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Die Erfindung betrifft einen bürstenlosen, elektronisch kommutierten Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Elektromotoren in Bauform eines sogenannten Innenläufers sind an sich bekannt. Sie weisen üblicherweise einen ring- oder rohrförmigen, drehfesten Stator und einen koaxial und drehbar in dem Stator angeordneten Rotor auf. Der Stator weist über einen Umfang verteilt angeordnete Statorspulen zur Erzeugung eines drehenden Magnetfelds auf, das ein Moment auf den Rotor ausübt. Die Drehung des Magnetfelds wird durch eine Kommutierung des Elektromotors beziehungsweise des Stators, das heißt eine zeitliche Abfolge einer Bestromung der Statorspulen erzeugt. Die Kommutierung eines Elektromotors wird auch als Stromwendung bezeichnet.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2016 224 526 A1 offenbart einen bürstenlosen Elektromotor, dessen Stator einen Statorstern aus axial gestapelten Statorblechen aufweist, die innen ein Zylinderrohr bilden, von dem Statorzähne radial nach außen abstehen. Auf die Statorzähne sind Spulenkörper gesteckt, auf die Statorspulen rechteckringförmig gewickelt sind.
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Die Erfindung ist darauf gerichtet, eine Herstellung eines bürstenlosen Elektromotors zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der erfindungsgemäße, bürstenlose Elektromotor ist ein so genannter „Innenläufer“: er weist einen ring- oder rohrförmigen Stator auf, in dem ein drehbarer Rotor angeordnet ist. Der bürstenlose Elektromotor weist keine Schleifkontakte oder dergleichen zu einer Übertragung elektrischer Energie auf den Rotor auf, der bei einem bürstenlosen Elektromotor normalerweise keine Spulen aufweist, sondern Permanentmagnete. Ein Rotor mit Permanentmagneten ist zwar bevorzugt jedoch nicht zwingend für die Erfindung.
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Der Stator des erfindungsgemäßen Elektromotors weist drei oder weniger Statorspulen auf, wobei drei Statorspulen bevorzugt sind, weil drei Statorspulen eine Erzeugung eines drehenden Magnetfelds ermöglichen, was in jeder Drehlage des Rotors im Stator einen Anlauf des Rotors aus dem Stand in einer vorgebbaren Drehrichtung ermöglicht. Bei Ausführungen des Elektromotors mit zwei oder sogar nur einer Statorspule ist ein Anlauf nicht in jeder Drehlage des Rotors möglich oder die Drehrichtung des Rotors ist unbestimmt. Die Statorspulen sind - vorzugsweise gleichmäßig - über einen Umfang des Stators verteilt und insbesondere innen am Stator angeordnet.
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Durch eine elektronische Kommutierung lässt sich mit dem Stator ein asymmetrisches, um den Rotor drehendes Magnetfeld erzeugen, das ein Drehmoment auf den Rotor ausübt, das den Rotor zu einer Drehung antreibt.
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Erfindungsgemäß sind die Statorspulen als Baugruppen ausgeführt und weisen jeweils einen Spulenkörper auf, auf dem eine Statorspule angeordnet ist. „Baugruppe“ bedeutet eine den Spulenkörper und die Statorspule aufweisende Einheit, die außerhalb des Elektromotors hergestellt oder zusammengesetzt und dann als Ganzes an oder in dem Stator angeordnet wird. Die Baugruppe kann weitere Elemente außer der Statorspule und dem Spulenkörper aufweisen und es sind Ausführungen des erfindungsgemäßen Elektromotors möglich, die einen Spulenkörper mit mehreren oder allen Statorspulen als Baugruppe/n aufweisen.
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Erfindungsgemäß sind die Statorspulen außerhalb des Elektromotors und auch außerhalb anderer Teile des Stators wie insbesondere eines Rückschlussrings unabhängig vom Spulenkörper gewickelt, in eine gewünschte Form gebracht und auf die Spulenkörper aufgesetzt. Anders als üblich sind die Statorspulen also nicht auf den oder die Spulenkörper gewickelt, sondern unabhängig von dem oder den Spulenkörpern gewickelt und als gewickelte Spulen auf den oder die Spulenkörper aufgesetzt, insbesondere auf den oder die Spulenkörper gesteckt. Die Herstellung der Statorspulen als Baugruppen mit den Spulenkörpern außerhalb des Elektromotors und das von dem oder den Spulenkörper/n unabhängige Wickeln der Statorspulen vereinfacht deren Herstellung.
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Die Spulenkörper können auch als Spulenträger aufgefasst werden, sie weisen typischerweise ein Rohr mit oder ohne seitlichen Flanschen auf, auf das die Statorspulen gewickelt oder gesteckt werden. Die Spulenkörper bestehen normalerweise aus einem elektrisch isolierenden Material und verbessern dadurch eine elektrische Isolation der Statorspulen des erfindungsgemäßen Elektromotors gegen einen Rückschlussring oder andere elektrisch leitende Bauteile des Stators oder allgemein des Elektromotors. Der oder die Spulenkörper können aus einem magnetisch leitfähigen oder aus einem nicht magnetisch leitfähigen Material bestehen.
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Die Statorspulen sind aus einem Draht gewickelt, wobei Windungen des Drahtes die Statorspulen bilden. Erfindungsgemäß sind die Statorspulen zylinderschalenförmig gewölbte Rechteckringe. Insbesondere sind die Windungen der Statorspulen zylinderschalenförmig gewölbte Rechteckringe oder jedenfalls sind die Windungen derart gewickelt und zueinander angeordnet, dass sie die zylinderschalenförmig gewölbten Rechteckringe bilden. Mit „Rechteckring“ ist gemeint, dass einander gegenüberliegende Seiten der Statorspulen parallel zueinander und angrenzende Seiten rechtwinklig zueinander sind. Die Seiten der Statorspulen müssen nicht eckig ineinander übergehen, sondern gehen insbesondere bogenförmig ineinander über. Mit „zylinderschalenförmig gewölbt“ ist gemeint, dass zwei gegenüberliegende Seiten der Statorspulen kreisbogenförmig in jeweils einer Ebene gewölbt sind, die senkrecht oder jedenfalls in einem Winkel zu einer die beiden anderen Seiten der Statorspulen verbindenden Ebene steht. Insbesondere verlaufen zwei gegenüberliegende Seiten der Statorspulen kreisbogenförmig koaxial zu einer Achse des Elektromotors und die beiden anderen Seiten parallel zur Achse des Elektromotors. Die Achse des Elektromotors ist insbesondere eine Drehachse des Rotors des Elektromotors.
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Ein Vorteil der zylinderschalenförmig gewölbten Statorspulen ist eine bessere Nutzung eines für die Statorspulen zur Verfügung stehenden Ringraums zwischen beispielsweise einem den Stator außen umschließenden Kurzschlussring und dem Rotor im Vergleich mit Spulen, deren Wicklungen sich in Tangentialebenen des Elektromotors befinden. Die bessere Raumnutzung ist insbesondere bei einer niedrigen Statorspulenzahl von Vorteil, bei der herkömmliche, nicht zylinderschalenförmig gewölbte Statorspulen den zur Verfügung stehenden Bauraum schlecht nutzen.
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Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung zum Gegenstand.
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Vorzugsweise weist der erfindungsgemäße Elektromotor eine Sternschaltung der Statorspulen auf, wobei die Erfindung beispielsweise eine Dreiecksschaltung oder auch eine Einzelschaltung der Statorspulen nicht ausschließt.
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Zu einem elektrischen Anschluss der Statorspulen an eine Steuerelektronik des Elektromotors oder eventuell auch zu einem unmittelbaren Drehstromanschluss der Statorspulen sieht eine Ausgestaltung der Erfindung eine radial in dem Elektromotor angeordnete, lochscheibenförmige Leiterplatte mit laminierten elektrischen Leiterbahnen oder anderen elektrischen Leitern vor, an die die Statorspulen elektrisch angeschlossen sind. Radial bezieht sich auf den Rotor, eine Drehachse des Rotors beziehungsweise eine Motorachse ist Elektromotors. Die Leiterplatte kann die Sternschaltung oder Dreiecksschaltung der Statorspulen oder auch einen einzelnen elektrischen Anschluss der Statorspulen bei einer Einzelschaltung verwirklichen. Die Steuerelektronik steuert oder regelt einen Betrieb des Elektromotors, insbesondere eine Bestromung der Statorspulen, die Steuerelektronik weist insbesondere die elektronische Kommutierung des Elektromotors auf.
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Die Statorspulen des erfindungsgemäßen Elektromotors sind - vorzugsweise gleichmäßig - über den Umfang des Stators verteilt, insbesondere innen am Stator, angeordnet. Außerdem sind die Statorspulen des erfindungsgemäßen Elektromotors vorzugsweise radial angeordnet. „Radial angeordnet“ heißt, dass die Statorspulen bei ihrer Bestromung - jedenfalls in ihrem Innern - ein zu dem Rotor radiales Magnetfeld erzeugen. Es verlaufen also magnetische Feldlinien, die die Statorspulen bei ihrer Bestromung in ihrem Inneren erzeugen, radial oder zumindest näherungsweise radial zum Rotor beziehungsweise zu der Drehachse des Rotors. Die magnetischen Feldlinien verlaufen also senkrecht oder zumindest näherungsweise senkrecht zum Rotorumfang. Dabei sind von den Statorspulen umschlossene beziehungsweise die Statorspulen durchsetzende magnetische Feldlinien im Inneren der Statorspulen gemeint.
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In radialer Richtung zum Elektromotor sind die Statorspulen vorzugsweise flach. Vorzugsweise sind die Statorspulen flacher als breit, ihre Höhe radial zum Elektromotor beträgt beispielsweise weniger als ein Halb, ein Drittel oder ein Viertel ihrer Erstreckung in einer Umfangsrichtung des Elektromotors.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht einen Spulenkörper vor, der die Form eines Rohrs aufweist, von dem Haltezähne nach außen abstehen, auf denen die Statorspulen angeordnet sind. Die Haltezähne sind beispielsweise rippenartige, von dem Rohr nach außen abstehende Vorsprünge, die von den Statorspulen umschlossen sind, wobei die Statorspulen außen auf dem Rohr aufliegen und dadurch radial von innen abgestützt werden. Diese Ausführung der Erfindung weist einen Spulenkörper für alle Statorspulen auf, wobei der Spulenkörper mit den Statorspulen die Baugruppe des Stators mit den Statorspulen bildet. Wegen der nach außen von dem Rohr des Spulenkörpers abstehenden Haltezähne eignet sich diese Ausführung der Erfindung für die radiale Anordnung der Statorspulen.
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Es ist auch eine mehrstückige Ausführung des Spulenkörpers möglich. Dabei weist jede Statorspule einen Spulenkörper mit einem rohrsegmentförmigen Flansch auf, von dem ein Haltezahn nach außen absteht, auf dem die Statorspule angeordnet ist. Als „Rohrsegment“ wird hier ein Umfangsabschnitt eines Rohrs bezeichnet. Die Spulenkörper mit den Haltezähnen, auf denen die Statorspulen angeordnet sind, bilden die Baugruppen des Stators. Sie sind oder werden im Elektromotor so angeordnet, dass die Flansche der Spulenkörper ein den Rotor umschließendes Rohr bilden, auf deren dem Rotor abgewandten Seiten die Statorspulen auf den nach außen abstehenden Haltezähnen der Spulenkörper angeordnet sind.
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Eine Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Statorspulen keinen Spulenkern aufweisen, wobei mit „Spulenkern“ ein magnetisch leitfähiges Material gemeint ist, das von der Statorspule umschlossen ist. Bei dieser Ausführung der Erfindung befindet sich in den Statorspulen kein Spulenkern, der ein von den Statorspulen erzeugtes Magnetfeld verstärkt. Eine solche Ausführung kann als „nutenlos“ bezeichnet werden. „Nutenlos“ bedeutet, dass ein Rückschlussring des Stators insbesondere an seiner dem Rotor zugewandten Innenumfangsflächen keine Nuten, in denen die Statorspulen angeordnet sind, und keine Zähne zwischen den Nuten, die von den Statorspulen umschlossen sind, aufweist, sondern dass die Innenumfangsfläche des Rückschlussrings glatt und insbesondere zylinderrohrförmig ist, wobei der Rückschlussring rohrförmig sein kann.
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Eine andere Ausführung der Erfindung sieht mehrere Baugruppen und insbesondere für jede Statorspule eine Baugruppe vor. Jede der Baugruppen weist einen T-förmigen Spulenkern aus einem magnetisch leitfähigen Material auf, wobei Flansche des „T“ im zusammengebauten Elektromotor dem Rotor zugewandt und zylinderförmig gewölbt sind oder jedenfalls eine zylindrische, dem Rotor zugewandte Fläche aufweisen. Ein Radius der Wölbung entspricht vorzugsweise zumindest ungefähr einem radialen Abstand der Fläche von der Drehachse des Rotors. Ein Steg des „T“ durchsetzt die Statorspule, wobei die Statorspulen auf einem Spulenkörper angeordnet und zusammen mit dem Spulenkörper auf den Steg des „T“ gesteckt ist. Dabei ist der Flansch das Querhaupt und der Steg der Schaft oder Stiel des „T“. Durch die Ausführung der Statorspulen als Baugruppen, die außerhalb des Elektromotors hergestellt und zusammengesetzt und anschließend als Einheiten im Stator angeordnet beziehungsweise zu dem Stator zusammengesetzt werden, ist die Herstellung des Stators mit den Statorspulen vereinfacht. Die Stege der T-förmigen Spulenkerne verstärken Magnetfelder in den Statorspulen und die zylinderrohrförmigen Flansche ermöglichen einen engen Luftspalt zwischen dem Rotor und den Spulenkernen des Stators und damit einen niedrigen magnetischen Widerstand zwischen dem Stator und dem Rotor für die von den Statorspulen erzeugten Magnetfelder. Die Spulenkerne können auch als Nuten und eine solche Ausführung mit Spulenkernen beziehungsweise Nuten damit als „nutenbehaftet“ oder „Nuten aufweisend“ bezeichnet werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht einen zweipoligen (Polpaarzahl gleich eins) oder einen vierpoligen Rotor (Polpaarzahl gleich zwei) vor, wobei der zweipolige Rotor wegen seiner einfacheren Bauweise bevorzugt ist. Insbesondere weist der Rotor einen oder mehrere Permanentmagnete auf. Dabei sind preisgünstige beispielsweise Eisen-Kobalt-Nickel-Magnete oder Ferritmagnete ebenso möglich wie teurere aber auch eine erheblich stärkere Magnetkraft aufweisende Magnete, wie beispielsweise Neodymmagnete oder Samarium-Kobalt-Magnete, die bei ihrer Herstellung teilweise erhebliche Umweltprobleme verursachen und Lieferschwierigkeiten haben können.
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Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Elektromotor ein Synchronmotor beziehungsweise wird als Synchronmotor betrieben. „Synchronmotor“ meint, dass der Rotor synchron mit dem von den Statorspulen erzeugten Magnetfeld des Stators dreht. Alternativ kann der Motor aber auch als Asynchronmotor (Käfigläufer) betrieben werden.
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Eine typische elektrische Betriebsspannung des erfindungsgemäßen Elektromotors beziehungsweise seiner Statorspulen beträgt zwischen etwa 75 V bis 1500 V. Der Aufbau des Stators mit den Baugruppen (Segmentierung) begünstigt hohe Betriebsspannungen. Dank der segmentierten Motorwicklungstopologie können die einzelnen Motorphasen/Statorspulen einfach durch entsprechende Spulenkörper voneinander elektrisch isoliert werden. Erhöhte Isolationsanforderungen wie beispielsweise für die Realisierung einer «doppelten Isolation» können mit dieser Topologie einfach und wirtschaftlich realisiert werden. Daher ist diese Wicklungsausführung auch für den Betrieb mit hohen Betriebsspannungen (75-1500V) geeignet. Natürlich ist diese Wicklungsausführung aber auch für tiefere Betriebsspannungen geeignet, wie zum Beispiel für typische DC-Spannungen (Gleichspannung) im Bereich von 12 - 36V, oder allgemein für 1 - 75V.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht die Verwendung des erfindungsgemäßen Elektromotors zum Antrieb eines Gebläses vor, das heißt der Elektromotor weist ein Gebläse, insbesondere ein Heißluftgebläse auf. Insbesondere sind der Elektromotor und das Gebläse als Baugruppe vorgesehen, die auch als Luftgebläse beziehungsweise als Heißluftgebläse aufgefasst werden kann. Insbesondere ist das Gebläse ein Radialgebläse, das eine koaxiale Anordnung des Gebläses an einem Stirnende des Elektromotors und damit eine kompakte Ausbildung der Baugruppe auch als Handgerät ermöglicht. Als Heißluftgebläse weist das Gebläse eine Heizwendel oder ein anderes, insbesondere elektrisches Heizelement zur Erwärmung von das Gebläse durchströmender beziehungsweise von dem Gebläse geförderter Luft auf.
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Die Steuerelektronik des Elektromotors, die insbesondere die elektronische Kommutierung des Elektromotors aufweist, ist bei Ausführungen der Erfindung radial außerhalb eines Motorgehäuses des Elektromotors in einem Gebläsegehäuse angeordnet. Auf diese Weise lässt sich die Steuerelektronik platzsparend unterbringen, wobei die Anordnung außerhalb des Elektromotors die Steuerelektronik vor einer Erwärmung durch Wärme des Elektromotors schützt. Vorzugsweise ist die Steuerelektronik des Elektromotors auf einer lochscheibenförmigen Leiterplatte angeordnet, die radial zum Elektromotor und zum Gebläse auf einer dem Elektromotor zugewandten Seite des Gebläses angeordnet ist.
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Zu einer Kühlung der Steuerelektronik sieht eine bevorzugte Ausführung der Erfindung eine Anordnung der Steuerelektronik in einem thermisch leitenden Kontakt mit einer Gehäusewand des Gebläsegehäuses vor, die in diesem Fall als Wärme ableitenden Kühlfläche für die Steuerelektronik wirkt. Insbesondere ist die Steuerelektronik in dem thermisch leitenden Kontakt mit einer Gehäusewand des Gebläsegehäuses vorgesehen, an der das Gebläse Luft entlang fördert, wobei die Steuerelektronik vorzugsweise außerhalb des Luftstroms durch das Gebläse auf einer dem Luftstrom gegenüberliegenden Seite der Gehäusewand des Gebläsegehäuses angeordnet ist. Im Falle eines Heißluftgebläses ist die Steuerelektronik vorzugsweise an einer Stelle des Gebläsegehäuses angeordnet, an der die Luft kalt entlang strömt, also in einer Strömungsrichtung durch das Gebläse vor der Heizwendel oder dem anderen Heizelement.
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Sämtliche in der Beschreibung genannten und/oder der Zeichnung dargestellten Merkmale können einzeln für sich oder in jeder beliebigen Kombination bei Ausführungen der Erfindung verwirklicht sein. Ausführungen der Erfindung, die nicht alle, sondern nur einen Teil der Merkmale eines Anspruchs, auch des unabhängigen Anspruchs, aufweisen, sind möglich.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
- 2 eine Statorspulen-Baugruppe des Elektromotors aus 1;
- 3 einen Radialschnitt der Statorspulen-Baugruppen aus 2;
- 4 ein Heißluftgebläse gemäß der Erfindung mit dem Elektromotor aus 1;
- 5 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromotors;
- 6 Statorspulen-Baugruppen des Elektromotors aus 5 in einer perspektivischen Darstellung; und
- 7 einen Radialschnitt der Statorspulen-Baugruppen aus 6.
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Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszahlen versehen.
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Der in 1 dargestellte, erfindungsgemäße Elektromotor 1 ist als bürstenloser, elektronisch kommutierter Elektromotor 1 ausgeführt. Er weist ein rohrförmiges Motorgehäuse 2, in dem koaxial ein zylinderrohrförmiger Stator 3 und in diesem ebenfalls koaxial ein Rotor 4 angeordnet ist, auf. Der Rotor 4 ist um seine Längsachse, die zugleich eine Rotorachse, eine Drehachse 5 des Rotors 4 und eine Motorachse 6 des Elektromotors 1 ist, drehbar.
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Der Rotor 4 weist eine Motorwelle 7 auf, die mit Kugellagern 8 oder anderen Drehlagern um die Drehachse 5 drehbar in Lagerschilden 9 gelagert ist, die zugleich Stirnwände des Motorgehäuses 2 bilden. Die Motorwelle 7 steht an einem Ende aus dem Motorgehäuse 2 vor.
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Auf die Motorwelle 7 sind zwei halbzylinderschalenförmige Permanentmagnete 10 geklebt oder in anderer Weise starr an der Motorwelle 7 befestigt derart, dass der Rotor 4 einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol an gegenüberliegenden Umfangsstellen aufweist. Der Rotor 4 ist im Ausführungsbeispiel also zweipolig, wobei ein beispielsweise vierpoliger Rotor 4 ebenfalls möglich ist (nicht dargestellt). Die Permanentmagnete 10 des Rotors 4 können beispielsweise Ferritmagnete oder Neodymmagnete sein.
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Das Motorgehäuse 2, das den Rotor 4 konzentrisch umschließt, weist ein zylindrisches, koaxiales Durchgangsloch und achsparallel verlaufende Kühlrippen an einem Außenumfang auf.
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Der Stator 3 ist drehfest und koaxial zum Rotor 4 und zum Motorgehäuse 2 in einem Ringspalt zwischen dem Motorgehäuse 2 und dem Rotor 4 angeordnet. Er weist einen drehfest in dem Motorgehäuse 2 angeordneten Rückschlussring 11 und - im Ausführungsbeispiel drei - gleichmäßig über einen Umfang verteilt angeordnete Statorspulen 12 auf.
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Der Rückschlussring 11 ist stanzpaketiert und zylinderrohrförmig, er weist axial gesehen deckungsgleiche, koaxial in Radialebenen als Stapel aneinander anliegend angeordnete Kreislochscheiben aus Blech oder einem anderen, magnetisch leitfähigen Material auf.
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Die - im Ausführungsbeispiel drei - Statorspulen 12 sind auf drei Haltezähnen 13 eines zylinderrohrförmigen Spulenkörpers 14 angeordnet. Die Haltezähne 13 sind einstückige Bestandteile des Spulenkörpers 14, die nach außen von dem Rohr 30 des Spulenkörpers 14 abstehen. Die Haltezähne 13 weisen die Form von Leisten auf, sind achsparallel außen auf dem Rohr 30 angeordnet und kürzer als das Rohr 30 sowie jeweils um 120° in der Umfangsrichtung versetzt zueinander. Der Spulenkörper 14 ist ein Spritzgussteil aus Kunststoff oder einem anderen, nicht magnetisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Material. Allerdings sind auch Spulenkörper 14 aus einem magnetisch leitfähigen Material möglich, zum Beispiel indem ein Kunststoff verwendet wird, welcher vor dem Spritzen mit magnetisch leitfähigen Partikeln dotiert wird. Die Partikel könnten zum Beispiel aus Ferrit oder aus einem anderen, magnetisch leitfähigen Material bestehen. Dies hätte den Vorteil, dass der Spulenraum noch besser ausgenutzt werden kann. Zwischen dem Rohr 30 des Spulenkörpers 14 und dem Rotor 4 besteht ein schmaler Ringspalt, der auch als Luftspalt aufgefasst werden kann.
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Die Statorspulen 12 weisen die Form rechteckiger Ringe mit „gerundeten Ecken“ beziehungsweise Viertelkreisbögen anstelle von Ecken auf. Die Statorspulen 12 sind in axialer Richtung so lang wie das Rohr 30 des Spulenkörpers 14. In der Umfangsrichtung erstrecken sich die Statorspulen 12 über 120°, wobei sie zylinderschalenförmig entsprechend einem Ringspalt zwischen dem Rückschlussring 11 und dem Rotor 4 gewölbt sind und ein zu den Haltezähne 13 des Spulenkörpers 14 deckungsgleiches Loch aufweisen, mit dem sie auf die Haltezähne 13 des Spulenkörpers 14 gesteckt sind derart, dass sie außen auf dem Rohr 30 des Spulenkörpers 14 aufliegen. „Zylinderschalenförmig“ bedeutet, dass sich in der Umfangsrichtung des Elektromotors 1 erstreckende Seiten der Statorspulen 12 koaxial zu einer Drehachse des Rotors 4 zylinderschalenförmig oder kreisbogenförmig gewölbt sind. Auch achsparallele Seiten der Statorspulen 12 sind im Ausführungsbeispiel quer zu ihrer Erstreckung, das heißt in der Umfangsrichtung des Elektromotors 1 koaxial zur Drehachse des Rotors 4 zylinderschalenförmig gewölbt. Die Statorspulen 12 sind beziehungsweise werden außerhalb des Elektromotors 1 gewickelt und in die beschriebene, zylinderschalenförmige Rechteckringform gepresst oder in anderer Weise geformt. Die Statorspulen 12 sind radial angeordnet womit gemeint ist, dass magnetische Feldlinien, die die Statorspulen 12 bei einer Bestromung erzeugen, in den Löchern der Statorspulen 12 radial zum Rotor 4 und zur Drehachse 5 gerichtet sind.
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Der Spulenkörper 14 mit den Statorspulen 12 bildet eine Baugruppe 15, die außerhalb des Elektromotors 1 hergestellt und als Einheit in dem Rückschlussring 11 angeordnet wird. Die Baugruppe 15 mit den Statorspulen 12, die auf dem Spulenkörper 14 angeordnet sind, ist vergrößert in 2 und in einem Querschnitt in 3 dargestellt. Der Querschnitt ist ein Schnitt in einer Radialebene des Stators 3 beziehungsweise des Elektromotors 1.
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Ein Hüllrohr 16 aus einem nicht magnetisch leitfähigen oder auch aus einem magnetisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Material umschließt die Statorspulen 12 beziehungsweise die Baugruppe 15 mit den Statorspulen 12. Im Ausführungsbeispiel ist das Hüllrohr 16 Bestandteil der Baugruppe 15 mit den Statorspulen 12.
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Auf einer Stirnseite der Baugruppe 15 mit den Statorspulen 12 ist in einer Radialebene des Elektromotors 1 eine lochscheibenförmige Leiterplatte 17 drehfest in dem Motorgehäuse 2 angeordnet, die die Motorwelle 7 berührungslos umschließt. Zu einer Bestromung sind elektrische Anschlüsse der Statorspulen 12 mit Leiterbahnen der Leiterplatte 17 elektrisch leitend verbunden. Im Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors 1 verbinden die Leiterbahnen der Leiterplatte 17 die Statorspulen 12 zu einer Sternschaltung, das heißt jeweils ein Anschluss der Statorspulen 12 ist miteinander verbunden und ein anderer Anschluss der Statorspulen 12 ist über die Leiterbahnen der Leiterplatte 12 mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar.
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Der Stator 3 des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Elektromotors 1 ist nutenlos, das heißt es gibt keine Nuten, Erhebungen oder Vertiefungen an einem Innenumfang des Stators 3 beziehungsweise des Rückschlussrings 11 beziehungsweise keine Nuten, Erhebungen oder Vertiefungen magnetisch leitfähiger oder magnetischer Elemente an dem dem Rotor 4 zugewandten Innenumfang des Stators 3.
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In den Statorspulen 12 des Elektromotors 1 aus 1 befinden sich keine Spulenkerne aus einem magnetisch leitfähigen Material, die Magnetfelder, die die Statorspulen 12 erzeugen, wenn sie bestromt werden, verstärken würden.
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Damit ein Ringspalt zwischen dem Rotor 4 und dem Rückschlussring 10 klein ist, sind die Statorspulen 12 vorzugsweise in radialer Richtung des Elektromotors 1 klein. Beispielsweise sind die Statorspulen 12 in radialer Richtung des Elektromotors 1 nicht höher als die Hälfte ihrer Breite beziehungsweise nicht höher als die Hälfte ihrer Erstreckung in der Umfangsrichtung. Im Ausführungsbeispiel sind die Statorspulen 12 in radialer Richtung des Elektromotors 1 etwa ein Fünftel so hoch wie ihre Erstreckung in der Umfangsrichtung. Absolut gesehen sind im Ausführungsbeispiel die Statorspulen 12 des Elektromotors 1 in radialer Richtung etwa 2,.3 mm hoch, in Umfangrichtung etwa 11,5 mm breit und in axialer Richtung etwa 30 mm lang. Ebenfalls im Ausführungsbeispiel sind die Statorspulen 12 radial zum Elektromotor 1 nicht höher als etwa 47% des radialen Abstands ihrer Innenseiten von der Drehachse 5. Absolut gesehen beträgt im Ausführungsbeispiel der radiale Abstand der Innenseiten der Statorspulen 12 von der Drehachse 5 etwa 4,8 mm.
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4 zeigt ein erfindungsgemäßes Heißluftgebläse 18 mit dem Elektromotor 1 und einem Radialgebläse 19, der an einem Stirnende des Elektromotors 1 angeordnet ist. Das Radialgebläse 19 weist ein zylindrisches, koaxial an dem einen Stirnende des Elektromotors 1 angeordnetes Gebläsegehäuse 20 und ein Laufrad 29 auf, das drehfest auf der Motorwelle 7 angeordnet ist, die auf der Seite des Radialgebläses 19 aus dem Motorgehäuse 2 des Elektromotors 1 vorsteht und in das Gebläsegehäuse 20 ragt.
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In dem Gebläsegehäuse 20 ist lochscheibenförmige Leiterplatte 21 in einer Radialebene zu der Rotorwelle 7 angeordnet, auf der eine Steuerelektronik 22 für die elektronische Kommutierung des Elektromotors 1 angeordnet ist. Die Steuerelektronik 22 befindet sich innerhalb einer Umfangswand 31 des Gebläsegehäuses 20 und außerhalb eines Umfangs des Motorgehäuses 2 des Elektromotors 1.
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Die Steuerelektronik 22 befindet sich in thermisch leitendem Kontakt mit einer Außenseite der Stirnwand des Gebläsegehäuses 20, die eine Gehäusewand des Gebläsegehäuses 20 ist und an deren Innenseite von dem Radialgebläse 19 geförderte Luft entlangströmt derart, dass die Steuerelektronik 22 von der von den Radialgebläse 19 geförderten Luft gekühlt wird. Beispielsweise ist die Steuerelektronik 22 in eine wärmeleitende Gussmasse eingebettet, die in dem thermisch leitenden Kontakt mit der Stirnwand des Gebläsegehäuses 20 steht, die allgemein eine Gehäusewand des Gebläsegehäuses 20 ist.
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Auf einer dem Elektromotor 1 gegenüberliegenden Seite ist eine kegelstumpfförmige Düse 23 an dem Gebläsegehäuse 20 angeordnet, die in ein zylindrisches Auslassrohr 24 übergeht, durch das Luft aus dem Radialgebläse 19 - im Ausführungsbeispiel axial - ausströmt.
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In dem Auslassrohr 24 ist eine Heizwendel als Heizelement angeordnet, die von den Radialgebläse 19 geförderte Luft erwärmt, bevor sie aus dem Auslassrohr 24 ausströmt. In einer Durchströmungsrichtung durch den Radialgebläse 19 befindet sich das Heizelement hinter der Stirnwand beziehungsweise Gehäusewand des Gebläsegehäuses 20, mit der die Steuerelektronik 22 des Elektromotors 1 in thermisch leitendem Kontakt steht derart, dass die Steuerelektronik 22 von Luft gekühlt wird, die der Radialgebläse 19 ansaugt, bevor sie erwärmt wird.
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Zusammen mit dem das Heizelement aufweisenden Radialgebläse 19 bildet der Elektromotor 1 das erfindungsgemäße Heißluftgebläse 18.
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Bei der nachfolgenden Erläuterung der 5 werden im Wesentlichen die Unterschiede zu 1 erläutert und es werden ergänzend die Erläuterungen der 1 in Bezug genommen. Gleiche Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszahlen versehen. Wie der Elektromotor 1 aus 1 kann auch der Elektromotor 1 aus 5 mit einem Radialgebläse 19 ausgestattet werden und bildet dann ein erfindungsgemäßes Heißluftgebläse (nicht dargestellt).
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Im Vergleich mit 1 weist der Elektromotor 1 aus 5 insbesondere einen geänderten Stator 3 auf. Der Stator 3 des erfindungsgemäßen Elektromotors 1 aus 5 weist - im Ausführungsbeispiel drei - T-förmige Spulenkerne 25 aus einem magnetisch leitfähigen Material auf. Beispielsweise sind die Spulenkerne 25 stanzpaketiert (siehe auf den Radialschnitt in 7).
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Flansche 26 der Spulenkerne 25 sind dem Rotor 4 des Elektromotors 1 zugewandt und zylinderschalenförmig mit einer ihrem radialen Abstand von der Drehachse 5 des Rotors 4 entsprechenden Krümmung gewölbt. Zwischen den Flanschen 26 und dem Rotor 24 besteht ein Luftspalt damit sich der Rotor 4 drehen kann.
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Stege 27 der T-förmigen Spulenkerne 25 stehen radial nach außen. Auf den Stegen 27 sind die Statorspulen 12 angeordnet, die in 5 ebenso wie in 1 die Form rechteckiger und zylinderschalenförmig gewölbter Ringe aufweisen.
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Zwischen den Spulenkernen 25 und den Statorspulen 12 sind Spulenkörper 14 aus einem elektrisch isolierenden und nicht magnetisch leitfähigen oder auch magnetisch leitfähigen Material angeordnet. Die Spulenkörper 14 weisen einen rechteckringförmigen Haltezahn 13 auf, der die Stege 27 der Spulenkerne 25 umschließt. Durch ihre Rechteckrohrform sind die Haltezähne 13 hohl für den Durchtritt der Stege 27 der Spulenkerne. Auf einer dem Rotor 4 des Elektromotors 1 abgewandten Außenseite der Flansche 26 der Spulenkerne 25 weisen die Spulenkörper 14 eine zylinderschalenförmig entsprechend der Wölbung des Flansches 26 gewölbtes Rohrsegment 30 auf, das sich zwischen der Statorspule 12 und dem Flansch 26 des Spulenkerns 25 befindet. Zusammen bilden die Rohrsegmente 30 der Spulenkörper 14 ein die Statorspulen 12 elektrisch von den Spulenkernen 25 isolierendes Rohr 30.
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Wie im ersten Ausführungsbeispiel sind auch in zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung die Statorspulen 12 zylinderschalenförmig gewölbte Rechteckringe mit Rundungen anstelle von Ecken. Im Ausführungsbeispiel weisen sie in radialer Richtung des Elektromotors 1 eine Höhe von etwa 13% ihrer Erstreckung in der Umfangsrichtung des Elektromotors 1 auf. Absolut gesehen sind im Ausführungsbeispiel die Statorspulen 12 des Elektromotors 1 in radialer Richtung etwa 3,6 mm hoch, in Umfangrichtung etwa 28,3 mm breit und in axialer Richtung etwa 44 mm lang. Ebenfalls im Ausführungsbeispiel sind die Statorspulen 12 radial zum Elektromotor 1 nicht höher als etwa die 31% des radialen Abstands ihrer Innenseiten von der Drehachse 5. Absolut gesehen beträgt im Ausführungsbeispiel der radiale Abstand der Innenseiten der Statorspulen 12 von der Drehachse 5 etwa 11,4 mm.
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Außen auf den Statorspulen 12 sind rohrsegmentförmige Hüllrohrsegmente 16 aus einem nicht magnetisch leitfähigen oder auch magnetisch leitfähigen und elektrisch isolierenden Material angeordnet, die zusammen ein Hüllrohr 16 bilden. Im Bereich der Stege 27 der Spulenkerne 27 weisen die Hüllrohrsegmente 16 Öffnungen 28 auf, die die Stege 27 der Spulenkerne durchsetzen, damit die Stege 27 ohne Spalt in magnetisch leitendem Kontakt mit einem die Statorspulen 12 umschließenden Rückschlussring 11 stehen.
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Wie in 1 umschließt in 5 der zylinderrohrförmiger Rückschlussring 11, der stanzpaketierte Kreislochscheiben aufweist, die Spulenkerne 25 mit den aufgesteckten Spulenkörpern 14 und aufgesteckten Statorspulen 12. Radial äußere Enden der Stege 27 der Spulenkerne 25 liegen innen an dem Rückschlussring 11 an. Der Rückschlussring 11, die Spulenkerne 25, die Spulenkörper 14 und die Statorspulen 12 bilden den Stator 3 des Elektromotors 1 und sind erfindungsgemäß als Baugruppe 15 ausgeführt. 6 zeigt die Baugruppe 15 ohne den Rückschlussring 11.
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Im Übrigen sind die Elektromotoren 1 aus 1 und 5 gleich ausgebildet, so dass zur Erläuterung der 5 auf die Erläuterungen der 1 verwiesen werden kann.
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Zusammenfassend kann mit den hier vorgeschlagenen Lösungen ein kompakter, leichter und wartungsarmer Elektro-Motor bereitgestellt werden, zum Antrieb eines Gebläses, insbesondere eines Heissluftgebläses, mit einem großen Drehzahlenbereich und hohen, maximalen Drehzahlen von bis zu 100'000 Umdrehungen pro Minute, welcher sich sowohl mit DC- (Gleichspannung; 12 - 36V) als auch mit AC-Spannungen (Wechselspannung; 100 - 400V) betreiben lässt und wobei sich dieser durch einen einfachen, baugruppen-basierten und dadurch auch kostenoptimierten Aufbau auszeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10 2016 224 526 A1 [0003]