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Kollektorloser Gleichstromaußenläufermotor
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Die Erfindung betrifft einen kollektorlosen Gleichstromaußenläufermotor
mit im wesentlichen zylindrischem Luftspalt, insbesondere zum Antrieb von Plattenspeichern
und ähnlichen Geräten mit einem mindestens zweipoligen, permanentmagnetischen Rotor
und einem ringförmigen, genuteten Stator, in dessen Nuten eine dreisträngige Statorwicklung
eingelegt ist, deren Spulen mittels einer elektronischen Kommutierungseinrichtung
in Abhängigkeit von der Rotorstellung in zyklischer Folge mit Strom beaufschlagbar
sind.
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Bei bekannten, im Handel befindlichen Motoren dieser Art (z.B. Sextant
Brushiess DC Disc Drive Spindle Model 4700 der natron Inc., Woodstock, N.Y., V.St.A.)
ist das Statorblechpaket bei vierpolig ausgeführtem Rotor mit zwölf Nuten versehen,
in die die Statorwicklung in Form von Durchmesserspulen, d.h. Spulen mit einer Ausdehnung
von 180°el, eingelegt ist. Je Strang sind dabei vier Spulen vorhanden. Diese Spulen
sind um 300 physikalisch gegeneinander versetzt. Die Rotorpolbreite beträgt 1200es
Ein wesentlicher Nachteil dieser bekannten Ausführungsform besteht darin, daß die
die Statorwicklung bildenden Durchmesserspulen einander mehrfach überlappen. Dadurch
entsteht zwangsläufig ein langer, hoher Wickelkopf. Der Gesamtwicklungswiderstand
wird relativ groß. Die Motorkons tante
wobei KE das Verhältnis von induzierter E Spannung zu der Kreisfrequenz des Rotors
und R der Wicklungswiderstand ist,
wird klein. Es läßt sich nur
ein relativ schlechter Motorwirkungsgrad erzielen. Bei höheren Motorspannungen können
wegen der überlappung von Wicklungsteilen Isolationsprobleme auftreten. Die sich
überlappenden Wicklungen bringen auch fertigungstechnische Nachteile mit sich. Die
Wicklungsausbildung ist kompliziert.
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Es können in umständlicher Weise Nutverschliisse notwendig werden.
Damit die Einzelspulen einander überlappen können, sind tiefe Nuten erforderlich.
Die Nuten sind nur schlecht mit Kupfer zu füllen. Der für Lagerungszwecke nutzbare
Statorinnendurchmesser wird vergleichsweise klein.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Motor der oben genannten
Art so auszubilden, daß bei vereinfachter Herstellungsweise ein Motor mit kurzem,
niedrigem Wickelkopf und verbessertem Wirkungsgrad geschaffen werden kann, der axial
kompakt ausgebildet und mit einer soliden Lagerung ausgestattet werden kann.
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Ausgehend von einem Motor der eingangs definierten Art wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stator mit drei Nuten je Rotorpolpaar
versehen ist, in welche als Statorwicklung 1200 1 gesehnte Spulen Uberlappungsfrei
eingelegt sind. Bei der vorzugsweise
mindestens vierpoligen Ausbildung
werden auf diese Weise sechs Statornuten erhalten. Jeder der Statorpole wird von
einer der sechs Statorspulen umfaßt, die physikalisch um jeweils 600 gegeneinander
versetzt sind. Der erfindungsgemäße Aufbau erlaubt die Erzielung von kürzestmöglichen
Wickelköpfen. Dem kommt bei Motoren mit axial kurzem Statorblechpaket besondere
Bedeutung zu, weil in diesem Fall die Wickelkopflänge einen wesentlichen Prozentsatz
der axialen Gesamtlänge des Stators ausmacht. Die kurzen Wickelköpfe führen außerdem
.zu einem niedrigen Wicklungswiderstand. Die Motorkonstante KM ist wesentlich erhöht.
Die einander nicht überlappenden Spulen lassen sich einfach und problemlos in die
Statornuten einlegen. Nutverschlüsse werden in aller Regel überflüssig. Zusätzlich
zu diesen fertigungstechnischen Vorteilen kommt, daß sich die Nuten sehr gut mit
Kupfer füllen lassen.
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Die Statorpole können vorteilhaft im Querschnitt im wesentlichen T-förmig
gestaltet und von einem Stator blechpaket gebildet sein. Die Nutöffnungen zwischen
den Statorpolschuhen können vorzugsweise zwischen 30 und 300es breit sein. Die Rotorpolbreite
kann zweckmäßig zwischen wenigstens angenähert 1200 l und el maximal 1800el betragen.
Die Rotorpole können einfach von einem einteiligen Dauermagnetring oder einem ringförmig
gebogenen
Dauermagnetband mit in Umfangsrichtung annähernd rechteck- oder trapezförmiger Radialmagnetisierung
gebildet sein. Kunststoffgebundene Magnete oder sogenannte Gummimagnete, d.h. Mischungen
aus Hartferriten und elastischem Material, sind dabei besonders geeignet. Entsprechend
einer abgewandelten Ausführungsform können die Rotorpole von einer Folge von am
Rotorinnenumfang gleichmäßig verteilten, radialmagnetisierten Magnetsegmenten, beispielsweise
Keramikmagneten oder Magneten aus Samariumkobalt, gebildet sein.
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Das Verhältnis L/D zwischen der axialen Länge L des Statoreisens und
dem Luftspaltdurchmesser D kann zweckmäßig gleich oder kleiner als 1 sein. Das Verhältnis
zwischen Innen- und Außendurchmesser des ringförmigen Stators kann im Interesse
der Bereitstellung von Raum für die Rotorlagerung vorteilhaft gleich oder größer
als 0,35 sein. Vorzugsweise liegt es zwischen 0,4 und 0,7.
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Wenn die Rotorpolbreite gleich oder nahezu gleich 1800es ist, kann
die Kommutierungseinrichtung im direkten Feld des Rotormagneten angeordnete, magnetfeldempfindliche
(galvanomagnetische) Rotorstellungssensoren aufweisen, beispielsweise Hallgeneratoren,
Feldplatten,
Magnetdioden und dergleichen. Als Rotorstellungssensoren
können insbesondere bistabil schaltende Hall-ICs vorgesehen sein.
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Zwecks Verbesserung der Kommutierung kann die Kommutierungseinrichtung
Mittel für eine vorzeitige WOmnlU-tierung aufweisen, wie dies an sich bekannt ist
(DE-OS 28 04 787). Damit läßt sich die beabsichtigte Stromänderung bei der Kommutierung
beschleunigen, um auf diese Weise die verzögernde Wirkung der Induktivität der Motorwicklung
zu kompensieren. Dem kommt insbesondere bei höherer Drehzahl und Drehmomentbelastung
Bedeutung zu.
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Des weiteren kann die (Jlnfungsform des Stators in gleichfalls an
sich bekannter Weise (DE-PS 23 46 380 und DE-OS 28 35 210) zur Erzeugung eines Reluktanzmoments
ausgebildet sein, welches zu dem im Betrieb erzeugten elektromagnetischen Antriebsmoment
etwa komplementär verläuft. Obwohl dieses Reluktanzmoment für den mit mindestens
vier Rotorpolen und dreisträngiger Statorwicklung ausgestatteten Motor nicht erforderlich
ist, ist eine solche Ausbildung im Hinblick auf die Lagerhaltung beim Motorhersteller
von Vorteil, weil dann der gleiche Blechschnitt auch zum Aufbau eines sechspoligen,
zweipulsigen, einsträngigen Motors
herangezogen werden kann.
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In jedem Statorpolkopf kann am Luftspalt jeweils mindestens eine im
Vergleich zu den Houptnuten kleine, halb oder ganz offene Hilfsnut zur Aufnahme
einer tachogeneratorischen Wicklung zur Auskopplung der dritten Oberwelle der induzierten
Spannung vorgesehen sein. Die Statorspulen selbst sind zweckmäßig bifilar gewickelt.
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Zwecks weiterer Verminderung der Bauhöhe mit Bezug auf die Motorleistung
sind vorzugsweise Flußführungsteile vorgesehen, die sich von beiden axialen Enden
der Polschuhe aus in axialer Richtung erstrecken. Die Ausdehnung der Flunführungsteile
in Umfangsrichtung entspricht zweckmäßig im wesentlichen derjenigen der Polschuhe,
während sich die Flußführungsteile in axialer Richtung vorzugsweise über eine Höhe
erstrecken, die im wesentlichen gleich derjenigen der Wickelköpfe der Statorspulen
ist. Die Rotorstellungssensoren sind dabei vorteilhaft jeweils in einem Spalt zwischen
in Umfangsrichtung benachbarten Flußführungsteilen angeordnet.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten AusfUhrungsbeispiels
näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen: Fig. 1 eine schematische
Draufsicht auf die wesentlichen Teile von Rotor und Stator eines erfindungsgemäß
ausgebildeten kollektorlosen Gleichstromaußenläufermotors, Fig. 2 einen schematischen
Querschnitt durch einen Motor entsprechend Fig. 1, Fig. 3 eine Schemadarstellung
des Motors nach den Fign. 1 und 2 mit zugehöriger elektronischer Kommutierungseinrichtung,
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf einen Statorpol entsprechend einer abgewandelten
Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 5 einen Schnitt ähnlich Fig. 2 für eine
weitere abgewandelte Ausführungsform
der Erfindung.
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In Fig. 1 ist das Statorblechpaket eines dreisträngigen kollektorlosen
Gleichstromaußenlöufermotors mit 10 bezeichnet. Das Statorblechpaket 10 ist radialsymmetrisch
mit Bezug auf eine Mittelachse 10A und weist einen ringförmigen Mittelabschnitt
1OB auf. Es bildet sechs Statorpole 11A bis 11F, die im Querschnitt im wesentlichen
T-förmig gestaltet und in einem gegenseitigen Winkelabstand von 600 angeordnet sind.
An Stelle eines Blechpakets kann beispielsweise ein Sintereisenkern vorgesehen werden.
Die Polschuhe 12A bis 12F der Statorpole bestimmen zusammen mit einem Dauermagnetring
13 einen im wesentlichen zylindrischen Luftspalt 14. Die radial außenliegenden Begrenzungs
flächen der Polschuhe 12A bis 12F können rein kreisbogenförmig gestaltet sein. Im
veranschaulichten Ausführungsbeispiel sind sie mit Hilfsnuten 115 versehen, deren
Aufgabe weiter unten erläutert ist. Der Dauermagnetring 13 ist in der angedeuteten
Weise in Umfangsrichtung vierpolig radial magnetisiert, d.h.
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er weist vier Abschnitte 13A bis 13D auf und an der dem Luftspalt
14 zugewendeten Innenseite des Dauermagnetrings 13 befinden sich in wechselnder
Folge zwei magnetische Nord- und zwei magnetische Südpole 15 bzw. 16. Die Pole 15,
16 haben im dargestellten
Ausführungsbeispiel eine Breite von im
wesentlichen 1800es (entsprechend 900 physikalisch). Es wird auf diese Weise in
Umfangsrichtung des Luftspalts 14 eine annähernd rechteckige oder trapezförmige
Magnetisierung erhalten. Der Dauermagnetring 13 ist in einer den magnetischen Rückschluß
bildenden Außenläuferglocke 17 angebracht, z.B. in diese Glocke eingeklebt. Die
das Rotorgehäuse bildende Außenläuferglocke 17 weist eine Stirnwand 17A und eine
zylindrische Umfangswand 17B auf, deren Innenfläche mit 17C bezeichnet ist. Bei
dem Dauermagnetring 13 kann es sich insbesondere um einen Gummimagneten oder einen
kunststoffgebundenen Magneten handeln. An Stelle eines einteiligen Dauermagnetrings
13 können in die Glocke 17 auch schqlenförmige Magnet segmente eingeklebt oder dort
auf andere Weise festgelegt sein.
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Besonders geeignete Werkstoffe für den Magnetring bzw. die Magnetsegemente
sind magnetischer Werkstoff in einem synthetischen Bindemittel, ein Gemisch aus
Hartferrit und elastomerem Material, keramischer Magnetwerkstoff oder Samariumkobalt.
Während sich im dargestellten Ausführungsbeispiel jeder der Pole 15, 16 über 1800el
erstreckt, kann auch mit schmaleren Polen gearbeitet werden. Im Interesse hoher
Motorleistung soll die Rotorpolbreite aber mindestens 1200 1 betragen.
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Die Statorpole 11A bis 11F begrenzen insgesamt sechs Statornuten 20A
bis 20F. In diese Nuten ist eine dreisträngige Statorwicklung eingelegt. Jeder der
drei Stränge umfaßt dabei zwei i200 -gesehnte Spulen 21, 22; 23, 24 und 25, 26,
von denen jede jeweils um einen der Statorpole 11A bis 11F herumgewickelt ist. Die
beiden in Reihe geschalteten Spulen jedes Stranges liegen, wie dcirgestellt, einander
jeweils diametral gegenüber. Die Spulen sind in nicht veranschaulichter Weise vorzugsweise
bifilar gewickelt. Wie die schematische Darstellung der Fig. 1 erkennen läßt, wird
jede Überlappung zwischen den Spulen 21 bis 26 vermieden. Es werden auf diese Weise
besonders kurze Wickelköpfe 27 (Fig. 2) erhalten. Die Nutöffnungen 28A bis 28F können
zwischen 30el und 300el breit sein. Bei der vorgesehenen Ausgestaltung der Statorwicklungen
lassen sich die Nuten 20A bis 20F hervorragend füllen. Verschlüsse fUr die Nutöffnungen
28A bis 28F sind in aller Regel nicht notwendig.
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Der vorliegende Motoraufbau gestattet die Erzielung eines relativ
großen Statorinnenlochs 29, weil die Tiefe der Statornuten 20A bis 20F vergleichsweise
gering gehalten werden kann. Es lassen sich ohne weiteres Verhältnisse zwischen
dem Durchmesser I des Innenlochs 29
und dem Statoraußendurchmesser
E im Bereich der Polschuhe 12 von mindestens 0,35 erzielen. Vorzugsweise liegt der
Wert von I/E im Bereich von 0,4 bis 0,7.
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Das Verhältnis L/D zwischen der axialen Länge L des Statoreisens und
dem maximalen Durchmesser D des Luftspalts 14 ist vorzugsweise gleich oder kleiner
als 1. Diesen Abmessungsvcrhältnissen kommt besondere Bedeutung im Hinblick auf
eine stabile Lagerung des Rotors zu. Eine solche Lagerung ist beispielsweise im
Falle von Antrieben für Plattenspeichersysteme von hervorragender Wichtigkeit. Außerdem
wird der Gesamtwiderstand der Statorwicklung besonders klein gehalten.
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Zur Lagerung kann in der in Fig. 2 skizzierten Weise in der Mitte
der Außenläuferglocke 17 eine Stummelwelle 32 tefe:.tigt sein, die Ueber oxiol iri
AL Land voneinander liegende Kugellager 33 in einer zylindrischen Hülse 34 abgestützt
ist, welche das Statorblechpaket 10 trägt und auf einer Statorgrundplatte 35 befestigt
ist.
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Die elektronische Kommutierungseinrichtung kann in an sich bekannter
Weise aufgebaut sein. Insbesondere können die von den Spulen 21, 22; 23, 24 und
25, 26 gebildeten Wicklungsstränge aus einer Dreiphasen-Endstufe
40
gespeist sein, die vorzugsweise als Vollbrückenschaltung ausgebildet ist. Die Dreiphasen-Endstufe
40 wird mit Endstufensteuersignalen von einer Dekodierlogik 41 beaufschlagt, die
zweckmäßig so ausgelegt sein kann, daß die Wicklungsstränge alternierend über einen
Drehwinkel des Rotors von jeweils 1200es eingeschaltet und anschließend für einen
Drehwinkel von 600es ausgeschaltet werden. Durch die 1200 -S ehnung der Spulen 21
bis 26 wird in der erwünschten Weise die dritte Oberschwingung in den Strangspannungen
unterdrückt. Die induzierten Spannungen sind dabei so geformt und verteilt, daß
die Addition aller drei Strangspannungen stets den Wert Null ergibt. Dies erlaubt
es, die Wicklung, falls erwünscht, im Dreieck zu verschalten, ohne daß innerhalb
des Motors Ausgleichströmc fließen, die zu Ruckmomenten Anlaß geben könnten. Infolge
der vier- oder höherpoligen Ausbildung des Rotors wirkt auf den Rotor stets ein
bezüglich der Drehachse symmetrisches Kräftepaar ein.
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Dadurch werden unsymmetrische Radialkräfte auf die Welle 32 und deren
Lagerung vermieden.
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Die Ansteuerung der Dekodierlogik 41 erfolgt über drei mit dem Stator
verbundene Magnetfeldsensoren 42, 43, 44, die in Fig. 3 schematisch angedeutet sind.
Bei den Magnetfeldsensoren
kann es sich insbesondere um Hallgeneratoren,
Feldplatten, Magnetdioden und dergleichen handeln. Besonders vorteilhaft sind bistabil
schaltende Hall-ICs. Die Anwendung von 1800es breiten Rotorpolen 15, 16 gestattet
es, als Steuermagneten fUr die Magnetfeldsensoren 42, 43, 44 unmittelbar den Hauptmagneten,
d.h. den Dauermagnetring 13, zu verwenden. Die Anordnung kommt damit ohne gesonderten
Steuermagneten für die Magnetfeldsensoren aus. Es versteht sich, daß grundsätzlich
aber auch mit beliebigen anderen Drehstellungsdetektoren, beispielsweise optischen
Detektoren, gearbeitet werden kann.
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Die Rotorstellungsdetektoren können zweckmäßig so angeordnet sein,
daß in an sich bekannter Weise (DE-OS 28 04 787) für eine vorzeitige Kommutierung
gesorgt wird. Für diesen Zweck können die Magnetfeldsensoren 42, 43, 44 von der
Mitte einer PollUcke des Stators aus in Drehrichtung des Rotors gesehen versetzt
sein.
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Dadurch läßt sich die bezüglich des Stromanstiegs in den Motorwicklungsströngen
verzögernde Wirkung der Induktilität der Motorwicklung kompensieren.
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Mit den Magnetfeldsensoren 42, 43, 44 der Dreiphasen-Endstufe 40 und
der Dekodierlogik 41 ist zweckmäßig ein
Drehzahlregler 45 verbunden,
um die Rotordrehzahl auf einen gegebenenfalls einstellbaren Sollwert zu regeln.
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Die geschilderte Außenläuferausbildung hat den Vorteil, daß die Stromwege
in der Wicklung kurz werden. Dafür sind zwar die Wege des Magnetfeldes relativ lang.
Dadurch entstehen jedoch weder nennenswerte Energieverluste noch erhöhte Fertigungskosten.
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Der beschriebene Motor eignet sich insbesondere für Magnetplattenspeicher
oder optische Plattenspeicher, weil bei diesen eine aufwendige, stabile und damit
vergleichsweise viel Platz beanspruchende Lagerung notwendig ist. Dieser Platz steht
vorliegend in Form des Statorinnenloches 29 ohne weiteres zur Verfügung.
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Gemäß der abgewandelten Ausführungsform nach Fig. 4 können die Polschuhe
12 im Bereich ihres Außenumfangs derart asymmetrisch gestaltet sein, daß der Luftspalt
von einer Nut ausgehend während etwa 10 physikalischen Graden bis zu einem Maximum
kontinuierlich zunimmt, während der dann folgenden 60 bis 700 bis zu einem Minimum
kontinuierlich abnimmt und anschließend bis zur nächsten Nut hin wieder leicht zunimmt,
wie dies im einzelnen in der DE-PS 23 46 380 dargestellt und erläutert
ist.
Alle Statorpole sind identisch ausgebildet. Durch die erwähnte Formgebung entsteht
im Betrieb ein Reluktanzmoment, das zu dem elektromagnetisch erzeugten Drehmoment
etwa komplementär verläuft. Das R luktanzmoment ist fUr den Betrieb eines dreiströngigen
Motors nicht erforderlich, beeinträchtigt einen solchen Motor aber auch nicht. Die
Verwendung eines derartigen Blechschnitts hat den Vorteil, daß unter Anwendung des
gleichen Schnittes wahlweise auch ein sechspoliger, zweipulsiger, einsträngiger
Motor auf besonders wirtschaftliche Weise aufgebaut werden kann.
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Fig. 5 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform des Antriebs. Dabei
sind entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2, jeweils
plus 100, versehen. Am Außenumfang des Statorblechpakets 110 sind auf dessen beide
Stirnseiten im Querschnitt L-förmige Flußführungsteile oder Fangbleche 101 aufgesetzt.
Die Ausdehnung Z der Fangbleche 101 in Axialrichtung entspricht im wesentlichen
der Höhe der Wickelköpfe 127.
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Die Erstreckung der Fangbleche 101 in Umfangsrichtung ist im wesentlichen
gleich derjenigen der entsprechenden Polschuhe 112A bis 112F. Im Vergleich zu der
Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Rotormagnet 102 in Axialrichtung Uber das Statorblechpaket
110 hinaus um eine Strecke verlängert, die wenigstens der Axialabmessung
der
Fangbleche 101 entspricht, so daß seine axiale Abmessung H mindestens gleich L+2Z
ist. Wie in Fig. 5 bei 103 gestrichelt angedeutet ist, kann die Axialabmessung des
Rotormagneten 102 zweckmäßig so vergrößert werden, daß sie im wesentlichen gleich
der axialen Länge M der zylindrischen Innenfläche der Außenläuferglocke 117 ist.
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Die FancjFleche 101 haben die Aufgabe, zusätzliche Teile des Magnetflusses
vom Rotormagneten 102 einzufangen und in das Statoreisen 110 zu leiten. Durch die
Fangbleche 101 und den mit Bezug auf das Statorblechpaket 110 in Axialrichtung verlängerten
Rotormogneten 102 wird also der für die Unterbringung der Wickelköpfe 127 notwendige
axiale Einbauraum für die Überleitung des Rotormagnetfeldes in das Statorblechpaket
genutzt. Diesem Merkmal kommt insbesondere dann Bedeutung zu, wenn es sich bei dem
Rotormagneten 102 um einen mit Kunststoff oder Gummi gebundenen Permanentmagneten
handelt, weil ein solcher Magnet zu einer im Vergleich zu Oxid- oder Keramikmagneten
verminderten Felddichte führt.
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Die mit Fangblechen und axial verlängertem Rotormagneten ausgestattete
Ausführungsform nach Fig. 5 hat den
Vorteil, daß im Vergleich zu
einer konstruktiven Lösung gemäß Fig. 2 bei gleicher Motorleistung eine weitere
Reduzierung der Bauhöhe möglich wird. Umgekehrt kann bei gleichbleibender axialer
Bauhöhe ein Leistungsgewinn erzielt werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 sind die Magnetfeldsensoren 42,
43, 44 vorzugsweise in Umfungsspalten zwischen benachbarten Fangflächen 101 angeordnet.