Die Erfindung bezieht sich auf Anordnungen und Auslegungen für einen elektronisch kommutierten Elektromotor, gemäß dem Hauptanspruch 1 und den nebengeordneten Patentansprüchen 2 bis 4.

Elektronisch kommutierte Elektromotoren sind in unterschiedlicher Auslegung und Wirkungsweise bekannt. Überwiegend sind solche Motoren mit einem PM bestückten Läufer versehen. Neuzeitliche Reluktanzmotoren und Käfigläufermotoren werden auch mit einer elektronischen Kommutierungseinrichtung betrieben.

DE 10 2009 044 528 A1 beschreibt einen Reluktanzmotor mit einer elektronischen Kommutierung in unterschiedlicher Auslegung.

Am Ständer ist einerseits eine Durchmesserwicklung (Vollteilungswicklung) angeordnet, Fig. 1 B.

Andererseits sind die Spulen der Wicklungsstränge am Rückjoch BY (torusförmige Wicklung) angeordnet, Fig. 14.

Fig. 32 zeigt eine Ausführung, bei der am Ständer eine Durchmesserwicklung angeordnet ist, und während eines jeweiligen Läuferschrittes sind jeweils zwei sich gegenüber liegende Ständerzähne mit jeweils einem ungleichnamigen Magnetfeld beaufschlagt, und nach drei Läuferschritten a,b,c wiederholen sich die Betriebsvorgänge.

Ein Verhältnis von Permanentmagneten am Läufer zu Ständerzähnen beträgt 1 zu 0,6, wobei keine unbestückten Ständerzähne (Hilfspole) und keine nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagte Läuferzähne vorhanden sind.

Fig. 33 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer torusförmigen Wicklung nach Fig. 14. Am Ständer sind vier Wicklungsstränge angeordnet, und nach vier Läuferschritten a,b,c,d wiederholen sich die Betriebsvorgänge, wobei gegenüber liegende Ständerzähne jeweils mit einem gleichnamigen Magnetfeld beaufschlagt sind und nebeneinander liegende Ständerzähne jeweils mit einem ungleichnamigen Magnetfeld beaufschlagt sind.

Ein Verhältnis von Ständerzähnen zu Permanentmagneten am Läufer beträgt 1 zu 1,5, wobei keine unbestückten Ständerzähne und keine Läuferzähne vorhanden sind. Während eines jeweiligen Läuferschrites ist lediglich die Hälfte der Ständerzähne mit einem Magnetfeld beaufschlagt und an der Hälfte der Permanentmagnetfelder am Läufer liegt ein Drehmoment an.

US 2006/0244333 A1 beschreibt einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Der Ständer besitzt eine Zweiphasenwicklung und vier bestückte Ständerzähne und vier unbe- stückte Ständerzähne (Hilfspole), und ein Läufer besitzt sechs Permanentmagnetfelder, die am Läuferumfang mit 60° geteilt sind, Fig. 5.

Eine Breite der Permanentmagnetfelder am Läufer entspricht einer Breite der bestückten Ständerzähne plus zwei Ständernutöffnungen am Luftspalt und somit 60°, wobei eine Breite der unbestückten Ständerzähne 30° am Luftspalt entspricht, wobei die Seitenflächen der unbestückten Ständerzähne, die zu einer jeweiligen Ständernut gerichtet sind, zum Zentrum des Läufers ausgerichtet sind, und somit am Rückschluss des Ständers breiter gehalten sind wie am Luftspalt.

Läuferzähne am Läufer sind nicht vorhanden.

Ein Verhältnis von bestückten Ständerzähnen zu Permanentmagneten am Läufer beträgt 1 zu 1,5.

Bei einem jeweiligen Läuferschrit ist jeweils nur eine Phase mit einem Strom beaufschlagt.

EP 0 182 702 A1 beschreibt einen bürstenlosen Mehrphasen-Gleichstrommotor. Der Ständer 10 beinhaltet sechs bestückte Ständerzähne 12,14;12,18;20,22 und sechs unbestückte Ständerzähne 24,26;28,30;32,34 (Hilfspole) und eine dreiphasige Ständerwicklung mit jeweils zwei Spulen, wobei die Spulen der dreiphasigen Ständerwicklung jeweils an einem sich gegenüber liegenden Ständerzahn mit einer gleichen Polarität zum Luftspalt angeordnet sind.

Am Läufer 8 sind acht Permanentmagnete an einem zylindrischen Ring 54 angeordnet, die am Läuferumfang zum Luftspalt Permanentmagnetfelder mit einer Breite von 45° bilden, und eine Breite der Permanentmagnetfelder entspricht einer Breite der bestückten Ständerzähne plus eine Weite einer Ständernutöffnung am Luftspalt und somit 45°, wobei eine Breite der unbestückten Ständerzähne plus eine Weite einer Ständernutöffnung 10° entspricht.

Die drei Phasen sind mit dem einen Ende mit einer Stromquelle verbunden und mit dem anderen Ende jeweils mit einem Schalter 62,64,66 verbunden, wobei die Spulen der Phasen bei jeweiligen Läuferschritten jeweils gleichnamige Polfelder, und jeweils mit einer gleichen Polarität an den Ständerzähnen, zum Luftspalt bilden, und somit ist jeweils nur eine Phase während eines Läuferschrittes mit einem Strom beaufschlagt, wobei gegenüber liegende Ständerzähne jeweils gleichnamige Polfelder aufweisen, und die Phasen werden mit einer gleichen Polarität mit einem Strom beaufschlagt. Am Läufer sind keine Läuferzähne angeordnet.

Ein Verhältnis von Permanentmagneten am Läufer zu bestückten Ständerzähnen beträgt 1 zu 0,75.

DE 10 2017 105 321 A1 beschreibt einen bürstenlosen Zweiphasen-Wechselstrom- motor.

Fig. 4a zeigt einen Ständer mit bestückten Ständerzähnen und mit unbestückten Ständerzähnen.

Ein Verhältnis von bestückten Ständerzähnen zu Permanentmagneten am Läufer beträgt 2 zu 1.

JP 2010-193700 A beschreibt einen Reluktanzmotor, bei dem in der Fig. 17 ein Läufer mit acht Permanentmagneten und ein Ständer mit sechs Ständerzähnen gezeigt ist, wobei der Läufer zwischen den Permanentmagneten jeweils ein Läuferzahn beinhaltet, wobei ein Verhältnis von Permanentmagneten am Läufer zu Ständerzähnen 1 zu 0,75 beträgt, wobei unbestückte Ständerzähne (Hilfspole) nicht vorgesehen sind.

US 2012/0267971 A1 beschreibt eine elektrische Maschine mit einem Ständer mit bestückten Ständerzähnen und mit unbestückten Ständerzähnen, wobei die unbestückten Ständerzähne einen kreisrunden Kühlungskanal 18 Fig. 1 beinhalten.

DE 19851 439 A1 beschreibt einen Reluktanzmotor mit einer Kühlung des Ständers. Fig. 1 zeigt einen Ständer, bei dem am äußeren Umfang Zähne 4 angeordnet sind wodurch Nuten 5 gebildet sind. Der Ständer ist in einem Gehäuse 7 angeordnet. Das Gehäuse 7 dichtet die Nuten 5 ab, so dass die Nuten 5 Kanäle bilden.

Bei einem Elektromotor mit Permanentmagneten bestückten Läufer besteht am Luftspalt zum Läufer immer noch eine hohe Wärmeentwicklung, wodurch ein Wirkungs- grad des Elektromotors reduziert wird durch Feldschwächung der Permanentmagnete.

Bei der Fig. 2 sind Kühlungskanäle 12 in den Ständerzähnen 3 vorgesehen. Da Spulen von Wicklungssträngen jeweils einen Ständerzahn umschlingen, ist eine Kühlung über die Kühlungskanäle 12 mit Problemen behaftet, wobei außerdem noch ein Wirkungsgrad des Elektromotors beeinträchtigt wird durch Feldschwächung an den Ständerzähnen 3.

Des weiteren sind Nasen 14 zwischen den Ständerzähnen 3 vorgesehen, die jeweils einen Kühlungskanal 12 aufweisen. Bei einer solche Anordnung ist ein formschlüssiger Anschluss an die Spulen der Wicklungsstränge nicht vorhanden und außerdem bilden diese Nasen 14 keine unbestückten Ständerzähne und sind somit keine Hilfspole.

Des weiteren wird vorgeschlagen ein Rohr 13 in einer Dreiecksform zwischen den Ständerzähnen 3 anzuordnen, auch bei dieser Lösung ist ein formschlüssiger Anschluss an die Spulen der Wicklungsstränge nicht vorhanden.

DE 10 2004 061 617 A1 beschreibt einen Läufer für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine in Innenläuferbauart, welche ein aus Blechlamellen gebildetes kreisförmiges Blechpaket umfasst, an dessen Außenumfangsfläche eine Mehrzahl offener Aussparungen zur Aufnahme von Magnetelementen ausgeführt ist. Jede Aussparung weist zwei in Umfangsrichtung gegenüberliegende, einander nach radial außen zugeneigte Halteflächen auf, an denen ein Magnetelement mit dazu korrespondierend ausgeführten Schrägflächen anliegt, wobei vorgesehen ist, dass ein Magnetelement ausschließlich durch dessen Anlage an den Halteflächen des Blechpakets an dessen Position gehalten wird und wobei die Verbindung von Magnetelement und Blechpaket selbsthemmend ausgeführt ist.

Die Magnetelemente sind trapezförmig ausgebildet, wobei eine kleinere Magnetfläche zum Luftspalt gerichtet ist und eine größere Magnetfläche zur Welle gerichtet ist.

US 2007/0024141 A1 zeigt einen Permanentmagnetläufer für eine bürstenlose elektrische Maschine. Die Läuferwelle 2 dient als Träger für einen Kunststoffkäfig 5, in welchen in Axialrichtung ein Rückschlussring 4 sowie Permanentmagnete 6 eingeschoben sind. Der Kunststoffkäfig 5 enthält eine Vielzahl von in Radialrichtung nach außen abstehenden Stegen 10, die zusammen mit weiteren Bestandteilen des Kunststoffkäfigs schwalbenschwanzförmige Aufnahmen 7 für die Permanentmagnete 6 bilden.

Aus der vergrößerten Darstellung der Fig. 1b ist ersichtlich, dass die im Kunststoffkäfig 5 vorgesehenen Aufnahmen 7 schwalbenschwanzförmig geformt sind und dass in diese Aufnahmen geschobenen Permanentmagnete 6 derart trapezförmig geformt sind, dass sie passgenau in die Aufnahmen eingesetzt werden können.

Bisherige Lösungen für einen Elektromotor, der beispielsweise für Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommt, haben erhebliche Probleme in Bezug eines hohen Wirkungsgrades bei einer hohen Drehzahlspreizung, von einer hohen Drehzahl bis hin zu einer niedrigen Drehzahl bei einer gleichen anliegenden Nennlast an einer Welle des Elektromotors und haben erhebliche Probleme mit einer hohen Erwärmung des E- lektromotors während eines Betriebes bei einer hohen Beanspruchung des Elektromotors.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen Elektromotor mit einem hohen Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung und bei einer hohen Überlastbarkeit mit einer niedrigen Erwärmung des Elektromotors zu realisieren, der im Besonderen bei Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommt.

Hier setzt die Erfindung ein, und es liegt ihr die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für einen Elektromotor zu schaffen, womit ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung erzielt wird, von einer hohen Drehzahl bis hin zu einer niedrigen Drehzahl bei einer gleichen anliegenden Nennlast an einer Welle des Elektromotors, und womit bei einer hohen Beanspruchung des Elektromotors während eines Betriebes, eine Erwärmung des Elektromotors deutlich reduziert ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs 1 und den nebengeordneten Patentansprüchen 2 bis 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.

Durch eine erfindungsgemäße spezielle Anordnung und Auslegung für einen elektronisch kommutierten Elektromotor bestehen die Vorteile im Besonderen darin, dass eine Lösung gefunden wurde, womit ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Dreh- zahlspreizung erzielt wird, und womit bei einer hohen Beanspruchung des Elektromotors eine Erwärmung des Elektromotors deutlich reduziert ist.

Eine Läuferstellung zum Ständer ist vorzugsweise über ein Drehwinkelgeber ermittelt, und eine Lageerkennung der Läuferstellung zum Ständer ist mit dem Drehwinkelgeber in einer Ausgabe von Gradwinkel an einen Controller einer Steuerelektronik durchgeführt, und ein Programm des Controllers legt jeweils einen Einschaltzeitpunkt für Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten in Gradwinkel fest, und variable Drehzahlen sind mit dem Drehwinkelgeber und dem Programm des Controllers einstellbar, wobei ein Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten zu einer jeweiligen Drehzahl des Läufers entsprechend zurückverlegt oder vorverlegt ist, so daß bei jeder Drehzahl und jeder Läuferstellung ein optimales Drehmoment am Läufer anliegt und somit jeweils ein maximaler Wirkungsgrad erzielt ist.

Durch eine entsprechende Auslegung und Bemaßung des Ständers und des Läufers und einer Ansteuerung von Wicklungssträngen durch ein spezielles Programm des Controllers der Steuerelektronik wird ein hochdynamisch steuerbarer Lauf des Elektromotors mit einem hohen Wirkungsgrad erzielt, wobei ein Rastmoment des Läufers reduziert ist.

Ein solcher Elektromotor kommt zum Beispiel vorteilhaft bei Elektrofahrzeugen zum Einsatz, wo eine hohe Drehzahlspreizung bei einem hohen Wirkungsgrad besonders vorteilhaft ist, und ein Energieträger für den Elektromotor kann ein Akku sein oder der Energieträger ist Wasserstoff.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt:

Fig. 1 und 1a, 2 und 2a, 3 bis 3b in axialer Draufsicht schematische Darstellungen vom Ständer und Läufer der erfindungsgemäßen Elektromotoren,

Fig. 4 eine grafische Darstellung von einer Drehzahlspreizung in Bezug zum Wirkungsgrad des Elektromotors,

Fig. 5 in axialer Draufsicht eine schematische Darstellung vom Läufer eines Elektromotors,

Fig. 6 eine Einrichtung zur Ermittlung einer Läuferstellung,

Fig. 7 und 8 Schaltungsanordnungen einer elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung von Wicklungssträngen der Elektromotoren. Fig. 1 zeigt in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines Ausführungsbeispiels, die teilweise einen Stand der Technik wiedergibt. Der Ständer 1 weist acht Ständerzähne 2 mit Polhörner auf. Der Läufer 3 ist zwölfpolig ausgelegt, wobei zwölf Permanentmagnete 4 am Läuferumfang angeordnet sind, wobei eine Breite der Permanentmagnete einer Breite der Ständerzähne entspricht.

Ein Verhältnis von Ständerzähnen zu Permanentmagneten am Läufer beträgt 1 zu 1,5.

Zum Luftspalt 6 gerichtete Magnetfelder an den Ständerzähnen und an den Permanentmagneten sind durch N,S gekennzeichnet.

Am Ständer 1 ist eine zweisträngige Ständerwicklung mit den Wicklungssträngen A,B angeordnet, und jede Spule 5 der Wicklungsstränge umschlingt jeweils einen Ständerzahn, wobei eine jeweilige Spule eines Wicklungsstranges jeweils jeden zweiten Ständerzahn umschlingt.

Erfindungsgemäß sind die zwei Wicklungsstränge A,B während eines jeweiligen Läuferschrittes zeitgleich mit einem Strom beaufschlagt, wobei jeder Ständerzahn zeitgleich mit einem Magnetfeld beaufschlagt ist, und jeweils zwei nebeneinander liegende Ständerzähne bilden gleichnamige Magnetfelder N,N;S,S zueinander, hierbei liegt an jedem Permanentmagneten 4 am Läufer während eines jeweiligen Läuferschrittes zeitgleich ein Drehmoment an.

Ein solcher Elektromotor nach der Fig. 1 kann auch mit unbestückten Ständerzähnen und auch mit einem Läufer mit Läuferzähnen ausgebildet sein.

Fig. 1a zeigt einen solchen erfindungsgemäßen Elektromotor. Zwischen den vier bestückten Ständerzähnen 2’ ist jeweils ein unbestückter Ständerzahn 8 angeordnet. Die unbestückten Ständerzähne können vorzugsweise mit jeweils einem Kühlungskanal o versehen sein, wobei die Kühlungskanäle kreisrund ausgebildet sind. Am Läufer 3’ sind sechs Permanentmagnete 4 angeordnet und zwischen den Permanentmagneten befindet sich jeweils ein Läuferzahn 9. Eine Breite der Permanentmagnete entspricht einer Breite der bestückten Ständerzähne.

Fig. 1a zeigt eine Läuferstellung wo ein Läuferschritt beendet wurde und ein weiterer Läuferschritt eingeleitet wurde, wobei der Wicklungsstrang A umgepolt wurde. Die Spulen eines Wicklungsstranges bilden jeweils ein S-Polfeld und ein N-Polfeld, oder bei einer höheren Anzahl von Ständerzähnen S-Polfelder und N-Polfelder.

Während eines jeweiligen Läuferschrittes sind jeweils beide Wicklungsstränge A,B zeitgleich mit einem Strom beaufschlagt, und jeder bestückte Ständerzahn ist zeitgleich mit einem Magnetfeld beaufschlagt, und an jedem Permanentmagneten 4 am Läufer liegt zeitgleich ein Drehmoment an, und ein jeweiliger Läuferschritt beginnt bei einer Gegenüberstehung von gleichnamigen Magnetfeldern am Luftspalt. Die Wicklungsstränge A,B bilden an den Ständerzähnen jeweils gleichnamige Magnetfelder zueinander, wobei ein Teil dieser Magnetfelder sich jeweils über einen jeweiligen dazwischen liegenden unbestückten Ständerzahn 8 und über den Läufer schließt, wodurch ein weiteres Drehmoment in einer Drehrichtung des Läufers am Läufer anliegt. Am Anfang eines jeweiligen Läuferschrittes schließen sich Felder von am Luftspalt gegenüber liegenden gleichnamigen Polfeldern der mit einem Magnetfeld beaufschlagten Ständerzähnen und Felder der Permanentmagnete, die Felder an den Ständerzähnen über die Läuferzähne 9 und die Felder der Permanentmagnete über jeweils zwischen den mit einem gleichnamigen Magnetfeld beaufschlagten Ständerzähnen angeordneten unbestückten Ständerzahn.

Bei einer Anordnung von vier bestückten Ständerzähnen beträgt ein Läuferschritt 30°.

Damit eine gute Ableitung einer Wärmeentwicklung der Spulen 5 über die unbestückten Ständerzähne 8 erfolgen kann, ist jeweils zwischen den Spulen und den unbestückten Ständerzähnen formschlüssig ein wärmeableitendes Medium 10 angeordnet.

Fig. 2 zeigt in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer eines Ausführungsbeispiels, die teilweise einen Stand der Technik wiedergibt ein Verhältnis von Permanentmagneten am Läufer zu bestückten Ständerzähnen beträgt 1 zu 0,6. Am Ständer 1” befinden sich sechs bestückte Ständerzähne 7 und erfindungsgemäß sechs unbestückte Ständerzähne 8’ (Hilfspole) und am Läufer 12 sind zehn Permanentmagnete 4’ angeordnet, wobei am Ständer eine dreisträngige Ständerwicklung mit den Wicklungssträngen a,b,c angeordnet ist. Spulen 5’ der Wicklungsstränge a,b,c umschlingen jeweils einen Ständerzahn 7. Die Wicklungsstränge sind in einer Sternschaltung gehalten, und bei einem jeweiligen Läuferschritt sind erfindungsge- mäß jeweils zwei Wicklungsstränge zeitgleich mit einem Strom beaufschlagt, und eine Polbildung an den Ständerzähnen ist mit S,S;N,N dargestellt.

Eine maximale Energieausnutzung wird erzielt, wenn während eines Motorbetriebes ein jeweiliger Läuferschritt in den Bereichen der Permanentmagneten am Läufer erfolgt, wo ein maximales Drehmoment bei einem maximalen Wirkungsgrad zu erzielen ist. Dieses wird erreicht, wenn während eines Läuferschrittes zwei Wicklungsstränge mit einem Strom beaufschlagt sind, und unmittelbar nach einer auflaufenden Kante d in einem Bereich e ein jeweiliger Läuferschritt beginnt und vor einer auflaufenden Kante d im Bereich g zwischen einer Permanentmagnetfeldmitte f und der auflaufenden Kante d ein jeweiliger Läuferschritt endet.

Während eines jeweiligen Läuferschrittes bilden erfindungsgemäße nebeneinander liegende bestückte Ständerzähne jeweils gleichnamige Magnetfelder zueinander, und ein Teil dieser Magnetfelder schließt sich jeweils über einen jeweiligen dazwischen liegenden unbestückten Ständerzahn 8’ und über den Läufer, wodurch ein weiteres Drehmoment in einer Drehrichtung des Läufers am Läufer anliegt.

Zur Ableitung einer Wärmeentwicklung der Spulen 5’ über die unbestückten Ständerzähne, ist zwischen den Spulen und den unbestückten Ständerzähnen formschlüssig ein wärmeableitendes Medium 10 angeordnet.

Fig. 2a zeigt eine Anordnung, wo unbestückte Ständerzähne 8” erfindungsgemäß jeweils einen kreisrunden Kühlungskanal o beinhalten, und zwischen den Permanentmagneten 4” am Läufer 11 ist jeweils ein Läuferzahn 9’ vorhanden, und eine Breite der Permanentmagnete entspricht einer Breite der bestückten Ständerzähne. Spulen eines Wicklungsstranges bilden jeweils ein S-Polfeld und ein N-Polfeld an den Ständerzähnen, oder bei einer höheren Anzahl von Ständerzähnen S-Polfelder und N-Polfelder.

Während eines jeweiligen Läuferschrittes sind jeweils zwei Wicklungsstränge zeitgleich mit einem Strom beaufschlagt, und bei einem jeweiligen Läuferschritt bilden nebeneinander liegende bestückte Ständerzähne 7’ jeweils gleichnamige Polfelder an den Ständerzähnen zum Luftspalt, wobei ein Teil dieser gleichnamigen Polfelder sich jeweils über einen jeweiligen dazwischen liegenden unbestückten Ständerzahn 8’ und über den Läufer schließt, womit ein weiteres Drehmoment in einer Drehrichtung des Läufers am Läufer anliegt. Fig. 2a zeigt eine Läuferstellung, wo der Wicklungsstrang b abgeschaltet wird und der Wicklungsstrang c mit einem Strom beaufschlagt wird, und nach dem Umschalten liegen sich gleichnamige Polfelder am Luftspalt der mit einem Magnetfeld beaufschlagten Ständerzähne und Permanentmagneten am Läufer gegenüber, wobei am Anfang eines jeweiligen Läuferschrittes sich die Felder an den Ständerzähnen jeweils über die Läuferzähne 9’ schließen, und die Felder der Permanentmagnete sich über jeweils zwischen den mit einem gleichnamigen Magnetfeld beaufschlagten Ständerzähnen angeordneter unbestückter Ständerzahn schließen.

Damit eine gute Ableitung einer Wärmeentwicklung der Spulen 5’ über die unbe- stückten Ständerzähne 8” erfolgen kann, ist zwischen den Spulen und den unbe- stückten Ständerzähnen formschlüssig ein wärmeableitendes Medium 10 angeordnet.

Fig. 3 zeigt ein Verhältnis von Permanentmagneten am Läufer zu bestückten Ständerzähnen von 1 zu 0,75.

Zwischen den bestückten Ständerzähnen 14 ist jeweils ein unbestückter Ständerzahn 15 (Hilfspol) angeordnet, und zwischen den Permanentmagneten 4 am Läufer ist jeweils ein Läuferzahn 17 vorhanden. Am Ständer ist eine dreisträngige Ständerwicklung mit den Wicklungssträngen A,B,C angeordnet. Die Wicklungsstränge können in einer Sternschaltung ausgelegt sein oder die Wicklungsstränge werden einzeln mit einem Strom beaufschlagt.

Eine Breite eines Permanentmagneten 4 am Läufer entspricht einer Breite eines bestückten Ständerzahns 14, wobei eine Breite eines Permanentmagneten auch kleiner oder größer gehalten werden kann wie eine Breite eines bestückten Ständerzahns. Eine Breite eines unbestückten Ständerzahns 15 ist kleiner gehalten wie eine Breite eines bestückten Ständerzahns 14 und eine Breite eines Läuferzahns 17 ist kleiner gehalten wie eine Breite eines unbestückten Ständerzahns 15.

Fig. 3 zeigt eine Läuferstellung, wo ein Läuferschritt halb beendet ist und die drei Wicklungsstränge A,B,C sind während eines jeweiligen Läuferschrittes zeitgleich mit einem Strom beaufschlagt.

Während eines jeweiligen Läuferschrittes bilden zwei bestückte Ständerzähne jeweils gleichnamige Polfelder zueinander, wobei jeweils ein Teil dieser Polfelder sich über den jeweils dazwischen liegenden unbestückten Ständerzahn 15 und über den Läufer 16 schließt, und hierdurch liegt ein weiteres Drehmoment am Läufer an, wobei im Bereich 18 ein abstoßendes Drehmoment am Läufer anliegt und im Bereich 19 ein anziehendes Drehmoment am Läufer anliegt.

Fig. 3a zeigt eine Anordnung, wo die Spulen 26 auf die Ständerzähne 21 geschoben sind. Die bestückten Ständerzähne 21 sind am Luftspalt somit ohne Polhörner aus gebildet, und die unbestückten Ständerzähne 22 sind schmaler gehalten wie die bestückten Ständerzähne 21. Nach einer Anordnung der Spulen auf die Ständerzähne 21 kann jeweils ein Polschuh auf die Ständerzähne geschoben werden, wobei die bestückten Ständerzähne in einer Breite dann schmaler gehalten sind, und für eine jeweilige Spule dann mehr Raum zur Verfügung steht. Eine Breite der Permanentmagnete 23 entspricht einer Breite der bestückten Ständerzähne 21.

Am Ständer 20 ist eine dreisträngige Ständerwicklung mit den Wicklungssträngen a’,b’,c’ in einer Sternschaltung angeordnet, und Spulen 26 der Wicklungsstränge umschlingen jeweils einen Ständerzahn, wobei während eines jeweiligen Läuferschrittes jeweils zwei Wicklungsstränge mit einem Strom beaufschlagt sind.

Ein Läuferschritt wird beendet, wenn eine Mitte i vom auflaufenden Feld der Permanentmagnete eine auflaufende Kante h vom Feld der bestückten Ständerzähnen erreicht ist, und danach wird ein nächster Läuferschritt eingeleitet.

Fig. 3a zeigt eine solche Läuferstellung, wobei der Wicklungsstrang a’ abgeschaltet wird und der Wicklungsstrang c’ angeschaltet wird.

Zwischen den Spulen 26 und den unbestückten Ständerzähnen 22 ist jeweils erfindungsgemäß formschlüssig ein wärmeableitendes Medium 10 angeordnet, wobei eine Wärmeentwicklung der Spulen 26 über das wärmeableitende Medium 10 und über die unbestückten Ständerzähne 22 zum Ständerrückschluss abgeleitet wird, und der Elektromotor wird über ein Gehäuse des Elektromotors gekühlt, somit hat ein solcher Elektromotor verhältnismäßig eine geringe Erwärmung zu den Permanentmagneten am Läufer. Die unbestückten Ständerzähne können auch jeweils einen Kühlungskanal beinhalten.

Fig. 3b zeigt eine Ausführung, wo die unbestückten Ständerzähne 22’ erfindungsgemäß einen kreisrunden Kühlungskanal mit einem Durchmesser von mindestens einer Breite der Spulen 25 aufweisen. Durch diese Kühlungskanäle o kann Kühlmittel durchfließen. Damit eine gute Ableitung einer Wärmeentwicklung der Spulen 25 der Wicklungsstränge a’.b’.c’ zu den unbestückten Ständerzähnen 22’ erfolgen kann, ist erfindungsgemäß zwischen den Spulen 25 und den unbestückten Ständerzähnen formschlüssig ein wärmeableitendes Medium 10 angeordnet. Womit eine effektive Kühlung der Spulen der Wicklungsstränge a’,b’,c’ unmittelbar an den unbestückten Ständerzähnen gewährleitstet ist, und eine Erwärmung des Läufers und des Ständers auch bei einer hohen Belastung des Elektromotors verhältnismäßig gering ist, und somit ein hoher Wirkungsgrad auch bei einer hohen Belastung des Elektromotors vorhanden ist.

Am Läufer 27 sind Permanentmagnete 23’ angeordnet und zwischen den Permanentmagneten befindet sich jeweils ein Läuferzahn 13. Eine Breite der Permanentmagnete am Läufer entspricht einer Breite der bestückten Ständerzähne 21’, wobei eine Breite der Permanentmagnete vorzugsweise etwas breiter gehalten sein können wie eine Breite der bestückten Ständerzähne, wobei die Läuferzähne 13 etwas schmaler gehalten sind.

Bei einer Anordnung von Läuferzähnen am Läufer sollten die Permanentmagnete des Läufers parallel zum Luftspalt verlaufen, und somit der Läufer kreisrund ausgebildet sein.

Ein höchstes Drehmoment wird erzielt unmittelbar nach einer genauen Gegenüberstehung von gleichnamigen Magnetfeldern der bestückten Ständerzähne und den Permanentmagneten am Läufer, und ein steiles Abfallen des Drehmomentes erfolgt bei Gegenüberstehung von ungleichnamigen Magnetfeldern am Luftspalt, und wird eine Permanentmagnetfeldmitte i hierbei überschritten fällt ein Drehmoment gegen Null ab.

Fig. 3b zeigt eine Läuferstellung, wo der Wicklungsstrang a’ abgeschaltet wird und der Wicklungsstrang c’ mit einem Strom beaufschlagt wird und hierbei ein neuer Läuferschritt beginnt, und nach dem Umschalten liegen sich gleichnamige Polfelder am Luftspalt der mit einem Magnetfeld beaufschlagten Ständerzähne und Permanentmagneten am Läufer gegenüber, wobei am Anfang eines jeweiligen Läuferschrittes Felder an den Ständerzähnen sich jeweils über die Läuferzähne 13 schließen, und Felder der Permanentmagnete sich über jeweils zwischen den nebeneinander liegenden mit einem Magnetfeld beaufschlagten Ständerzähnen angeordneten unbestückten Ständerzahn schließen.

In den Kühlungskanälen o kann jeweils ein Rohr angeordnet sein. Die Rohre können U-förmig gebogen sein und jeweils in zwei Kühlungskanäle eingeführt sein. Die zwei offenen Enden der U-förmigen Rohre greifen jeweils in ein Lagerschild des Elektromotors, wobei das eine offene Ende jeweils in ein im Lagerschild integrierten Einlasskanal greift und das andere offene Ende jeweils in ein im Lagerschild integrierten Auslasskanal greift, und von außen am Lagerschild ein Anschluss für den Einlasskanal vorhanden ist und ein Anschluss für den Auslasskanal vorhanden ist.

Die Rohre können auch in einer anderen Art und Weise in die Kühlungskanäle o angeordnet sein und miteinander verbunden sein, wobei die Rohre auch als flexible Schläuche ausgebildet sein können.

Ein Elektromotor nach den Figuren von 1 bis 3 zeichnet sich besonders dadurch aus, dass bei einer hohen Drehzahlspreizung, bei gleicher anliegender Nennlast, ein hoher Wirkungsgrad ab 90% erzielt wird, wobei der Elektromotor sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein kann, und die Systeme und Auslegungen sind untereinander kombinierbar und / oder austauschbar.

Fig. 4 zeigt eine grafische Darstellung von einer hohen Drehzahlspreizung der zuvor beschriebenen Elektromotoren.

Ein Wirkungsgrad des Elektromotors zu einer Drehzahl des Elektromotors ist jeweils mit einer gleichen Nennlast an der Welle des Elektromotors ermittelt. Eine Nennlast ist die Last, bei der ein Elektromotor einen maximalen Wirkungsgrad erzielt, und bei der ein Elektromotor in Dauerbetrieb bei einer zulässigen Zuerwärmung betreibbar ist.

Ein Bereich 42 kennzeichnet einen Bereich einer Drehzahlspreizung bei einem Wirkungsgrad ab 90%, und einen Bereich 43 kennzeichnet den Bereich wo bei einer niedrigen Drehzahl ein Wirkungsgrad von 90% beginnt, und ein Bereich 44 kennzeichnet den Bereich wo bei einer hohen Drehzahl ein Wirkungsgrad von 90% endet. Somit sind die zuvor beschriebenen Elektromotoren von einer niedrigen Drehzahl bis hin zu einer hohen Drehzahl bei einer gleichen anliegenden Nennlast mit einem hohen Wirkungsgrad betreibbar.

Fig. 5 zeigt in axialer Draufsicht in schematischer Darstellung eine Ausführung vom Läufer der zuvor beschriebenen Elektromotoren. Die Permanentmagnete 51 sind in einer langgezogenen hexagonalen Form ausgebildet und besitzen hin zum Luftspalt an einer jeweiligen Breitseite 52 hin zur Mitte eines jeweiligen Permanentmagneten jeweils eine erste Abschrägung 53, und hin zur Welle 54 des Läufers jeweils eine zweite Abschrägung 55.

Zur Aufnahme der Permanentmagnete am Läufer besitzt daher das Blechpaket des Läufers hin zum Luftspalt Aussparungen, womit die Permanentmagnete in das Blechpaket des Läufers versenkt sind. An den ersten Abschrägungen 53 der Permanentmagnete 51 zum Luftspalt liegt jeweils ein Läuferzahn 56 an, und durch die Anordnung eines jeweiligen Magnetfeldes der Permanentmagnete unmittelbar zum Luftspalt des Elektromotors und Anordnung vom Läuferzähnen zwischen den Permanentmagneten, wird bei einer gleichen anliegenden Nennlast ein hoher Wirkungsgrad bei einer hohen Drehzahlspreizung erzielt.

Damit bei einer Erwärmung des Läufers eine unterschiedliche Ausdehnung des Blechpaketes des Läufers und der Permanentmagnete ausgeglichen werden kann, sollten die Permanentmagnete in dem Bereich der ersten Abschrägungen 53 mit einer plastischen Beschichtung versehen sein und auf einer Rückseite 57 der Permanentmagnete mit einer plastischen Beschichtung versehen sein, wobei in dem Bereich der zweiten Abschrägungen 55 zwischen den Läuferzähnen und den Permanentmagneten ein entsprechender Abstand 58 vorhanden ist. Die Permanentmagnete werden seitlich längs zur Welle in die Aussparungen des Blechpaketes des Läufers mit einer Spannkraft zu den Abschrägungen der Läuferzähne zum Luftspalt eingeschoben.

Zur Sicherung einer seitlichen Verschiebung der Permanentmagnete können vorteilhaft Spannteller zur Anwendung kommen, die auf die Welle 54 des Läufers gepresst werden.

Damit ein hoher Wirkungsgrad ab 90% bei einer hohen Drehzahlspreizung, bei einer gleichen anliegenden Nennlast und bei einer hohen Überlastbarkeit des Elektromotors während eines Motorbetriebes, erzielt werden kann, und sind am Läufer Läuferzähne und sind am Ständer unbestückte Ständerzähne vorgesehen, so ist ein genauer Beginn und eine genaue Beendigung eines Läuferschrittes von größter Bedeutung.

Eine sichere Lageerkennung der Läuferstellung zum Ständer wird vorzugsweise mit einer Winkelerfassungseinrichtung durchgeführt. Diese Einrichtung ermittelt eine Läuferstellung zum Ständer in Einergradschritten oder Halbgradschritten, und gibt diese Daten an einen Controller der Steuerelektronik, und die Einrichtung zur Ermittlung des Gradwinkels ist vorzugsweise ein dem Elektromotor und der Steuerelektronik zugeordneter Drehwinkelgeber einer besonderen Art.

In Fig. 6 ist eine solche Einrichtung schematisch dargestellt. Am Ende einer Welle des Elektromotors 28 befindet sich ein Permanentmagnet 29 mit einer zweipoligen diametralen Magnetisierung, dem ein Drehwinkelgeber IC 30 zur Ermittlung eines Gradwinkels einer Läuferstellung zum Ständer zugeordnet ist, und der Drehwinkelgeber 31 ist vorzugsweise von außen an ein Lagerschild des Elektromotors angeordnet, wobei der Permanentmagnet 29 auf ein Wellenende des Läufers oder an eine Halterung 32 am Wellenende befestigt ist, und der Permanentmagnet 29 mit der Halterung durch das Lagerschild 33 geführt ist.

Das Drehwinkelgeber IC 30 ist vorzugsweise auf eine Leiterplatte 34 angeordnet, wobei die Leiterplatte am Boden einer Abdeckkappe 35 befestigt ist, und die flexible Leiterplatte ist vorteilhaft mit Steckanschlüssen 36 ausgebildet, die aus der Abdeckkappe rausgeführt sind, und die Abdeckkappe wird staubdicht an das Lagerschild des Elektromotors befestigt.

Der Drehwinkelgeber 31 kann auch im Elektromotor integriert sein.

Bei Inbetriebnahme des Elektromotors ermittelt der Drehwinkelgeber den Gradwinkel der Läuferstellung zum Ständer, wobei für den betreffenden Läuferschritt die hierfür zuständigen Transistoren von Halbbrücken angesteuert werden, und nach dem Beenden des Läuferschrittes werden die nächstfolgenden Läuferschritte eingeleitet.

Bei zunehmender Drehzahl des Elektromotors wird der Läufer in seiner Drehbewegung stetig schneller wie ein Aufbau eines Ständerfeldes für einen jeweiligen geschalteten Läuferschritt, dieser Zeitverzug wird einerseits durch den Elektromotor selbst verursacht und andererseits durch die Steuerelektronik, so daß ab einer bestimmten Drehzahl der Läufer in seiner Drehbewegung gebremst wird.

Damit der Elektromotor bis hin zu einer hohen Drehzahl variabel betrieben werden kann, und ein maximaler Wirkungsgrad bei jeder Drehzahl erreicht wird ist es erforderlich, daß der Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge für die Läuferschritte bei zunehmender und abnehmender Drehzahl des Läufers, stetig vorverlegt oder zurückverlegt wird. Ein Zurückverlegen und Vorverlegen des Einschaltzeitpunktes für die Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten erfolgt während eines Motorbetriebes oder eines Bremsbetriebes mit einem Programm des Controllers der Steuerelektronik 38.

Der zuvor beschriebene Drehwinkelgeber ermittelt jeweils den Gradwinkel der Läuferstellung zum Ständer und sendet den jeweiligen Gradwinkel zum Controller einer Steuerelektronik, oder der Controller ruft den jeweiligen Gradwinkel vom Drehwinkelgeber ab.

Zur Festlegung von Gradwinkeln zur Bestimmung von Läuferschritten muß der Drehwinkelgeber kalibriert werden, damit der Permanentmagnet 29 an der Welle des Läufers und das Drehwinkelgeber-IC 30, zentriert zur Welle des Läufers, beliebig zueinander angeordnet werden kann.

Ein Programm des Controllers der Steuerelektronik ermittelt aus der Null-Grad- Stellung des Läufers einen Einschaltzeitpunkt der Wicklungsstränge für die Läuferschritte. Eine ermittelte Läuferstellung bei einer ausgerichteten Läuferstellung kann auch mit einer anderen Gradzahl wie mit Null-Grad festgelegt werden.

Der Drehwinkelgeber ermittelt den Gradwinkel vorzugsweise in Einergradschritten, und das Programm des Controllers legt den Einschaltzeitpunkt für die Wicklungsstränge zur Bestimmung von Läuferschritten in Gradwinkel fest, und der Einschaltzeitpunkt wird vorzugsweise in Einergradschritten bei ansteigender und/oder abfallender Drehzahl, bezogen auf eine Null-Grad-Stellung des Läufers entsprechend vor- und/oder zurückverlegt, wobei eine Vorverlegung und/oder Zurückverlegung des Einschaltzeitpunktes für die Wicklungsstränge auch in weniger oder in mehr wie in Einergradschritten erfolgen kann, und somit die Ausgabe der Gradwinkel des Drehwinkelgebers größer oder kleiner wie Einergradschritte sein kann.

Für eine Einstellung einer variablen einstellbaren Drehzahl wird die Drehzahl des Läufers vorzugsweise mit dem Drehwinkelgeber ermittelt, und eine variable einstellbare Drehzahl wird mit dem Drehwinkelgeber über eine Zeiterfassung durchgeführt. Die gewünschte Drehzahl wird entsprechend vorgegeben, und das Programm des Controllers der Steuerelektronik ermittelt über den Drehwinkelgeber eine vorhandene Drehzahl und vergleicht diese mit einer vorgegebenen Drehzahl. Bei Abweichung von der Solldrehzahl werden Transistoren von Halbbrücken oder Vollbrücken entsprechend über eine Pulsweitenmodulation angesteuert.

Variable Drehzahlen werden üblicherweise mit einem Potentiometer eingestellt, indem mit dem Potentiometer die Pulsweite vorgegeben wird. Mit dem Potentiometer soll hier vorzugsweise Solldrehzahlen vorgegeben werden.

Zur Anlegung der Wicklungsstränge an eine Stromquelle ist dem Elektromotor eine entsprechende Schaltungsanordnung zugeordnet. Fig. 7 zeigt eine Vollbrücke 37, in der ein Wicklungsstrang angeordnet ist, und der Vollbrücke ist eine Steuerelektronik 38 zugeordnet, und der Steuerelektronik ist dem Drehwinkelgeber 31 zugeordnet.

Mit zwei Vollbrücken ist jede Schaltversion für zwei zeitgleich mit einem Strom be aufschlagten Wicklungssträngen durchführbar.

Fig. 8 zeigt drei Halbbrücken 37’ mit drei Wicklungssträngen in einer Sternschaltung.