Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen DC-Elektromotor, insbesondere für eine Aktuatoreinheit eines Implantats, bevorzugt für ein Herzunterstützungssystem, mit einem Sta tor mit hohlzylindrischer eisenloser Wicklung und einem gegenüber dem Stator drehbaren Ro tor, welcher eine Welle mit einer Anzahl p von permanentmagnetischen Polpaaren aufweist, wobei die Wicklung eine Anzahl n von voneinander getrennten 3-Phasensystemen aufweist.

Bürstenlose DC-Elektromotoren weisen eine von einem 3-Phasensystem mit Strom versorgte hohlzylindrische eisenlose Wicklung auf, die im Stator angeordnet ist, da kein Bürstensystem existiert, das den Strom auf eine rotierende Wicklung übertragen könnte. Entsprechend muss ein permanentmagnetisches Polpaar sich gegenüber dem Stator mit der Wicklung drehen. Dabei besteht das Material des permanentmagnetischen Polpaars üblicherweise aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung, um eine ausreichend hohe Leistungsdichte zu erreichen. Die mit dem permanentmagnetischen Polpaar versehene Welle wird üblicherweise mittels vorge spannter Kugellager gelagert, um eine hohe Lebensdauer zu erreichen. Um eine höhere Leis tungsdichte zu erreichen, kann der Rotor mit mehreren permanentmagnetischen Polpaaren versehen sein. Ein bürstenloser DC-Elektromotor benötigt zum Betrieb eine elektronische Kommutierung, die im Prinzip das Bürstensystem herkömmlicher DC-Elektromotoren imitiert. Entsprechend erhält man ein ähnliches Drehzahl-Drehmoment-Verhalten, wie bei einem her kömmlichen DC-Elektromotor mit einem großen Anlaufmoment und einer hohen Dynamik. Der Hauptvorteil eines bürstenlosen DC-Elektromotors sind die höhere Lebensdauer und die hö here Drehzahl, die nicht durch ein mechanisches Kommutierungssystem begrenzt sind. Ins besondere die hohlzylindrische eisenlose Wicklung ermöglicht einen bürstenlosen DC-Elekt romotor mit reduzierten Eisenverlusten, mit niedriger Reibung und einer niedrigen Verlust wärme, wodurch sich ein äußerst effizienter Elektromotor ergibt, der aufgrund seiner geringen Trägheit eine hohe Beschleunigung und kurze Reaktionszeiten erlaubt, was insbesondere für die Verwendung bei Aktuatoreinheiten für Implantate, insbesondere für Herzunterstützungs pumpen besonders vorteilhaft ist.

In den beiden letzten Dekaden ist der Einsatz bürstenloser DC-Elektromotoren stetig gestie gen, da die zum Betrieb benötigte Elektronik preiswerter und kleiner geworden ist, aber auch durch den gestiegenen Einsatz und die Ausweitung von Gebieten, in denen zuverlässige Elekt romotoren mit einer Redundanz oder mit einer erhöhten Ausfallsicherheit unabdingbar sind. Aus der EP 754 365 B1 ist ein redundanter Elektromotor bekannt, der einen Rotor mit zwei axial hintereinander angeordneten Magnetpolen sowie einen Stator aus zwei axial hinterei nander angeordneten voneinander getrennten Wicklungen aufweist. Dabei sind die Wcklun- gen unabhängig voneinander ansteuerbar und jeweils einem permanentmagnetischen Pol paar zugeordnet. In der DE 31 40 034 A1 wird ein redundanter bürstenloser DC-Elektromotor beschrieben, bei dem die genuteten Statorwicklungen aus vier Teilsträngen bestehen, das Sensorsystem zur Kommutierung aus vier Sensorgruppen und der Rotor vier Polpaare auf weist. Somit weist dieser redundante Elektromotor vier separat ansteuerbare Motoreinheiten auf, durch die eine hohe Redundanz möglich ist, aber ein großes Bauvolumen und sehr viele einzelne Bauteile benötigt werden. Ein weiterer redundanter bürstenloser DC-Elektromotor ist aus der EP 2 922 180 A1 bekannt, bei dem die Wicklung des Stators mehrere voneinander unabhängig betreibbare Wicklungsstränge und mehrere unabhängige Sensorgruppen zur Er fassung der Drehposition des Rotors und zur elektronischen Kommutierung aufweist. Dabei ist die Spule als eine bifilare Wicklung ausgebildet, die mindestens zwei separat ansteuerbare Wicklungsstränge aus Einzeldrähten umfasst. Die bifilar gewickelte Spule bestehen zwar aus zwei parallel geführten Wcklungsdrähten, die von verschiedenen Spannungsquellen versorgt werden können, jedoch besteht im Falle eines Fehlers eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass auch das direkt benachbarte redundante Wcklungssystem vor einer betrieblichen Tempera turerhöhung bzw. von einer fertigungstechnisch begründeten lokalen Schwächung betroffen ist. Außerdem wirkt sich im Falle eines Kurzschlusses der betroffene Wcklungsdraht magne tisch auf den bifilaren Nachbardraht derart aus, dass dieser ebenso wie der betroffene Wick lungsdraht von dem durch den entgegenwirkenden Kurzschluss-Strom reduzierten magneti schen Fluss erfasst wird und so nur reduziert an der elektromechanischen Energiewandlung teilnehmen kann. Entsprechend besitzt die bifilar gewickelte Spule eine geringere Redundanz bei einer hohen negativen Rückwirkung eines nicht abschaltbaren Kurzschluss-Stroms auf die verbleibende Wicklung.

Neben den langjährigen Einsatzgebieten redundanter Elektromotoren im Bereich der Luft- und Raumfahrt sind in den letzten Jahren viele implantierbare medizinische Geräte entwickelt wor den, die ausfallsicher elektrisch betrieben werden müssen, beispielsweise Herzunterstüt zungspumpen. Gerade bei derartigen ventrikulären Hilfsgeräten ist ein sicherer unterbre chungsfreier Betrieb notwendig, da eine Unterbrechung oder ein signifikanter Leistungsabfall lebensbedrohliche Folgen haben kann. Neben der Redundanz der Antriebseinheit eines Im plantats sind hier jedoch auch eine geringe Baugröße und ein geringes Gewicht der Antriebs einheit notwendige Aspekte, um einen Einsatz in einem Implantat zu ermöglichen. Der vorlie genden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen funktionssicheren bürstenlosen DC-Elektromotor bereitzustellen, der bei einer leichten und kompakten Konstruktion eine aus reichende Redundanz aufweist, um bei einem lokalen Fehler einen Betrieb zumindest be schränkt aufrechtzuerhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Anzahl n der voneinander ge trennten 3-Phasensysteme bei einer Anzahl p = 1 von permanentmagnetischen Polpaaren 2 beträgt und bei einer Anzahl p > 1 von permanentmagnetischen Polpaaren entweder einem ganzzahligen Teiler von p, wobei der ganzzahlige T eiler ungleich 1 ist, oder der Anzahl p oder der doppelten Anzahl p von permanentmagnetischen Polpaaren (14) entspricht, wobei die An zahl n der voneinander getrennten 3-Phasensysteme in der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung räumlich um einen Winkel von 360 h versetzt zueinander angeordnet sind. Ein ganzzahliger Teiler von p ist eine natürliche Zahl, welche multipliziert mit einer weiteren natür lichen Zahl p ergibt. Beispielsweise sind bei p = 6 die Zahlen 1 , 2, 3 und 6 ganzzahlige Teiler von p. Demzufolge können dann eine Anzahl von 2, 3 oder 6 voneinander getrennten 3-Pha- sensysteme vorgesehen sein, da der Teiler erfindungsgemäß ungleich 1 ist. Die räumlich ver setzte Anordnung der Vielzahl von elektrisch voneinander getrennten 3-Phasensysteme in den voneinander getrennten, d.h. elektrisch isolierten, Wicklungssträngen, führt zu einer Segmen tierung der um den Rotor angeordneten hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung und damit er möglicht eine fehlertolerante Wicklungsverschaltung eines bürstenlosen DC-Elektromotors. Bei einer Anzahl p > 1 von permanentmagnetischen Polpaaren lassen sich einem oder meh reren Polpaaren bestehend aus einem Nord- und Südpol mindestens ein getrenntes 3-Pha- sensystem zuordnen, wodurch eine Entkopplung der magnetischen Kreise erreicht wird, so- dass bei einem Kurzschluss in einem der getrennten 3-Phasensysteme keine bzw. eine redu zierte magnetische Auswirkung auf die weiteren 3-Phasensysteme auftritt.

Da auch zwei 3-Phasensysteme einem Polpaar gegenüber angeordnet sein können, ist auch eine Ausführung des DC-Elektromotors mit einem Polpaar möglich, jedoch sind bevorzugt mindestens eine Anzahl p = 2 von permanentmagnetischen Polpaaren auf der Welle vorgese hen, wobei insbesondere die Anzahl n der voneinander getrennten 3-Phasensystemen einem ganzzahligen Teiler von p, wobei der ganzzahlige Teiler ungleich 1 ist, oder der Anzahl p von permanentmagnetischen Polpaaren entspricht. Entsprechend sind die um einen Winkel von 3607n räumlich versetzt zueinander angeordneten 3-Phasensystemen jeweils genau einem oder mehreren Polpaaren gegenüberliegend angeordnet. Bei einem Rotor mit nur einem per manentmagnetischen Polpaar p = 1 oder bei p > 2 und einer doppelten Anzahl 3-Phasensys- temen n = 2-p sind die räumlich voneinander getrennten 3-Phasensystemen jeweils genau einem Pol gegenüberliegend angeordnet. Von besonderem Vorteil ist es, dass mindestens eine Anzahl p = 2 von permanentmagneti schen Polpaaren auf der Welle vorgesehen sind und die Anzahl n der voneinander getrennten 3-Phasensystemen genau der Anzahl p der permanentmagnetischen Polpaare entspricht, die in der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung räumlich um einen Winkel von 3607h versetzt zueinander angeordnet sind. In diesem Fall sind die um einen Winkel von 3607n räumlich versetzt zueinander angeordneten 3-Phasensystemen jeweils genau einem Polpaar gegen überliegend angeordnet. Dieser konstruktive Aufbau eines bürstenlosen DC-Elektromotors er möglicht eine hohe Robustheit während des Betriebs des Elektromotors gegen unvorhergese hene Fehler und ermöglicht trotz eines bestehenden Fehlers, bzw. eines freigeschalteten Wicklungsteils, einen guten Wicklungsgrad im Notfallbetrieb. Trotz der mit dieser Konstruktion erreichbaren hohen Redundanz bzw. der Ausfallsicherung des bürstenlosen DC-Elektromo tors können sowohl herkömmliche Prozesse für die Fertigung, Prüfung und Qualitätskontrolle des Elektromotors eingesetzt als auch herkömmliche Komponenten für die Leistungselektronik und Kommutierungslogik genutzt werden. Im Gegensatz zu dem im Stand der Technik be kannten redundanten Elektromotoren mit bifilaren Wicklungen in den einzelnen Spulen einer üblichen 3-Phasenwicklung oder mit einer 5- bzw. 7-Phasenwicklung kann bei der erfindungs gemäßen Ausgestaltung eines bürstenlosen DC-Elektromotors auf eine besondere und damit kostenintensive Herstellung der Wicklung und den Einsatz spezieller Leistungselektronik und Kommutierungslogik verzichtet werden.

Der Einsatz von mindestens zwei räumlich voneinander getrennten 3-Phasensystemen in der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung eines erfindungsgemäßen bürstenlosen DC-Elektro motors ermöglicht nicht nur ein kleines und kompaktes Motordesign mit geringer Baulänge und geringem Durchmesser bei einer gleichzeitig hohen Nennleistung, sondern auch eine hohe Redundanz gegenüber Fehlern im Wicklungssystem, beispielsweise aufgrund einer betriebli chen Temperaturerhöhung oder einer fertigungstechnisch begründeten lokalen Schwächung der Wicklung, weshalb dieser bürstenlose DC-Elektromotor hervorragend für eine Antriebsein heit eines Implantats geeignet ist, beispielsweise in einem implantierbaren Herzunterstüt zungssystem zur längerfristigen Unterstützung des Blutkreislaufes des menschlichen Her zens. Bei solchen implantierbaren Herzunterstützungssystemen können mögliche Fehler in einer Spule der Wicklung, aber auch Fehler in der Zuleitung oder der Verbindung zur Zuleitung, zu einem Ausfall des Herzunterstützungssystems und damit zum Tod des Patienten führen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass für jede Phase der voneinander elektrisch getrennten 3-Phasensysteme mindestens eine Anzahl von k = 2 Einzelspulen in Reihe ge- schaltet sind, wobei ein Produkt k n aus den k Einzelspulen und den n getrennten Phasensys temen einem Zweifachen der permanentmagnetischen Polpaare entspricht und wobei der räumliche Winkel der in Reihe geschalteten Einzelspulen der jeweiligen Phase der voneinan der getrennten 3-Phasensysteme 360°/n/k beträgt. Die Gesamtanzahl der Einzelspulen des Stators entspricht bei dieser Ausführungsform somit dem Zweifachen der permanentmagneti schen Polpaare bzw. der Gesamtanzahl von Rotorpolen, so dass der räumliche Winkel zwi schen zwei Einzelspulen dem räumlichen Winkel zwischen zwei Rotorpolen entspricht. Die räumlich voneinander getrennte Anordnung der Einzelspulen erhöht die Fehlertoleranz des Elektromotors beim Ausfall eines Wicklungsstrangs und verbessert damit die Nutzbarkeit des Elektromotors als Antriebseinheit eines Implantats, für das eine hohe Ausfallsicherheit not wendig ist. Bevorzugt wird dabei der DC-Elektromotor als vierpoliger permanenterregter Syn chronmotor mit zwei elektrisch voneinander getrennten 3-Phasensystemen ausgeführt, bei dem jede Phase der 3-Phasensysteme zwei in Reihe geschaltete und in einem räumlichen Winkel von 90° angeordnete Einzelspulen aufweist. Mit einem solchen vierpoligen Synchron motor kann bereits eine hohe Redundanz bei geringer Baugröße und Herstellungsaufwand erzielt werden. Um eine möglichst große Windungsdichte der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung zu erzielen, sind die Einzelspulen der 3-Phasensysteme mit einer rhombenförmigen Wicklung versehen, die auch als Rautenwicklung bezeichnet wird.

Für eine erhöhte Fehlertoleranz können jeweils zwei in Reihe geschaltete Einzelspulen einer Phase der mindestens zwei voneinander getrennten 3-Phasensysteme in der hohlzylindri schen eisenlosen Wicklung in entgegengesetzter Wicklungsrichtung elektrisch verbunden sein. Die Verschaltung von zwei Einzelspulen in entgegengesetzter Wicklungsrichtung führt zu einer magnetischen Spulenkopplung mit einem Nord- und einem Südpol, wodurch in einem Notfallbetrieb die Wicklungsströme reduziert werden.

Eine zweckmäßige Ausbildung sieht vor, dass die axialen Positionen der mindestens zwei voneinander getrennten 3-Phasensysteme gegenüber der Welle sich zumindest bereichs weise überlappen. Die überlappende Anordnung der axialen Positionen der mindestens zwei elektrisch voneinander getrennten 3-Phasensysteme in Richtung der axialen Erstreckung der Welle ermöglicht eine kompakte Bauweise des bürstenlosen DC-Elektromotors mit einer ge ringen Gesamtlänge. Dabei ist es ausreichend, wenn sich die Magnetfelder der 3-Phasensys- teme über eine gewisse axiale Länge auf einen gemeinsamen Abschnitt der Welle wirken. Bevorzugt wirken die sich senkrecht zur axialen Richtung der Welle erstreckenden Magnetfel der der 3-Phasensysteme im Wesentlichen nur auf einen gemeinsamen Abschnitt der Welle, um trotz einer hohen Redundanz eine sehr kurze Motorlänge zu ermöglichen. Eine sinnvolle Ausgestaltung sieht vor, dass die Einzelspulen der voneinander getrennten 3-Phasensysteme in einer Sternschaltung miteinander verbunden sind, wobei die Sternpunkte der mindestens zwei voneinander getrennten 3-Phasensysteme bevorzugt miteinander ver bunden sind. Der Einsatz einer Sternschaltung zur elektrischen Kopplung der Einzelspulen der jeweiligen 3-Phasensysteme ermöglicht neben einer höheren Drehmomentkonstante auch die Vermeidung von unerwünschten Kreisströmen in der Wicklung. Dabei können die Sternpunkte in einfacher Weise einzeln oder als gemeinsamer Sternpunkt aus der hohlzylindrischen eisen losen Wcklung herausgeführt und an die Leistungselektronik angeschlossen werden.

Alternativ sind die Einzelspulen der einzelnen voneinander getrennten 3-Phasensysteme in Reihe miteinander verbunden, sodass eine als Dreieckschaltung bezeichnete elektrische Kopplung der einzelnen 3-Phasensysteme entsteht. Die Dreieckschaltungen können dann je weils an die Leistungselektronik angeschlossen werden. Alternativ sind die Einzelspulen der voneinander getrennten 3-Phasensystemen eines erfindungsgemäßen bürstenlosen DC- Elektromotors in einer einzigen Polygonschaltung miteinander verbunden. Die Dreiecksschal tung der Einzelspulen bzw. die Polygonschaltung der Einzelspulen mehrerer 3-Phasensys- teme ermöglicht eine höhere Drehzahlkonstante des Elektromotors und damit eine Reduzie rung der notwendigen Versorgungsspannung.

Günstigerweise kann für jede der voneinander getrennten 3-Phasensysteme ein separater elektronischer Kommutator vorgesehen sein, bevorzugt ein elektronischer Blockkommutator. Dadurch können trotz der Verwendung von zwei elektrisch und räumlich voneinander getrenn ten 3-Phasensystemen herkömmliche und auch für Standardmotoren verwendete Kommuta toren eingesetzt werden. Entsprechend lassen sich so die Entwicklungs- und Produktionskos ten redundanter bürstenloser DC-Elektromotoren senken. Weiterhin entsteht beim Einsatz ei nes separaten elektronischen Kommutators für jedes der voneinander getrennten 3-Phasen- systeme bei dem Ausfall eines Kommutators nur eine minimale Beeinträchtigung der 3-Pha- sensysteme untereinander, sofern die Kommutatoren mit eigenen Spannungskreisen ausge stattet sind. Folglich kann so die Fehlertoleranz des erfindungsgemäßen DC-Elektromotors verbessert und eine erhöhte Redundanz erzielt werden.

Des Weiteren kann der Stator einen magnetischen Rückschluss aufweisen, bevorzugt ein um die hohlzylindrische eisenlose Wcklung herum angeordnetes laminiertes Eisenpaket. Der magnetische Rückschluss reduziert die Wirbelstromverluste und verbessert entsprechend die Leistungsdichte des DC-Elektromotors. Für einen möglichst hochwertigen Rückschluss kann ein laminiertes Eisenpaket oder ein Paket aus Eisen-Nickel-Blechen um die hohlzylindrische eisenlose Wicklung herum angeordnet sein.

Eine besondere Ausführungsform sieht vor, dass der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator eine Fluidströmung durch den Luftspalt ermöglicht, insbesondere eine Durchströmung von menschlichem Blut ermöglicht, wobei der umlaufende Luftspalt bevorzugt größer als 15%, insbesondere größer als 25%, des Radius des Rotors ist. Ein derart großer Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator ermöglicht einen einfachen Einsatz als Antriebseinheit eines im plantierbaren Herzunterstützungssystems und dessen Integration in dem Blutkreislauf von Pa tienten.

Im Folgenden werden nichtbeschränkende Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand von beispielhaften Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen bürstenlosen DC-Elektromotors,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Spulenverschaltung des DC-Elektromotors aus Fig. 1 mit zwei permanentmagnetischen Polpaaren und zwei 3-Phasensystemen,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der unabhängigen magnetischen Flüsse für die Schal tung aus Fig. 2 mit zwei Einzelspulen je Phase,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der unabhängigen magnetischen Flüsse entspre chend Fig. 3 mit einem internen Windungsschluss, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Wicklungsausführung für die Schaltung aus Fig. 2 mit zwei Einzelspulen je Phase.

Für die folgenden Ausführungsbeispiele gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehöri gen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nach folgende Figurenbeschreibungen verwiesen.

Anhand der Fig. 1 wird zunächst der generelle Aufbau eines erfindungsgemäßen bürstenlosen DC-Elektromotors 1 erläutert. Die wesentlichen Bestandteile dieses bürstenlosen DC-Elektro motors 1 sind der drehbare Rotor 2 mit einem Permanentmagneten 3, der direkt mit der Welle 4 verbunden ist, sowie der Stator 5, in dem der Rotor 2 drehbar gelagert ist, mit einer hohlzy lindrischen eisenlosen Wicklung 6 und dem um die Wicklung 6 herum angeordneten mit dem Gehäuse 8 verbundenen Rückschluss 7. Dabei besteht der Rückschluss 7 aus einem lami nierten Eisenpaket, um die Eisenverluste zu verkleinern, die aufgrund des rotierenden Perma nentmagneten 3 des Rotors 2 auftreten. Eine Printplatte 10 sorgt über Anschlussdrähte 9 für die elektrische Verbindung der Wicklung 6 mit einer zugehörigen Leistungselektronik. Dabei können auf der Printplatte 10 auch Sensoren, beispielsweise Hallsensoren, angeordnet sein, welche die Lage der mit der Welle 4 umlaufenden Permanentmagneten 3 abtasten.

Die Welle 4 mit dem darauf montierten Permanentmagneten 3 ist auf zwei vorgespannten Kugellagern 11 drehbar gelagert. Zwei zwischen den Kugellagern 11 und dem Permanent magneten 3 angeordnete Auswuchtringe 12 ermöglichen ein dynamisches Auswuchten des Rotors, indem gezielt Material von den beiden Auswuchtringen 12 entfernt werden kann. Das Auswuchten des Rotors mittels der Auswuchtringe 12 reduziert die Vibration und Geräusche und verlängert damit die Lebensdauer der Kugellager 11 , bzw. des gesamten Elektromotors 1, insbesondere bei den mit einem bürstenlosen DC-Elektromotor 1 erreichbaren hohen Dreh zahlen. Mit dem stirnseitigen Lagerflansch 13 kann der im Gehäuse 8 montierte Rotor 2 gesi chert werden.

Die Verschaltung der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung 6 des DC-Elektromotors 1 aus Fig. 1 mit einem Permanentmagneten 3 aus zwei permanentmagnetischen Polpaaren 14 so wie zwei elektrisch voneinander isolierte 3-Phasensystemen 15 der Wicklung 6 mit den Ein zelphasen Pi, P3 und P5 bzw. P2, P4 und Rb ist in Fig. 2 dargestellt. Neben dem Permanent magneten 3 mit vier magnetischen Polen weisen die Einzelphasen Pi, P3 und P5 bzw. P2, P4 und R _d jeweils zwei Einzelspulen 16 auf, die in Reihe geschaltet und um einen räumlichen Winkel von 90° zueinander versetzt in der Wicklung 6 angeordnet sind. Dabei ist zwischen dem Stator 5 mit der Wicklung 6 und dem Rotor 2 mit dem Permanentmagneten 3 ein größerer Luftspalt 17 vorgesehen, der eine Fluidströmung, insbesondere eine Durchströmung mit menschlichem Blut, erlaubt. Weiter sind die Einzelphasen Pi, P3 und P5 bzw. P2, P4 und R _d der jeweiligen 3-Phasensysteme 15 elektrisch miteinander in einer Sternschaltung verbunden, wo bei die einzelnen Sternpunkte 18 der zwei 3-Phasensystemen 15 miteinander verschmolzen und als gemeinsamer Sternpunkt 19 aus der Wicklung 6 herausgeführt sind. Alternativ zu der in Fig.2 gezeigten Sternschaltung lassen sich die zwei 3-Phasensystemen 15 entsprechend auch als eine 6-phasige Polygonschaltung verbinden, ohne einzelne Sternpunkte 18 oder ei nen gemeinsamen Sternpunkt 19.

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der unabhängigen magnetischen Flüsse für einen erfindungsgemäßen DC-Elektromotor 1 in der in Fig. 2 gezeigten Sternschaltung. Dabei ist auch hier wieder die bevorzugte Ausführungsform des DC-Elektromotors 1 mit einem 4-poli- gen Permanentmagneten 3 und zwei 3-Phasensystemen 15 mit jeweils 2 in Reihe geschalte ten Einzelspulen 16 pro Phase, welche in einem räumlichen Winkel von 90° zueinander in der Wicklung 6 angeordnet sind, zugrunde gelegt. Fig. 3 zeigt das Schema der unabhängigen magnetischen Flüsse Fi bis F ₄ der vier Einzelspulen 16 von zwei zueinander gehörenden, d.h. um 180° versetzten einzelnen Phasen der zwei voneinander getrennten 3-Phasensyste- men 15. Dabei sind die zwei Einzelspulen 16 der jeweiligen einzelnen Phasen in entgegenge setzter Wcklungsrichtung elektrisch verschaltet, was zu einer magnetischen Spulenkopplung mit einem Nord- und einem Südpol führt.

Die schematische Darstellung in Fig. 4 zeigt das Schema der unabhängigen magnetischen Flüsse F ₁ bis F ₄ der vier Einzelspulen 16 für einen fehlerbehafteten Betriebszustand in dem eine Einzelspule 16 der Wicklung 6 durch einen internen Wcklungsfehler kurzgeschlossen ist und ideell betrachtet keinen magnetischen Fluss zulässt. Im Gegensatz zu dem ungestörten Betriebszustand des DC-Elektromotors 1 in Fig. 3 ist eine Einzelspule 16 der Einzelphase Pi in unvorhergesehener Weise durch einen internen Wndungsschluss kurzgeschlossen, wodurch sich ein Kurzschluss-Strom ausbildet, der dem Rotorfeld entgegenwirkt. Die magne tischen Flüsse F ₁ und F ₂ werden aus der kurzgeschlossenen Einzelspule 16 der Einzelphase Pi heraus gedrängt und müssen sich daher tangential, d.h. in Umfangsrichtung, im Luftspalt 17 zwischen der Oberfläche des Rotors 2 und dem inneren Durchmesser der Wicklung 6 schließen. Die magnetischen Flüsse F ₁ und F ₂ bilden somit lediglich magnetische Streufluss- Komponenten aus, die von dem Wcklungssystem nicht mehr erfassen werden und damit auch nicht mehr zum elektromechanischen Leistungsumsatz beitragen können.

Der magnetische Spulenfluss bestehend aus den magnetischen Flüssen F ₁ und F ₂ der Ein zelphase Pi ist durch den Windungsschluss um 3/4 auf 1/4 reduziert. Der magnetische Spu lenfluss in der gegenüberliegenden Einzelphase P ₂ der Wicklung 6 zeigt jedoch lediglich eine Minderung um 1/4 auf 3/4 des Flusses, der in dem fehlerfreien Zustand aus Fig. 3 herrschte. Nach dem Wegschalten der kurzschlussbehafteten Einzelphase Pi kann die Einzelphase P ₂ mit um 25% reduziertem Fluss noch weiter betrieben werden. Diese relativ kleine Beeinträch tigung ist der Tatsache geschuldet, dass den Einzelphasen direkt benachbarte Polpaare zu geordnet sind. So können nach dem Wegschalten einer fehlerhaften Einzelphase immer noch 10/12, also etwa 83%, des Wcklungssystems einen Leistungsbeitrag leisten. Entsprechend können im Notfallbetrieb die Wcklungsströme und entsprechend dem Strom-Quadrat auch die Kupferverluste reduziert werden. Wegen des höheren Wrkungsgrades im Notfallbetrieb ist der erfindungsgemäße DC-Elektromotor 1 als deutlich fehlertoleranter einzustufen als herkömmli che Elektromotoren mit einer einfachen 3-phasigen Wicklung 6. Auch ist mit dem erfindungs gemäßen DC-Elektromotor 1 im Notfallbetrieb ein Anlauf aus dem Stillstand heraus weiterhin möglich.

Die Mehrphasigkeit des erfindungsgemäßen DC-Elektromotors 1 mit kleineren Spannungsdif ferenzen zwischen benachbarten Einzelspulen 16 reduziert bei einem Notfallbetrieb mit inne ren Windungsschlüssen den Strom zwischen benachbarten Einzelphasen Pi bis Rb. Der Not fallbetrieb bei einem bestehenden internen Windungsschluss verursacht somit geringere zu sätzliche Verluste und entsprechend ermöglicht der erfindungsgemäße DC-Elektromotor 1 ei nen besseren Wirkungsgrad im Notfall betrieb. Gerade im Gegensatz zu bifilar gewickelten Wicklungen 6 kann sich beim erfindungsgemäßen DC-Elektromotor 1 bei einem internen Win dungsschluss immer noch ein magnetischer Fluss auf über der Hälfte des Umfangs der Wick lung 6 ausbilden, der in den verbleibenden, nicht betroffenen Einzelspulen 16eine leicht redu zierte Spannungsinduktion ermöglicht.

Die Wicklungsausführung für den in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemäßen DC-Elektromotor 1 wird in der schematischen Darstellung der Wicklung 6 mit zwei Einzelspulen 16 je Einzel phase Pi bis R _d in Fig. 5 gezeigt. Dabei sind die Einzelphasen Pi bis Rb der zwei voneinander getrennten 3-Phasensysteme 15 in einer Sternschaltung miteinander verbunden, wobei die Sternpunkte 18 der mindestens zwei voneinander getrennten 3-Phasensysteme 15 miteinan der verbunden sind und als gemeinsamer Sternpunkt 19 aus der Wicklung 6 herausgeführt und an eine Leistungselektronik angeschlossen werden können. Die Einzelspulen 16 der zwei 3-Phasensysteme 15 sind in einer rhombenförmigen Wicklungsform ausgebildet, um eine möglichst große Windungsdichte der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung 6 zu erzielen. Diese Wicklungsform, wird auch als Rautenwicklung bezeichnet. Die zwei Einzelspulen 16 jeweiligen Einzelphasen Pi bis Rb sind in der hohlzylindrischen eisenlosen Wicklung in einer entgegengesetzten Wicklungsrichtung elektrisch verbunden, was zu einer magnetischen Spu lenkopplung mit einem Nord- und einem Südpol und damit zu der erhöhten Fehlertoleranz des erfindungsgemäßen DC-Elektromotors 1 führt. Bezugszeichenliste

1 DC-Elektromotor

2 Rotor

3 Permanentmagnet

4 Welle

5 Stator

6 Wicklung

7 Rückschluss

8 Gehäuse

9 Anschlussdrähte

10 Printplatte

11 Kugellager

12 Auswuchtringe

13 Lagerflansch

14 Polpaar

15 3-Phasensystem

16 Einzelspulen

17 Luftspalt

18 Sternpunkte

19 gemeinsamer Sternpunkt

PrPe Einzelphasen F1-F4 magnetische Flüsse