind die in den vier Ecken definierten bogenförmigen Verbindungsbereiche 10b mit
einer Dicke ausgebildet, die größer ist
als die Dicke der Seitenwand 10a, wodurch sich die Platten
der ersten Ausführungsform
erübrigen
und eine Befestigung der Magnete 12 direkt an der Innenfläche der
bogenförmigen
Verbindungsbereiche 10b möglich ist. Diese Magnete werden
als oberflächenmontierte
Magnete bezeichnet. In dieser Ausführungsform sind die Magnete 12 durch
einen Klebstoff an der Innenfläche
der bogenförmigen
Verbindungsbereiche 10b befestigt. Alternativ dazu können die
Magnete durch die Anwendung anderer Methoden befestigt werden.
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Der
Motor der dritten Ausführungsform,
wie in 3 gezeigt, ist ähnlich wie der Motor von 2. Der
Unterschied liegt darin, dass bei dem in 3 gezeigten
Motor die Magnete 12' entlang
der Umfangsrichtung des Rotors polarisiert sind. Vier Magnete 12' sind separat
in den vier bogenförmigen
Verbindungsbereichen 10b eingebettet. Diese Magnete werden
als eingebettete Magnete bezeichnet. Die vier Magnete bilden gemeinsam
einen Stator mit zwei Magnetpolen.
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Der
Motor der vierten Ausführungsform,
wie in 4 gezeigt, ist ebenfalls ähnlich wie der Motor von 2.
Der Unterschied besteht darin, dass bei dem in 4 gezeigten
Motor ein Paar von Magneten, die in einer Diagonale des Gehäuses 10 angeordnet
sind, in den jeweiligen bogenförmigen
Verbindungsbereichen 10b eingebettet und entlang der Umfangsrichtung
des Rotors polarisiert sind. Ein weiteres Paar von Magneten, die
in einer anderen Diagonale des Gehäuses 10 angeordnet
sind, sind direkt an der Innenfläche
des jeweiligen bogenförmigen Verbindungsbereichs 10b befestigt
und entlang der radialen Richtung des Rotors polarisiert. Die vier
Magnete bilden gemeinsam einen Stator mit zwei Magnetpolen.
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Ein
Motor gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 5 dargestellt.
Vier Magnete 12 des Motors sind sämtlich entlang der radialen
Richtung des Rotors polarisiert und sind direkt an der Innenfläche der
bogenförmigen Verbindungsbereiche 10b befestigt.
Jeder Magnet hat die gleiche Polarisationsrichtung. In dieser Ausführungsform
liegt der Nordpol jedes Magnets außen. Die von dem Nordpol ausgehenden
Magnetlinien jedes Magnets verlaufen durch das Gehäuse und über den
Rotor zurück
zu dem Südpol
des Magnets. Auf diese Weise bildet jeder Magnet zwei Magnetkreise.
Die vier Magnete bilden gemeinsam einen Stator mit acht Magnetpolen.
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6 zeigt
einen Motor gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Rotor hat zwei Magnete 12,
die an der Innenfläche
jeweiliger bogenförmiger
Verbindungsbereiche 10b, die in einer Diagonale des Gehäuses definiert sind,
befestigt sind. Die beiden Magnete sind entlang der radialen Richtung
des Rotors polarisiert. Jeder Magnet 12 hat die gleiche
Polarisationsrichtung. In dieser Ausführungsform liegt der Nordpol
jedes Magnets außen.
Die von dem Nordpol jedes Magnets ausgehenden Magnetlinien verlaufen
durch das Gehäuse
und über
den Rotor zurück
zu dem Südpol
des Magnets. Die Magnetlinien treten in den Rotor ein, indem sie
den Luftspalt zwischen dem Gehäuse
und dem Rotor überqueren.
An den bogenförmigen
Verbindungsbereichen der anderen Diagonale hat das Gehäuse ein
Profil derart, dass mit dem Rotor ein schmaler Luftspalt gebildet
wird, wodurch ein Phantompol entsteht. Auf diese Weise bildet jeder
Magnet zwei Magnetkreise. Die beiden Magnetkreise bilden gemeinsam
einen Stator mit vier Magnetpolen.
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Zusammengefasst
sind die Permanentmagnete des Motors gemäß vorliegender Erfindung in den
Ecken oder in dem Innenwinkel des polygonalen Gehäuses angeordnet.
Dadurch kann der Rotor größtmöglich sein,
und die Leistungsdichte des Motors lässt sich erhöhen, ohne
den Motor vergrößern zu
müssen.
Es versteht sich, dass das Gehäuse
des Motors nicht auf einen quadratischen Motor beschränkt ist.
Es kann zum Beispiel ein Gehäuse
mit sechs, acht Seitenwänden
etc. vorgesehen sein. Der Stator gemäß vorliegender Erfindung kann
2n Magnete aufweisen, die gemeinsam 2m Magnetpole bilden, wobei
m, n positive ganze Zahlen sind und m ungleich n ist. Äußerst wünschenswert
wäre, dass
m gleich der Hälfte
oder dem Zweifachen von n entspricht. Es versteht sich, dass die
Magnetlinien repräsentativ
sind für
die Magnetflusswege durch den Motor.
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Wenngleich
die Erfindung anhand mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, wird
der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen möglich sind
und der Schutzrahmen der Erfindung somit durch die anliegenden Ansprüche definiert
ist.
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Verben
wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie
deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen sind
in einem einschließenden
Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden
ist, schließen jedoch
nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.